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.
Параметры шероховатости обработанных поверхностей различных керамических материалов также значительно отличаются друг от друга как по величине, так и по характеру влияния на них условий обработки. Наименьшая шероховатость наблюдается на поверхности минералокерамики, наибольшая - у плазменных покрытий (рис.2.6). В случае обработки ЦМ332 среднеарифметическое отклонение профиля при увеличении глубины t возрастает более интенсивно, чем для детонационно-напылённой окиси алюминия. В свою очередь у плазменных покрытий параметр при варьировании t от условий чистового до чернового шлифования изменяется менее значительно. То есть, увеличение глубины шлифования не приводит к ощутимому увеличению или уменьшению высоты микронеровностей, несмотря на повышение напряженного состояния в плазмонно-напылённом слое при обработке.
Изменение наибольшей высоты неровностей профиля Rmax (таблица 2.2) для всех исследуемых объектов в зависимости от технологических условий подчиняется закономерностям аналогично параметру .
Построение опорных кривых профиля обработанных поверхностей керамических материалов проводили по десяти значениям tp на равноразнесенных уровнях в пределах Rmax При этом масштаб сетки по координате уровней р задавали пропорционально величине Rmax для каждого конкретного материала, а по координате соответственно величине S. Тем самым были получены формы и размеры микронеровностей усредненного вида для различных типов обработанной керамики (рис.2.7). Анализ данных опорных кривых с учётом технологических условий шлифования показал, что форма и размеры микронеровностей различных типов керамики значительно отличаются друг от друга и изменяются для каждого из них аналогично параметрам и S.
Изменение нормальной и тангенциальной составляющих силы шлифования при обработке керамических материалов в зависимости от глубины резания (АС4 160/125 Б1 100)
Рис.2.4, 2.5.1 - минералокерамика ЦМ332;
2 - детонационное покрытие;
3 - плазменное покрытие
Изменение среднего арифметического отклонения профиля при обработке керамических материалов в зависимости от глубины t
Рис.2.6 I - минералокерамика ЦМ332;
2 - детонационное покрытие;
3 - плазменное покрытие
Таблица 2.2. Параметры шероховатости и волнистости поверхностей при шлифовании керамических материалов кругом АС4 160/125 Б1 100: V = 35 м/с, Vs =5 м/мин, S1x = 3 мм/ход, с COЖ
|
Минералокерамика ЦМ 332 |
Детонационное покрытие |
Плазменное покрытие |
||||||||
|
Глубина шлифования t, мм |
||||||||||
|
0,01 |
0,05 |
0,10 |
0,01 |
0,05 |
0,10 |
0,01 |
0,05 |
0,10 |
||
|
Rmax, мкм |
1,50 |
1,63 |
1,80 |
3,70 |
4,01 |
4,42 |
9, 20 |
0,1 |
10,9 |
|
|
Wz, мкм |
3,72 |
3,05 |
2,81 |
5,17 |
5,07 |
4,25 |
7,06 |
6, 83 |
6,24 |
|
|
Sw, мм |
1,35 |
1,38 |
1,31 |
1,42 |
1,34 |
1,50 |
1,45 |
1,34 |
1,30 |
|
|
h3, мм |
0,027 |
0,145 |
0,293 |
0,029 |
0,146 |
0,295 |
0,29 |
0,158 |
0,300 |
Таким образом, можно предположить, что формообразование микрорельефа покрытий, напылённых детонационным и плазменным методами, при обработке характеризуется структурой керамики: величиной пор, плотностью и равномерностью их распределения в объеме, а также механизмом съема материала, который, в свою очередь, зависит от физико-механических свойств объектов исследования и технологических условий шлифования.
Анализ топографии шлифованных поверхностей ЦМ332, детонационного и плазменного покрытий методами электронной микроскопии выявил следующие особенности исследуемых объектов.
Формирование микрорельефа технической минералокерамики при алмазном шлифовании (рис.2.8) сопровождается как элементами вырывания целых блоков материала, так и хрупкого разрушения микролита вдоль траекторий движения зерен инструмента. Это подтверждается наличием на обработанной поверхности целого ряда углублений, в которых просматриваются границы раздела спечённых частиц окиси алюминия, и более ровных участков с субмикрорельефом. Увеличение высотных параметров шероховатости и Rmax для ЦМ 332 при возрастании глубины резания t можно объяснить повышением удельного объема процессов вырывания блоков с поверхности керамики. В то же время численный уровень пределов изменения и Rmax соответствует более высокому классу шероховатости по сравнению с напылёнными покрытиями, так как исходная структура минералокерамики сформирована более мелкими частицами окиси алюминия, содержит меньшее количество пор относительно небольшого размера. Возникновение усилий шлифования при обработке минералокерамики, больших по численному значению, чем для напыленных материалов, обусловлено высокой прочностью взаимного сцепления частиц в ЦМ332 и её плотностью.
