Технологические процессы алмазно-абразивной обработки
Анализ существующих технологических процессов алмазно-абразивной обработки напылённых покрытий и технической минералокерамики. Физико-механические свойства керамических материалов. Влияние технологических факторов на процесс обработки напылённой керамики.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.08.2011 |
| Размер файла | 4,0 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
67
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Глава 1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований
- 1.1 Область применения керамических покрытий и требования, предъявляемые к ним
- 1.2 Анализ существующих технологических процессов алмазно-абразивной обработки напылённых покрытий и технической минералокерамики
- 1.3 Выводы. Цель и задачи исследований
- Глава 2. Особенности физических явлений при обработке напыленных покрытий
- 2.1 Анализ физико-механических свойств керамических материалов. Методика исследования процесса финишной обработки покрытий
- 2.2 Анализ физических процессов, характеризующих формообразование поверхностей
- 2.3 Влияние технологических факторов на процесс обработки напылённой керамики
- 2.5 Выводы
- Глава 3. Имитационное моделирование процесса трещинообразования в пористом керамическом материале при алмазно-абразивной обработке
- Список литературы
Введение
Актуальность проблемы. Современный уровень развития техники характеризуется повышением требований к качеству механизмов и машин. Надёжность работы машин во многом обусловлена долговечностью рабочих поверхностей входящих в неё деталей, причём, как показал опыт, значительно можно повысить её только с использованием принципиально новых технологий и конструкционных материалов. Решение проблем, связанных с обработкой новых материалов, является важнейшим направлением научно-технического прогресса. К данной категории мероприятий по кардинальному повышению технического уровня производства относиться и дальнейшее совершенствование технологии получения износостойких покрытий методами плазменного и детонационного напыления. Для получения рабочей поверхности детали, соответствующей высоким эксплуатационным требованиям, используют металлические, твёрдосплавные, композиционные и керамические материалы. Причём удельный вес керамики неуклонно растет ввиду её высоких физико-механических свойств и низкой себестоимости. Наиболее сложным этапом в технологическом процессе получения деталей с керамическими покрытиями является их окончательная механическая обработка. Это обусловлено склонностью хрупких напылённых слоёв к трещинообразованию и отслоению от основы. В настоящее время требуемые размеры, параметры отклонений формы и шероховатости деталей с напылёнными слоями обеспечиваются за счёт использования рекомендаций по алмазному шлифованию технической минералокерамики и металлов. Но при этом технологические маршруты имеют нерациональный характер, так как не учитывают особенностей керамических покрытий. Назначаются завышенные припуски на механическую обработку, что приводит к необходимости получения покрытий большей толщины, а требуемые параметры отклонений формы и шероховатости часто достигаются за счёт выполнения низко производительных доводочных операций.
Связь с научными программами, планами, темами. Работа выполнена на кафедре Технология Машиностроения Севастопольского Национального Технического университета и является частью научных исследований кафедры проведенной в рамках госбюджетной темы: ”Технологические основы обеспечения качества и повышения стабильности высокопроизводительного чистового и тонкого шлифования”. Тема проводится в 2006-2008гг.
Цель работы и задачи исследований. Целью работы является установление взаимосвязей между технологическими режимами и показателями качества изделий с износостойкими покрытиями на операциях плоского шлифования.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Исследовать механизмы формирования шероховатости, волнистости и съема при алмазном шлифовании напылённой окиси алюминия и разработать методики их численного расчёта.
2. Установить взаимосвязь между технологическими факторами и параметрами качества обработки плазменных и детонационных керамических покрытий.
Объект исследования - операция плоского наружного шлифование износостойких керамических покрытий.
Предмет исследований - закономерности формирования параметров качества при плоском наружном шлифовании заготовок с износостойкими керамическими покрытиями.
Методы исследований. Теоретические исследования проводились на базе научных основ технологии машиностроения, теории резания материалов, теории динамики станков, системного анализа, линейной алгебры. При проверке адекватности моделей использованы методы моделирования, которые основываются и базируются на аналитических и численных экспериментах, а также на экспериментальной проверке результатов моделирования в лабораторных условиях.
Научная новизна полученных результатов. Установлены зависимости и механизмы формирования шероховатости, волнистости и съема при алмазном шлифовании напылённой окиси алюминия и разработать методики их численного расчёта.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Основные положения, результаты исследований, выводы и рекомендации магистерской работы не противоречат фундаментальным положениям технологии машиностроения и обработки материалов резанием.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются всесторонним статистическим анализом данных, результатами опытно-промышленной проверки и внедрением в производство.
Научное значение работы заключается в установлении закономерность между режимами резания при шлифовании керамики и выходными показателями процесса.
Практическое значение полученных результатов:
Полученные результаты позволяют дополнить отсутствие информации о механизмах формирования шероховатости, волнистости и съёма, создать варианты маршрутов окончательной обработки керамических покрытий в зависимости от технических требований к рабочим поверхностям напыляемых деталей.
Результаты работы показывают пути дальнейшего исследования процесса плоского шлифования износостойких керамических покрытий.
Реализация результатов работы.
Результаты работы внедрены в учебный процесс.
Личный вклад автора.
напыленная керамика алмазный обработка
Автор выполнил постановку цели и задач работы; Участвовал объемом экспериментальных исследований, выполненных с использованием современных методик, оборудования и аппаратуры.
Апробация результатов работы обсуждались на международной научно технической конференции Студентов аспирантов и молодых ученых "Прогрессивные направления развития Машино-приборо-строительных отраслей и транспорта", Севастополь 14-17 мая 2007.
Публикации. Имеется одна публикация:
Огородник Н.А. Оценка влияния технологических факторов на процесс плоского шлифования деталей с керамическими покрытиями \
Н.А. Огородник, С.М. Братан \\Прогрессивные направления развития Машино - приборостроительных отраслей и транспорта. тез. докл. на межд. научн. техн. конф. Севастополь, СевНТУ., 2007. С.56-57.
Структура и объём магистерской работы. Магистерская работа состоит из введения, разделов и выводов. Работа выполнена на листах 120 машинописного текста, включает список литературы из источников и приложений на страницах, содержит рисунков и таблиц.
Глава 1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований
1.1 Область применения керамических покрытий и требования, предъявляемые к ним
Развитие современной техники характеризуется дальнейшей интенсификацией работы узлов и механизмов машин. Для удовлетворения этих потребностей необходимо создание деталей машин, обладающих высокой долговечностью рабочих поверхностей. Как показал отечественный и зарубежный опыт, одним из эффективных технологических приёмов по увеличению срока службы пар трения является нанесение покрытий, обладающих повышенными физико-механическими свойствами. В настоящее время существует уже большая номенклатура методов получения на рабочих поверхностях деталей износостойких слоев. К основным из них относятся: химическое и физическое осаждение из газовой фазы, электроконтактное напекание; индукционная, плазменная и лазерная наплавки; электродуговое, газо-пламенное, плазменное и детонационное напыления [39].
Большое народнохозяйственное значение в настоящее время имеет дальнейшее совершенствование технологии получения защитных покрытий методами плазменного и детонационного напыления. Этому процессу способствует развитие отечественной порошковой металлургии, появление промышленных генераторов низкотемпературной плазмы на базе серийных установок УМП-6 и УПУ-ЗМ, а также успешная разработка оборудования для детонационного напыления в научно-исследовательских лабораториях страны. Широкое внедрение данных технологий стало возможным после изучениях основных закономерностей газотермических методов нанесения износостойких покрытий в работах В.Н. Анциферова [79], С.С. Бартенева [9], Ю.С. Борисова [12], И.Н. Горбатова [79], Л.М. Демиденко [23], К.М. Зерова, В.Р. Мадисона [33], В.М. Иванова [39], Э. Кречмара [48], В.В. Кудинова [49], Ю.П. Федько [103], Ю.А. Харламова, М.Х. Шоршо-рова [122], А. Хасуи [108] и ряда других исследователей [13, 31, 38, 39, 47, 82, 94, 119].
Хорошо себя зарекомендовали в процессе эксплуатации детали, относящиеся к группам валов, втулок, колец, рычагов и других, в технологию изготовления которых было введено напыление износостойких покрытий. Использование энергии плазмы и детонации взрыва позволяет наносить на рабочие поверхности деталей защитные слои практически из любых существующих в промышленности конструкционных материалов, в том числе и тугоплавких. Наибольшее практическое применение среди них получили порошки никеля, молибдена, алюминия, карбида вольфрама, окиси хрома, двуокиси титана, окиси алюминия, самофлюсующегося сплава типа ПГ-СР, а также их композиции [81]. Причём удельный вес керамики на основе , по данным авторов работ [9, 47, 69], неуклонно растёт в силу её высоких физико-механических свойств, инертности в химическом отношении, широкой распространенности в абразивной промышленности, низкой себестоимости, а также технологичности с точки зрения напыляемоети. Покрытия, полученные с использованием в качест-ве исходного материала порошка окиси алюминия, обладают повышенной износостойкостью, не корродируют, легко переносят тепловые нагрузки и временное отсутствие смазки в паре трения [81]. Эти качества позволяют повысить долговечность рабочих поверхностей деталей в отношении ранее используемых материалов в 1,3.3,0 раза [14, 56, 69].
В соответствии с формулировкой В.В. Кудинова, газотермическое покрытие является своеобразным материалом, полученным в результате удара, деформации и чрезвычайно быстрой кристаллизации небольших (10.150 мкм) частиц материала, напыляемого на подложку. Последовательно вкладываясь друг на друга, частицы образуют чешуйчатое, слоистое покрытие с анизотропией физических и механических свойств, неоднородное в структурном и химическом отношении [49]. Качество напылённых материалов характеризуется прочностью их сцепления с основой, когезионной прочностью, плотностью, однородностью, величиной внутренних остаточных напряжений, микротвердостью и рядом других параметров. А в случаях их использования для повышения износостойкости деталей, применяемых в парах трения, большое значение приобретают шероховатость, волнистость и отклонения формы рабочих поверхностей покрытий [87].
Технологический процесс получения деталей с напылённымипокрытиями включает в себя три основных этапа. А именно, подготовку исходного материала и поверхности подложки, процесс нанесения износостойкого слоя и его окончательную механическую обработку. Получение качественного покрытия, обладающего высокими эксплуатационными свойствами, возможно только при тщательном выполнении всех технологических приёмов на протяжении каждого из трёх этапов. Закономерности формирования самих износостойких слоев на основе методами плазменного и детонационного напыления достаточно хорошо изучены в работах советских и зарубежных исследователей [9, 47, 49, 108]. Разработаны рациональные режимы нанесения керамических покрытий, обеспечивающие их качество.
По своей сущности процессы газотермического напыления порошковых материалов заключаются в следующем. При плазменном методе между анодом и катодом плазмотрона возбуждается электрическая дуга. Подаваемый под давлением в данную область рабочий газ, азот или смесь аргона с аммиаком, ионизируется с большим поглощением тепловой энергии. Далее эта энергия освобождается, что позволяет получить в плазменном факеле температуру 103.105°К. При подаче порошка исходного материала в эту зону и дальнейшем продвижении к напыляемой поверхности происходит его разогрев, плавление, сфероидация, а в момент соударения с подложкой деформация, остывание и кристаллизация. Данный процесс получил название - "намораживание". Скорость полёта частиц порошка при плазменном напылении с использованием промышленных установок типа УМП-6 составляет 1,0.1,5 102 м/с, что позволяет формировать покрытие с пористостью в интервале 5.15 % и прочностью сцепления с основой не менее 0,1 МПа [47, 49].
Принцип детонационного метода заключается в том, что в камеру водоохлаждаемого ствола, направленного на подложку, подают контролируемую смесь взрывоспособных газов. В момент инициирования электрической искры в ствол засыпают порцию напыляемого порошка. При взрыве газовой смеси происходит образование ударной волны с выделением тепла, которая разгоняет и предварительно разогревает частицы. Скорость полета в этом случае достигает 5,0.6,5 102 м/с. Соударяясь с подложкой, напыляемый материал расплавляется за счет перехода его кинетической энергии в тепловую и соответственным получением температуры до 4*103°К. Использование детонационного метода позволяет формировать покрытия с пористостью в интервале I.5 % и прочностью сцепления с основой не менее 0,3 МПа [9].