Опорные кривые профиля обработанных поверхностей керамических материалов (АС4 160/125 Б1 100, V = 35 м/с, = 5 м/мин, S1x = 3 мм/ход, t = 0,05мм)
а)
б)
в)
Рис.2.7 а - минералокерамика ЦМ332;
б - детонационное покрытие;
в - плазменное покрытие
В данном случае каждое единичное зерно алмазного круга совершает большую работу в процессе съёма обрабатываемого материала, что, как следствие, приводит к возрастанию результирующей силы шлифования. На рис.2.9 приведена модель формообразования микрорельефа минералокерамики в процессе съёма. Для этого обрабатываемый материал представили в виде плоской пластины, выделили на нём границы раздела спечённых частиц окиси алюминия и выполнили форму рельефа обработанной поверхности по аналогии с топографией объекта на электронной фотографии. Данная модель характеризует особенности механизма формообразования микрорельефа микролита ЦМ332 при его шлифовании.
Топография микрорельефа обработанного детонационного покрытия (рис.2.10) в отличие от минералокерамики имеет вид слияния множества поверхностей хрупкого разрушения керамического материала. При этом целый ряд микронеровностей содержит на вершинах плоские участки с субмикрорельефом. Это явление предположительно можно объяснить тем, что съём материала при алмазно-абразивной обработке напылённых слоёв осуществляется в процессе развития поверхностей хрупкого разрушения из пор покрытий, но в тоже время часть зёрен шлифовального круга взаимодействует с керамикой на глубине, обеспечивающей зарождение микротрещин в микродефектах структуры: мелких включениях, дефектах кристаллической решётки окиси алюминия. В последнем случае образуются поверхности, приближающиеся к плоской форме, так как формируются в непосредственной близи с траекториями движения алмазных зёрен инструмента. Плоские участки с субмикрорельефом на поверхности детонационно-напылённой окиси алюминия преобладающего характера не имеют, но всё же оказывают влияние на высотные параметры шероховатости. При увеличении глубины шлифования t удельная площадь таких участков на обрабатываемом материале уменьшается за счёт сокращения числа зёрен инструмента, работающих с меньшей глубиной микрорезания. Это, как следствие, приводит к росту высотных параметров микрорельефа поверхности покрытия.
Поверхность минералокерамики ЦМ332, обработанная кругом АС4 160/125 Б1 100: V = 35 м/с, Vs =5 м/мин, S1x=3 мм /х, t = 0,05 мм (электронный микроскоп УЭМВ-100К, Графитовая реплика, х2500).
Рис.2.8. Механизм образования микрорельефа поверхности ЦМ332 при алмазном шлифовании
а) б)
Рис.2.9
а - исходное состояние поверхности;
б - поверхность после взаимодействия с единичным зерном инструмента
Обработанные поверхности детонационных керамических покрытий после шлифования кругом АС4 160/125 Б1 100: V = 35 м/с,Vs = 5 м/мин, S1x = 3 мм/ход (электронный растровый микроскоп ВS 300,Ч750)
а) б)
Рис.2.10. а) t = 0,01 м; б) t = 0,10 мм
Отличие высоты микронеровностей минералокерамики и детонационно-напылённой окиси алюминия объясняется особенностями строения обрабатываемых материалов и отличиями механизмов их съёма. Можно предположить, что при шлифовании детонационного покрытия съём материала происходит следующим образом. При внедрении единичного зерна круга в обрабатываемый материал в области их контактирования возникает напряжённое состояние, приводящее к развитию микротрещин из находящихся в непосредственной близости дефектов строения детонационного покрытия: пор и различных включений.
Данная гипотеза базируется на теории А. Гриффитса [116], в соответствии с которой при возникновении критического напряжения в нагружаемом непластичном материале его разрушение происходит за счёт лавинообразного развития трещины из исходного дефекта. Причём такой дефект всегда присутствует, так как абсолютно однородных тел в реальной природе не существует.
Дальнейшее продвижение зерна шлифовального круга после его внедрения в напылённый слой сопровождается опережающим перемещением поля напряжений в том же направлении, вовлекающим новые дефекты строения покрытия в процесс трещинообразования. На рис.2.11 изображена предполагаемая физическая модель механизма съема обрабатываемого материала при шлифовании детонационно-напылённой керамики. Для построения данного механизма формообразования поверхности покрытие представили в виде плоской пластины с порами. В первоначальный момент взаимодействия элементарного зерна 1 абразивного инструмента (рис.2.11а) с напылённым керамическим материалом 2 из исходного дефекта - поры 3, начинает развиваться микротрещина 4. При дальнейшем перемещении зерна во внедренном состоянии (рис.2.11б) трещина продолжает расти в направлении другого дефекта строения покрытия. Траектория развития трещины в данном случае будет зависеть от характера распределения максимальных напряжений, возникающих в обрабатываемом материале при шлифовании.