При хаотическом наслоении друг на друга напыляемые частицы образуют на поверхности покрытия развитый микрорельеф. Высота микронеровностей по параметру Rz может достигать 100.200 мкм. Кроме того, неравномерность отложения частиц порошка на подложке в пределах пятна напыления приводит к образованию на ней значительных отклонений формы [54]. Данные причины не позволяют использовать детали с газотермическими покрытиями в узлах трения без окончательной механической обработки. Следовательно, для достижения высокой работоспособности износостойких напылённых слоев, кроме получения повышенных физико-механических свойств, необходимо создание требуемых параметров отклонений формы, волнистости и шероховатости. Так, например, при использовании керамики для повышения долговечности рабочих поверхностей коленчатых валов шероховатость покрытий по параметру не должна превышать 0,16 мкм, а овальность и конусность шатунных и коренных шеек соответственно 0,02 мм [82]. Технические требования на изготовление других типов деталей, работающих в узлах трения, также достаточно высоки.
Напыленные керамические покрытия являются своеобразным конструкционным материалом, имеющим ограничения по прочности сцепления с основой и склонность к хрупкому разрушению. Использовать технологические рекомендации по механической обработке таких материалов, как закаленные стали и твёрдые сплавы, в данном случае нецелесообразно. Более близкими по своим свойствам к напыленной окиси алюминия можно считать техническую минерало-керамику и газотермические покрытия на основе металлов. Вопросам изучения обрабатываемости данных материалов посвящены работы целого ряда исследователей [5, 6, 15, 61, 83, 85, 87, 102, 109] и их анализ представляет значительный интерес для создания технологии окончательной механической обработки керамических покрытий на деталях машин с обеспечением требуемого качества и эксплуатационных характеристик.
1.2 Анализ существующих технологических процессов алмазно-абразивной обработки напылённых покрытий и технической минералокерамики
Окончательная механическая обработка деталей с газотермическими покрытиями необходима для достижения требуемых размеров, отклонений формы и шероховатости рабочих поверхностей. Как было ранее отмечено, сложность обработки напылённой керамики обусловлена её склонностью к хрупкому разрушению, наличием уязвимой поверхности стыка двух разнородных материалов, а также особенностями структуры износостойкого слоя.
Наиболее приемлемыми в данном случае являются методы механического воздействия с использованием алмазно-абразивного инструмента. По данным А. Хусу и О. Моригаки [108] напылённые керамические покрытия следует шлифовать кругами на резиновой связке с охлаждением. На этапе черновой обработки предлагается использовать в качестве абразивного наполнителя карбид кремния зернистостью 200/160 мкм, а на окончательном - алмазы зернистостью 50/20 мкм. Приведены рекомендуемые режимы. Для случая плоского периферийного шлифования: глубина , скорость вращения круга , поперечная подача изделия . Этим обеспечивается шероховатость поверхности покрытия по параметру в пределах 1,25., 2,50 мкм. Для получения меньшей высоты микронеровностей предлагается применять доводку с использованием алмазно-абразивной пасты.
В соответствии с исследованиями сотрудников ИСМ АН
Э.С. Рабинович и Г.Г. Покладия [83] детонационные покрытия на основе можно обрабатывать кругами с наклеенными алмазными шлифовальными лентами на эластичной основе (АШЛЄ) типа "ежик", обладающими прерывистой рабочей поверхностью. При варьировании зернистости помещённых в резиновую связку алмазов в диапазоне от 80/63 до 5/3 мкм шероховатость напылённых слоев изменяется по параметру от 0,04 до 0,32 мкм. Рекомендуется устанавливать поперечную подачу не более 0,01 мм/дв. ход и обеспечивать обильное охлаждение.
По данным работы [47] шлифование керамических покрытий целесообразно проводить в два этапа. На черновом алмазными кругами, а на чистовом абразивными на основе карбида кремния зелёного с глубиной шлифования t, не превышающей 0,025 мм, и скоростью V = 25.30м/с.
Вышеприведенные, а также ряд имеющихся в литературе рекомендаций [48, 49, 81, 82] по обработке детонационных и плазменных керамических покрытий, имеют противоречивый характер. Существующие данные не вскрывают связи параметров качества обработанных поверхностей с особенностями структуры напылённых слоев и целым рядом технологических условий. Отсутствует информация о механизмах формирования шероховатости, волнистости и съема керамических покрытий в процессе механического воздействия на них. Не рассмотрены варианты маршрутов окончательной обработки напылённых слоев в зависимости от уровня технических требований.
При анализе технологических рекомендаций на обработку технической минералокерамики типа ЦМ332, ВШ, 22ХС [15,61,109] и аналогичных для напылённых покрытий наблюдается их схожесть. Создание условий бездефектного шлифования заключается в использовании алмазного инструмента, обладающего высоким коэффициентом режущей способности, в назначении высокой скорости вращения круга V, малых величин глубины t и поперечной подачи , а также в обеспечении обильной подачи СОЖ.
В отличие от напылённых покрытий, исследования, посвященные вопросам шлифования и доводки технической керамики, проводились с анализом процессов взаимодействия инструмента и обрабатываемого материала. Так по данным работы [73], механизм разрушения корундовой керамики 22ХС при плоском шлифовании периферией круга может изменяться в зависимости от условий обработки. При черновом шлифовании имеет место хрупкое разрушение поверхностного слоя.
С помощью электронного микроскопа по репликам, снятым с поверхности керамики, установлено наличие на ней выколов и трещин. Их образованию в обрабатываемом материале способствуют концентраторы или зародыши трещин. Ими могут служить поры, различные включения, границы раздела спечённых зёрен технической керамики.
При получистовом шлифовании наблюдается квазихрупкий отрыв и межзёренное разъединение, характеризуемые на ступенях скола язычками и гребнями, а также ямками, образующимися после слияния микропустот.
Чистовое шлифование, кроме всего прочего, сопровождается образованием следов деформации на участках стеклофазы керамики и зерен окиси алюминия.
В соответствии с результатами исследований по шлифованию корундовой керамики единичным алмазным зерном [15] образование микрорельефа обрабатываемой поверхности сопровождается двумя различными процессами. Под действием нормальной составляющей силы резания происходит раскалывание зёрен шлифуемого микролита, а под действием тангенциальной составляющей Рz их отрыв, измельчение и истирание. Таким образом, для технической керамики в процессе её алмазно-абразивной обработки возможны два вида хрупкого разрушения материала: раскалывание зёрен и нарушение спаев по границам раздела исходных частиц микролита.
Вышеприведенные закономерности подтверждают сложность процессов, происходящих при обработке хрупких конструкционных материалов, и их нестабильность для различных технологических условий.
По данным М.Х. Мисирова [61] формирование поверхности при шлифовании ферритов и минералокерамики сопровождается одновременно как пластическим деформированием, так и хрупким разрушением. Изменение удельного соотношения видов съема при варьировании технологических условий обработки приводит к изменению механизма образования микронеровностей поверхности и параметров её шероховатости. Установлено, что для заданной пары инструмент - деталь существует постоянная область условий бездефектного шлифования. Причём границы области можно описать величиной допустимой внешней нагрузки, в данном случае усилия резания, и количеством дефектов на единице обрабатываемой поверхности.
Результаты исследований закономерностей формирования шероховатости минералокерамических материалов типа ЦМ332 и 22ХС при шлифовании не могут быть использованы применительно к напыленным покрытиям без значительных изменений и дополнений ввиду наличия существенных особенностей последних. Кроме того, каждая марка технической керамики имеет комплекс постоянных свойств в силу неизменности технологии её получения. Параметра газометрических покрытий на основе окиси алюминия такие, как пористость и когезионная прочность, могут изменяться в зависимости от режимов плазменного и детонационного напыления. Поэтому алгоритмы для расчёта шероховатости и волнистости обработанной поверхности напыленной керамики должны учитывать её структуру и физико-механические свойства.
Разработаны конкретные рекомендации по шлифованию технической минералокерамики алмазными кругами формы ПП [15]. На этапе черновой обработки целесообразно использовать инструмент о алмазами марки АС4 и АС6 на металлической связке Ml 100 % - концентрации зернистостью 63/50.160/125мкм. Для создания условий бездефектного шлифования рекомендуется назначать следующие режимы: , с подачей СОЖ. При этом достигается шероховатость обработанной поверхности по параметру в интервале 0,32.1,25 мкм.
Чистовое шлифование минералокерамики следует производить кругами на органической связке Б1 из алмазов АСМ 40/28.28/20 при и . Этим достигается шероховатость обработанной поверхности по не более 0,08.0,32 мкм. Для дальнейшего снижения высоты микронеровностей рекомендуется применять доводку алмазными пастами, что позволяет получать поверхности минералокерамики с =0,05.0,10 мкм. Данные по волнистости для всех этапов обработки отсутствуют.
Технологические параметры чернового и чистового шлифования технической керамики нельзя рассматривать как рациональные для напылённой окиси алюминия. Плазменные и детонационные покрытия имеют существенные особенности и границы условий бездефектного шлифования для них могут быть другими, что даёт возможность более производительной механической обработки напылённой окиcи алюминия.
Подходы к вопросам обрабатываемости металлических и керамических покрытий значительно отличаются друг от друга, напылённые слои на основе металлов и их композиций, как правило, оплавляют при высоких температурах для снижения их пористости и увеличения прочности сцепления с поверхностью детали [38, 64, 88]. Применительно к керамическим покрытиям данная операция нереализуема в связи со значительной разницей коэффициентов температурного расширения окиси алюминия и стальной подложки. Таким образом, в случае шлифования металлических напылённо-оплавленных слоев объектом обработки является практически сплошной материал с высокими физико-механическими свойствами: прочностью на растяжение, твердостью, износостойкостью, абразивной способностью. Для обеспечения требуемого качества деталей необходимо создание условий обработки с усилиями резания и температурным режимом, не приводящими к отслоению по крытия от основы и структурным превращением на его поверхности [87]. Закономерности формирования шероховатости, волнистости и съема при шлифовании напылённых металлов аналогичны полученным для сталей и твердых сплавов [45, 46, 58, 67, 78, 84, 129]. Плазменные и детонационные покрытия на основе титана, молибдена, никеля, нержавеющих сталей, самофлюсующихся сплавов типа ПГ-СР и многие другие могут быть обработаны с использованием как абразивного так и алмазного инструмента [6, 47, 48, 102].
Но в большинстве случаев алмазные круги являются более эффективными. Так, например, по данным работы [87] при шлифовании плазменных покрытий на основе сплавов CHГH и ВСНГН удельная производительность абразивных кругов является низкой вследствие наличия в напылённом материале включений: боридов, карбоборидов и карбидов с микротвёрдостью до 400 МПа.
Металлические покрытия по сравнению с керамикой допустимо шлифовать при более жестких технологических условиях. Так, обработка напыленного сплава типа ПГ-СР периферией алмазного круга АС4 125/100 М1 100 при не сопровождается дефектообразованием на поверхности композиционного материала [25]. На основании этого, рекомендации по шлифованию металлических покрытий не мо-гут быть использованы для напылённой окиси алюминия без теоретического обоснования и тщательной экспериментальной проверки.
1.3 Выводы. Цель и задачи исследований
1. Плазменный и детонационный методы напыления покрытий на рабочие поверхности деталей машин позволяют значительно повысить их долговечность. Удельный вес керамических порошков, как исходного материала для получения износостойких слоев, неуклонно возрастает в силу их высоких физико-механических свойств, низкой себестоимости и технологичности
2. Поверхности покрытий после напыления имеют значительные отклонения формы и микронеровности. Данные причины, а также необходимость в получении заданных размеров, не позволяют использовать детали с керамическими покрытиями в узлах трения без окончательной механической обработки.