Механизм формирования микрорельефа поверхности детонационного покрытия на основе при шлифовании.
|
а) |
б) |
|
|
в) |
г) |
|
|
Рис.2.11 а) зарождение микротрещины; б) развитие микротрещины; в) съем материала в процессе трещинообразования; г) формирование участка плоской формы с субмикрорельефом |
Каждая пора напыленного керамического материала является концентратором напряжений, поэтому линия роста микротрещины с большей вероятностью будет проходить от поры к поре, а не в пространстве между ними. В то же время, часть микронеровностей детонационного покрытия содержит плоские участки с субмикрорельефом. Можно предположить следующий вариант возникновения условий работы зерна на глубине, обеспечивающей формирование поверхности керамики в непосредственной близи с траекторией его движения. Так, в пределах дуги контакта зерна инструмента и напылённого материала единичный выступ шероховатости может формироваться в два этапа. Проиллюстрируем этот случай. Первоначально формообразование выступа 5 (рис.2.11в) происходит в результате отделения частицы 6 обрабатываемого материала в процессе роста микротрещины ещё до прохождения зерна через данную область его траектории. Далее вершина микронеровности как бы срезается при развитии поверхностей съема из микродефектов керамики с образованием выступа новой формы 7 (рис.2.11 г). Таким образом, параметры шероховатости напылённых керамических покрытий находятся в функциональной зависимости от удельного содержания процессов образования поверхностей хрупкого разрушения из макродефектов и микродефектов структуры обрабатываемого материала.
На электронной фотографии поверхности детонационного покрытия, прошлифованного с глубиной t = 0,01 мм (см. рис.2.10а), плоских участков с субмикрорельефом наблюдается больше, чем при прочих равных условиях, но с t = 0,10 мм (рис.2.10б), В зависимости от тех или иных технологических условий обработки и физико-механических свойств керамического материала глубина проникновения микротрещин при образовании шероховатости напылённой поверхности изменяется, В каждом конкретном случае характер процессов трещинообразования зависит от прочности взаимного сцепления частиц окиси алюминия в напылённом покрытии, размеров пор, расстояний между ними, характеристики шлифовального круга, режимов резания.
Топография обработанной поверхности плазменного покрытия (рис.2.12) значительно отличается от детонационно-напылённой керамики. Микрорельеф в данном случае имеет нерегулярный характер. Практически полностью отсутствуют плоские участки с субмикрорельефом, причем при изменении глубины шлифования t от условий чистовой до черновой обработки не приводит к видимому изменению поверхности керамики. Наиболее ровные участки микропрофиля, которые можно выделить при анализе электронных профилограмм (рис.2.136), являются результатом нарушения когезионных связей покрытия без разрушения основы исходных частиц , то есть расслоения. Образованные таким образом поверхности сориентированы относительно плоскости шлифования под различными углами, что объясняется случайным характером формирования спаев между частицами порошка при напылении. Кроме участков расслоения покрытие содержит поверхности со следами хрупкого разрушения. Такие области обработанной керамики являются результатом развития микротрещин в покрытии при его взаимодействии с инструментом. Механизм трещинообразования рассмотрен при анализе топографии детонационных покрытий.
Большое значение в формировании микрорельефа плазменно-напылённой керамики имеют её поры. Попадая на уровень обработки в различных фазах своего относительного расположения, они образуют на поверхности покрытия впадины разной глубины. Анализ микрошлифов детонационных и плазменных покрытий показывает, что у последних поры распределены более неравномерно и имеют повышенный разброс размеров. Это обстоятельство определяет большую нерегулярность микрорельефа плазменных покрытий по сравнению с детонационными. Таким образом, при шлифовании плазменно-напылённой окиси алюминия алмазными кругами на органической связке шероховатость обработанной поверхности образуется из следов расслоения, хрупкого разрушения и пор покрытия.