3. Напылённые слои на основе окиси алюминия являются своеобразным пористым материалом, имеющим ограничения по прочности сцепления с основой и склонность к хрупкому разрушению. Использование технологических рекомендаций по механической обработке таких материалов, как закалённые стали, твёрдые сплавы, газотермические покрытия на основе металлов, в данном случае нецелесообразно. Наиболее приемлемыми для обработки хрупких материалов являются методы с применением алмазно-абразивного инструмента. Но имеющиеся в литературе данные по шлифованию плазменных и детонационных керамических покрытий носят противоречивый характер, не вскрывают связи параметров качества обработанных поверхностей с особенностями структуры напыленных слоев и целым рядом технологических условий. Отсутствует информация о механизмах формирования шероховатости, волнистости и съема. Не рассматриваются варианты маршрутов окончательной обработки керамических покрытий в зависимости от технических требований к рабочим поверхностям напыляемых деталей.
4. Анализ исследований в области обрабатываемости технической минералокерамики доказывает сложность процессов, происходящих при механическом воздействии на хрупкие конструкционные материалы. Рекомендации по шлифованию керамических микролитов не могут быть использованы применительно к напылённым покрытиям без значительных изменений и проведения дополнительных исследований ввиду существенных особенностей последних.
В связи с этим целью исследований является установление взаимосвязей между технологическими режимами и показателями качества изделий с износостойкими покрытиями на операциях плоского шлифования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать механизмы формирования шероховатости, волнистости и съема при алмазном шлифовании напылённой окиси алюминия и разработать методики их численного расчёта.
2. Установить взаимосвязь между технологическими факторами и параметрами качества обработки плазменных и детонационных керамических покрытий.
Глава 2. Особенности физических явлений при обработке напыленных покрытий
2.1 Анализ физико-механических свойств керамических материалов. Методика исследования процесса финишной обработки покрытий
Экспериментальные исследования проводили для анализа особенностей влияния технологических параметров на качество обработанной поверхности напылённой керамики, для определения допустимых режимов шлифования покрытий и их сопоставления с рекомендуемыми для технической минералокерамики, а также с целью выявления механизмов образования шероховатости, волнистости, съема в процессе алмазно-абразивной обработки. Поставленные задачи решались в следующей последовательности.
На первом этапе был проведён сравнительный эксперимент по шлифованию окиси алюминия, напылённой плазменным и детонационным методами, и технической минералокерамики, на обработку которой разработаны технологические рекомендации [1, 15, 109], Основной задачей данных исследований являлось изучение особенностей обрабатываемости напылённых материалов и выявление физической картины процесса образования поверхностей при шлифовании керамических покрытий. Режимы обработки и характеристику инструмента назначали в соответствии с рекомендациями для технической минералокерамики. В процессе исследований контролировали силы шлифования, съем, шероховатость и волнистость обработанной поверхности, а также анализировали микрорельеф шлифованных поверхностей методами электронной микроскопии. На втором этапе был проведён технологический эксперимент по шлифованию керамических покрытий. Задачей данных исследований было определение характера влияния технологических факторов на качество обработки, а также получение конкретных экспериментальных данных для их использования в математическом моделировании процесса. Интервалы изменения режимов и характеристики инструмента устанавливали, принимая во внимание результаты предыдущих опытов. В процессе исследований контролировали съем, шероховатость и волнистость обработанной поверхности, износ инструмента, а также наблюдали за состоянием напылённых покрытий с точки зрения наличия дефектов: отслоений, сколов и трещин.
При проведении сравнительного эксперимента в качестве представителя инструментальных минералокерамических материалов использовали микролит марки ЦМ332. Пластины ЦМ332 получают последовательным прессованием и двухэтапным спеканием тонкоизмельченного порошка окиси алюминия с размером частиц I.2 мкм. Для предотвращения роста кристаллов корунда в процессе формирования микролита в керамику добавляют 0,5.1,0 % окиси магния MgO, которая, вступая в реакцию с окисью алюминия, образует достаточно прочное цементирующее вещество [11]. В результате спекания получается поликристаллическое тело, состоящее из мельчайших кристаллов и межкристаллитной прослойки в виде аморфной стекловидной массы. Экспериментальные образцы из технической минералокерамики изготавливали путём приклеивания прямоугольного блока пластин с размерами 60*55 мм к металлической основе. При этом достигалась площадь обрабатываемой поверхности из условия её соответствия площади исследуемых покрытий на экспериментальных образцах.
Покрытия наносили на образцы из стали 45 в виде плоских дисков диаметром 70мм с отверстиями и диаметральными проточками, служащими, для их крепления. Исходным материалом для напыления служил порошок окиси алюминия марки 24А ТУ 2-036-913-82 с размером частиц в диапазоне 40.63 мкм. Плазменное напыление покрытий проводили на установке УМП-6 с заданием режимных параметров процесса в соответствии с имеющимися рекомендациями
для данной категории материалов [41, 49, 94]. Нанесение окиси алюминия детонационным методом выполняли на установке конструкции Алтайского научно-исследовательского института технологии машиностроения на режимах, разработанных для технических параметров данной модели [33, 80, 112]. Поверхности образцов, предназначенные для напыления покрытий, подвергали дробеструйной обработке с целью повышения прочности сцепления керамики с основой за счёт создания на ней развитого микрорельефа. В процессе нанесения окиси алюминия образцы устанавливали на восьмигранном барабане во вращателе, что позволило получать партию деталей в количестве 24 штук за один запуск используемого оборудования. После завершения формирования керамического слоя образцы с покрытиями помещали в остывающую электропечь, предварительно нагретую до 180°С, для снижения внутренних напряжений в напыленном слое, имеющих место за счёт различия в коэффициентах температурного расширения и стали.
С целью определения физико-механических свойств полученных покрытий измеряли их толщину, прочность сцепления с подложкой, когезионную прочность (прочность на растяжение) и пористость с использованием традиционных методик.
Толщину покрытий определяли путём измерения размера образца до и после напыления при его установке на плоском столике специальной стойки с индикаторной головкой (цена деления 0,001мм).
Прочность сцепления керамического слоя с основой измеряли штифтовым методом [9]. Для этого на образец, состоящий из оправки и конического штифта, после дробеструйной обработки наносили покрытие. Далее к штифту при помощи подвеса и набора грузов прикладывали усилие. Значение прочности сцепления вычисляли как отношение величины разрушающей нагрузки к площади поверхности штифта, контактирующей с покрытием.
Когезионную прочность измеряли с использованием приспособления, устройство которого защищено авторским свидетельством СССР № 1236343, состоящего из двух цилиндрических втулок и центрирующего штифта с коническим буртиком. Для испытаний на поверхности совмещенных втулок после предварительной дробеструйной обработки наносили покрытие толщиной 0,40.0,45 мм. Затем к ним прикладывали растягивающее усилие на разрывной машине модели Р20. Значение когезионной прочности вычисляли как отношение разрушающей нагрузки к площади покрытия в сечении разрыва. Наличие на центрирующем штифте конического буртика, выступающего над цилиндрической поверхностью в месте стыка втулок на высоту , позволяло получать стабильную поверхность разрушения в фиксированной области керамического покрытия.
Пористость напылённых слоев определяли методом А.А. Глаголева [89] путём наложения специальной сетки с основанием в виде квадрата на фотографии шлифов, выполненных при разрезе образцов по нормали к поверхностям покрытий, и дальнейшего подсчёта числа узлов сетки, попадающих в область пор. Контрольную сетку наносили на стекло, причем число узлов, приходящихся на один миллиметр исследуемой поверхности составляло 3,8x103 штук. Значение пористости определяли вычислением отношения числа узлов, попавших в область пор, к их общему числу и его умножением на 100%. Кроме того, для каждого из исследуемых объектов определяли средний размер пор, попавших в сечение шлифа, и их количество на единице площади контролируемой поверхности.
Полученные данные (таблица 2.1) характеризуют физико-механические свойства и качество исследуемых покрытий, а также подтверждают их соответствие требованиям, предъявляемым в настоящее время к керамике, напылённой плазменным и детонационным методами [17, 47, 81, 103].
Таблица 2.1
Физико-механические свойства и параметры структуры минералокерамики и напылённых покрытий
|
Параметр |
Керрамика ЦМ332 |
Детонационное покрытие |
Плазменное покрытие |
|
|
Предел прочности сцепления покрытия с основой бсц, МПа |
0,45 |
0, 19 |
||
|
Предел прочности на растяжение бР, МПа |
450 |
80 |
24 |
|
|
Содержание окиси алюминия , % |
98 |
100 |
100 |
|
|
Пористость керамического материала, % |
I.2 |
3.4 |
8.10 |
|
|
Количество пор, измеренное на поверхности шлифа |
11,2*103 |
12,5*103 |
8,3*103 |
|
|
Средний диаметр пор в сечении шлифа, мкм |
0,9 |
1,9 |
2,8 |
|
|
Толщина напыленного слоя, мм |
0,5 |
0,5 |
На рис.2.1 представлены фотографии шлифов минералокерамики и покрытий. При анализе структуры объектов исследования можно выделить следующие их отличительные признаки. Поры ЦМ332 имеют наименьшие размеры, а плазменно-налыленной окиси алюминия наибольшие. Количество пор на единице площади поверхности шлифа для различных керамических материалов также изменяется. Поэтому с учётом неравенства когезионных прочностей минералокерамики, детонационного и плазменного покрытий уже на этапе сравнения их физико-механических свойств и структуры можно предположить, что процессы, протекающие при алмазно-абразивной обработке данных материалов, также должны иметь существенные различия.
Шлифы исследуемых керамических материалов (увеличение: х 250).
а) б)
в)
Рис.2.1, а - техническая минералокерамика ЦМ332;
б - детонационное покрытие на основе ;
в - плазменное покрытие на основе
При проведении сравнительных экспериментальных исследований для решения вышепоставленных задач напылённые покрытия и минералокерамику ЦМ332 шлифовали на станке модели 3E711B-1 периферией алмазного круга: AС4 160/125 Б1 100 формы ПП 200Ч 20Ч 3 Ч 76. Использование инструмента на органической связке Б1 обусловлено необходимостью достижения минимальных отклонений формы рабочей поверхности круга при изучении физической картины процесса обработки, в том числе на глубинах шлифования t = 0,01 мм и менее. Применение алмазных кругов на металлических связках на данном этапе исследований нецелесообразно ввиду трудоёмкости достижения минимальных отклонений формы их рабочей поверхности. Так, при использовании традиционных методов правки биения кругов на связке Ml остаются пределах 0,02.0,03 мм. В этом случае колебания значений фактической глубины шлифования в процессе обработки могут достигать более 200% в отношении к её заданной величине. Подготовку инструмента к работе проводили в следующей последовательности. После установки на планшайбу круг балансировали и правили алмазным карандашом конструкции МААС АС2 500/400 ИСМ 663-82 при глубине t =0,005 мм, скорости продольной подачи стола станка и подаче вдоль образующей рабочей поверхности [38]. Затем повторяли его балансировку и правку шлифованием стали . Окончательно рабочую поверхность инструмента формировали шлифованием абразивного бруска на основе карбида кремния зелёного 63С 40 СМ1 на аналогичных режимах [90]. Этим достигали биение периферии круга относительно оси вращения шпинделя не более 2мкм. Измерение биений проводили при помощи жёсткой стойки с индикаторной головкой (цена деления 0,001 мм) за счёт определения разновысотности между рабочей поверхностью инструмента и заглубленной относительно неё на 1,2.1,5 мм поверхностью базы - алюминиевого диска, смонтированного на корпусе алмазного круга и проточенного при его установке на станке.
При выполнении сравнительных исследований режимные параметры процесса обработки назначали с использованием технологических рекомендаций по алмазному шлифованию минералокерамических материалов. Глубину резания варьировали на трех уровнях в интервале изменения условий от чистового до чернового шлифования, t соответственно 0,01; 0,05; 0,10мм. Остальные режимные параметры на данном этапе исследований не изменяли и устанавливали как: поперечная подача стола станка S1X =3 мм/ ход, скорость продольной подачи Vs =5 м/мин, скорость вращения шлифовального круга V =35 м/с. В качестве СОЖ использовали жидкость, рекомендуемую для обработки данной категории материалов [110]: сода кальцинированная - 0,25%, тринатрий фосфат - 0,25%, нитрит натрия - 0,25%, бура - 0,25%, вазелиновое масло - 0,50%, остальное вода. Расход cмазочно-охлаждающей жидкости в процессе экспериментальных исследований оставался постоянным и соответствовал 7,5л/мин.
После анализа результатов сравнительных исследований был проведён технологический эксперимент по шлифованию аналогичных детонационных и плазменных покрытий на основе окиси алюминия алмазными кругами на органической связке: АС4 125/100 Б1 100; АС4 80/63 Б1 100; АСМ 40/28 Б1 100. Режимные параметры на основании результатов сравнительного эксперимента корректировали и устанавливали следующим образом. Глубину шлифования t варьировали на трех уровнях: 0,02; 0,06; 0,10 - для детонационных покрытий и 0,02; 0,10; 0,20 - для плазменных покрытий. Скорость продольной подачи Vs изменяли на двух уровнях: 5 и 10 м/мин - как для детонационно-напылённой, так и для плазменно-напылённой керамики. Поперечная подача S1X имела два значения 3 и 5 мм/ ход. Остальные технологические факторы не изменяли и назначали в соответствии с условиями проведения сравнительного эксперимента. Для выполнения вышеперечисленных исследований станок модели ЗЕ 711-BI был оснащен комплексом контрольно-измерительной аппаратуры (рис.2.2), позволяющим получать значительный объем информации об обработанной поверхности детали, износе инструмента, а также регистрировать величину составляющих силы резания. Нормальную и касательную составляющие силы шлифования, возникающие при обработке образцов из технической минералокерамики и с покрытиями 1 (рис.2.2б), измеряли при помощи трехкомпонентного тензометрического динамометра 2 [78, 100], установленного на столе станка 3. В состав измерительной цепи входили усилитель УТ4-1 (4) и самописец модели Н338-4 (5). Для исключения помех, возникающих при деформации кабеля между динамометром и УТ4-1 в процессе возвратно-поступательного движения стола станка, тензостанцию устанавливали на кронштейне в его торце. Определение величин составляющих силы шлифования, нормальной и касательной , проводили с учётом их взаимовлияния друг на друга по известной методике [20] (приложение 1).
Экспериментальная установка на базе станка модели 3E711-B1 для измерения составляющих силы шлифования, съема, волнистости обработанной поверхности и износа инструмента.
а)
б)
Рис.2.2 а - общий вид экспериментальной установки;
б - схема экспериментальной установки
Съем обрабатываемого материала измеряли щуповым методом при помощи плоскопружинной балочки равного сопротивления 7 (рис.2.2б) с наклеенным на нее тензодатчиком 8 и оснащенной алмазным наконечником 9. Для механической фильтрации записи микронеровностей радиус закругления щупа с3 составлял 1,5 мм. Перед совершением контролируемых рабочих ходов инструмента на поверхности покрытия формировали шлифованием плоскость. Затем интервал перемещения стола станка в поперечном направлении устанавливали таким образом, чтобы при работе круга на экспериментальном образце оставался участок шириной 8.10 мм, не подвергаемый далее обработке, и проводили шлифование. Съем определяли по разновысотности обработанной и базовой поверхности профило-графированием в направлении подачи S1x (рис.2. З а). С этой целью использовали специальный дополнительный привод 1 (рис.2.3б), устанавливаемый на кронштейне 2 и сообщающий вращательное движение посредством ремня 3 микрометрическому винту 4 поперечной подачи стола станка. Относительная скорость перемещения датчика по поверхности покрытия составляла 6,5 мм/мин. Электрический сигнал, возникающий при деформации тензорезистора в момент прохождения уступа, усиливали тензостанцией УТ4-1 (4) (см. рис.2.2б) и регистрировали самописцем ЭК1ТМ (6).
Волнистость обработанной поверхности измеряли профилографи-рованием объектов исследования в направлении продольной подачи стола станка Vs с применением устройства и аппаратуры, используемых при определении съема (рис.2. З в). Поступательное движение образцу сообщали специальным съемным приводом 1 (рис.2. З г) через ремень 2 и шкив 3, установленный вместо рукоятки продольного перемещения стола станка. Относительная скорость движения щупа соответствовала 10 мм/мин. Собственная частота колебаний щупа составляет 200 Гц, что более чем на два порядка превышает частоту его вынужденных колебаний при профилографировании обработанной поверхности.
Устройства для измерения съема материала и волнистости обработанной поверхности.
а) б)
в) г)
Рис.2.3 а - положение тензометрического щупа при измерении съема материала;
б - привод перемещения щупа при измерении съема;
в - положение тензометрического щупа при измерении волнистости обработанной поверхности;
г - привод перемещения щупа при измерении волнистости
Для достижения равномерности перемещения датчика напряжение, подводимое на электродвигатель привода, стабилизировали. Параметры волн на обработанных образцах оценивали по их средней высоте в десяти точках Wz и среднему шагу Sw в соответствии с рекомендациями СЭВ (PC 395I-73).
Контроль шероховатости обработанных поверхностей проводили на профилографе-профилометре модели 252 с определением среднего арифметического отклонения профиля , наибольшей высоты неровностей Rmax, среднего значения шагов выступов S в пределах базовой длины и относительной опорной длины профиля tp.
Износ алмазных кругов в процессе шлифования напыленных покрытий определили измерением разновысотности между рабочей поверхностью инструмента и базой до и после обработки в шести фиксированных точках по методике, аналогичной измерению его отклонений формы при правке. Для получения обобщенного значения износа результаты 18 замеров с учётом трехкратной повторяемости опытов усредняли.
Механизм формирования микрорельефа различных типов керамики исследовали по графитовым репликам на электронном просвечивающем микроскопе модели УЭМВ-100К и по образцам-свидетелям, выполненным в форме кубов с величиной ребра 8 мм, на растровом микроскопе BS 300 "TESLA". Образцы-свидетели вырезали из больших образцов после напыления покрытий и далее шлифовали в соответствии с условиями эксперимента. Топографию обработанных поверхностей минералокерамики исследовали с использованием единичных пластин ЦМ332.
Каждый опыт сравнительного эксперимента был проведен с трехкратной повторяемостью и имел следующую структуру. После подготовки инструмента к работе и измерения биений его рабочей поверхности образец, установленный на динамометре, предварительно шлифовали для устранения исходных погрешностей при t =0,01мм, S1x=3 мм/ход и
Vs =5 м/мин, то есть с наименьшими значениями режимных параметров и соответственно гарантией обеспечения минимального дефектообразования на обрабатываемой поверхности керамического материала. Далее технологическую систему настраивали в соответствии с планом эксперимента и совершали три рабочих прохода для записи составляющих силы шлифования. Затем дважды повторяли обработку при тех же технологических условиях, но уже с установкой аналогичных образцов на жёстком магнитном столе. В первом случае шлифование проводили без выхаживания, во втором - с выполнением 4 выхаживающих проходов. Тем самым получали возможность проведения анализа влияния процесса выхаживания на качество обработанной поверхности напылённых покрытий. Съём, волнистость, шероховатость и топографию объектов исследовали после удаления с контролируемой поверхности продуктов шлифования и смазочно-охлаждающей жидкости промывкой спиртом. При проведении технологического эксперимента придерживались аналогичной структуры опытов. Анализ обработанных поверхностей методами электронной микроскопии не проводили. В свою очередь для контроля за отсутствием дефектов на шлифованной поверхности напылённых слоев образцы пропитывали 5% раствором марганцовокислого калия, а затем промывали в спирте. При этом, если в керамике имели место единичные трещины или их сеть, они проявлялись за счёт окрашивания. Кроме того, в процессе технологического эксперимента по шлифованию детонационных и плазменных покрытий для кругов каждой характеристики были определены значения удельного расхода алмазов как отношение весового износа инструмента к объему снятого материала. Получение такой информации необходимо для технико-экономических обоснований при внедрении технологии окончательной механической обработки покрытий в промышленность.
2.2 Анализ физических процессов, характеризующих формообразование поверхностей
Особенности формообразования для различных типов керамических материалов изучали на этапе проведения сравнительного эксперимента совместным анализом выходных параметров процесса шлифования и электронных фотографий обработанных поверхностей.
Сопоставление численных значений составляющих сил резания, возникающих при шлифовании объектов исследования, позволяет выделить несколько существенных отличительных признаков. Величины сил для ЦМ332, детонационного и плазменных покрытий значительно отличаются друг от друга (рис 2.4 и 2.5). Наибольших численных значений составляющие и достигают при шлифовании технической минералокерамики, а наименьших для плазменно-напылённой окиси алюминия. Величина соотношения / для различных типов керамики также изменяется. Причем для ЦМ332 в среднем колеблется в интервале 2,0.2,6, для детонационного покрытия - 3,2.3,8, для плазменного - 4,9.5,2. Анализ данных динамических параметров с учётом физико-механических свойств и строения объектов исследования (см. таблицу 2.1) показывает, что со снижением прочности на растяжение и повышением пористости обрабатываемого материала численные значения составляющих силы шлифования уменьшаются, а величина соотношения / возрастает. Это подтверждает ранее выдвинутые предположения о наличии существенных особенностей в характерах обрабатываемости данных керамических материалов. С увеличением глубины шлифования t составляющие силы резания также возрастают. Таким образом, характер напряженного состояния, возникающего в обрабатываемом материале при взаимодействии с инструментом, определяется пористостью керамики, ее когезионной прочностью, характеристикой круга и режимными параметрами процесса. На основании этого можно предположить, что механизмы съёма, имеющие место при шлифовании минералокерамики, детонационного и плазменного покрытий, должны иметь существенные различия.
Подобные документы
Исторические сведения о возникновении керамических материалов, область их применения. Основные физико-химические свойства керамики, применяемые сырьевые материалы. Общая схема технологических этапов производства керамических материалов, ее характеристика.
курсовая работа [74,2 K], добавлен 02.03.2011Виды абразивной обработки: шлифование круглое, плоское и бесцентровое, притирка, хонингование. Наростообразование при резании металлов. Классификация металлорежущих станков. Горизонтально-расточные, координатно-расточные, алмазно-расточные станки.
контрольная работа [12,6 K], добавлен 01.04.2012Ультразвуковая обработка поверхностей как одно из направлений существенного повышения производительности и качества механической обработки материалов. Изучение практического опыта применения ультразвука в процессах абразивной обработки и их шлифования.
контрольная работа [25,6 K], добавлен 30.01.2011Типы производства, формы организации и виды технологических процессов. Точность механической обработки. Основы базирования и базы заготовки. Качество поверхности деталей машин и заготовок. Этапы проектирования технологических процессов обработки.
курс лекций [1,3 M], добавлен 29.11.2010Анализ существующих технологических решений по повышению изготовления стойки. Разработка технологического процесса механической обработки детали. Анализ существующих систем автоматического контроля. Анализ технологичности конструкции и ее назначение.
дипломная работа [844,7 K], добавлен 08.09.2014Технология различных видов корундовой керамики. Влияние внешнего давления и добавок на температуру спекания керамики. Физико-механические и физические свойства керамики на основе диоксида циркония. Состав полимерной глины Premo Sculpey, ее запекание.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 27.05.2015Физико-механические основы обработки давлением. Факторы, влияющие на пластичность металла. Влияние обработки давлением на его структуру и свойства. Изготовление машиностроительных профилей: прокатка, волочение, прессование, штамповка, ковка, гибка.
контрольная работа [38,0 K], добавлен 03.07.2015Один из возможных технологических процессов обработки детали типа червяк. Анализ технологичности детали. Тип производства, свойства и особенности обрабатываемого материала, точность размеров, чистота поверхности, действующие стандарты и нормативы.
дипломная работа [1,0 M], добавлен 09.03.2009Технология изготовления деталей и узлов подсвечника, выбор материалов. Обоснование технологии изготовления деталей, выбор технологических переходов и операций. Последовательность изготовления художественного изделия методом обработки деталей давлением.
курсовая работа [419,5 K], добавлен 04.01.2016Разработка технологических процессов изготовления деталей с помощью систем автоматизированного проектирования технологических процессов. Описание конструкции, назначения и условий работы детали в узле. Материал детали и его химико-механические свойства.
курсовая работа [978,3 K], добавлен 20.09.2014