Обработанные поверхности плазменных керамических покрытий после шлифования кругом АС4 160/125 Б1 100: V = 35 м/с, Vs = 5 м/мин, S1x = 3 мм/ход (электронный растровый микроскоп BS 300, Ч750)
а) б)
Рис.2.12. а) t = 0,01 мм; б) t = 0,10 мм
Поверхность плазменного покрытия на основе , обработанная шлифовальным кругом АС4 160/ 125 Б1 100: V= 35 м/с, VS = 5м/мин, 3 мм/ход, t = 0,05 мм (электронный растровый микроскоп BS 300, Ч750)
а) б)
Рис.2.13. а) общий вид обработанной поверхности;
б) электронная профилограмма обработанной поверхности
Обобщая результаты анализа обработанных поверхностей объектов исследования, можно выделить три основных процесса, сопровождающих формообразование микрорельефа керамики при шлифовании. К ним относятся: отслоение исходных частиц окиси алюминия и хрупкое разрушение при развитии микротрещин из дефектов структуры покрытия. В свою очередь хрупкое разрушение может происходить при образовании поверхностей съема как из макродефектов - пор, так и из микродефектов структуры напылённого слоя. В первом случае микрорельеф обработанной поверхности находится в зависимости от характера распределения пор в покрытии, а во втором от геометрии рабочих зёрен инструмента и кинематики процесса шлифования. В каждом конкретном случае шероховатость напылённого покрытия может быть оборудована одним или несколькими типами поверхностей съема: поверхностями хрупкого разрушения с развитым микрорельефом, плоскими участками на вершинах микронеровностей с субмикрорельефом, поверхностями - следами расслоения исходных частиц окиси алюминия, а также элементами структуры материала - порами.
Характеры съема при шлифовании различных керамических материалов также имеют отличительные особенности. Так, при обработке минералокерамики, детонационных и плазменных покрытий разница между суммарной вертикальной подачей за три рабочих прохода, заданной по лимбу станка, и фактическим съемом изменяется (см. таблицу 2.2). Величина для минералокерамики имеет наибольшее значение, а для плазменно-напылённой окиси алюминия наименьшее. Объяснить это можно тем, что при шлифовании плазменных покрытий поверхность съема в процессе трещинообразования в напылённом слое формируется ниже траекторий движения зёрен инструмента. То есть, имеет место приращение съема за счет хрупкого разрушения керамического материала. Величина в этом случае существенно компенсирует упругие отжатия в технологической системе и значение приближается к значению .
Анализ волнистости обработанных поверхностей исследуемых керамических материалов показал; наибольшая высота волн наблюдается у плазменных покрытий, а наименьшая у минералокерамики (таблица 2.2). При увеличении глубины резания t параметр уменьшается, a остаётся неизменным.
2.3 Влияние технологических факторов на процесс обработки напылённой керамики
При проведении технологического эксперимента по шлифованию детонационных и плазменных покрытий на основе были получены данные о влиянии характеристики инструмента, режимных параметров и процесса выхаживания на составляющие силы резания, съём, шероховатость и волнистость обработанной поверхности, а также определен удельный расход алмазов для кругов различной зернистости.
Опыты показали, что при увеличении глубины шлифования и снижении зернистости инструмента нормальная составляющая силы резания возрастает (рио.2.14). По аналогии с результатами сравнительного эксперимента при увеличении t нормальная составляющая для покрытий, полученных детонационным методом, возрастает более интенсивно, чем для плазменно-напылённых. Этим можно объяснить явление образования на обрабатываемой поверхности детонационных покрытий трещин при их шлифовании с глубиной резания более 0,10 мм, когда значения напряжений в напылённом слое достигают критической величины, У плазменных покрытий процесс дефектообразования не возникает даже при t = 0, 20мм. Это объясняется наличием в механизме съёма при шлифовании плазменно-напылённых слоев элементов расслоения исходных частиц окиси алюминия. Процесс расслоения происходит при меньших затратах усилий и образование напряжений, приводящих к образованию макро-трещин в покрытии, не наблюдается даже при больших глубинах резания.
Шероховатость поверхности объектов исследования при варьировании технологических условий изменяется следующим образом. С увеличением зернистости алмазных кругов среднее арифметическое отклонение профиля обработанной поверхности возрастает (таблица 2.3) для обоих типов керамических покрытий. Увеличение глубины резания t также приводит к возрастанию параметра , причем в случае шлифования детонационно-напылённой керамики это влияние более ощутимо. Величины поперечной подачи S1x и скорости продольной подачи Vs не оказывают значительного влияния на шероховатость обработанной поверхности. Хотя при их увеличении наблюдается тенденция к небольшому росту параметра .
Следует отметить, что снижение зернистости инструмента приводит одновременно к уменьшению шероховатости обработанной поверхности и увеличению нормальной составляющей силы резания . Поэтому использование кругов меньшей зернистости в условиях чернового шлифования нежелательно ввиду возможности возникновения в покрытии макротрещин и отслоений. Обработку целесообразно вести в два этапа. При этом на первом инструментом большей зернистости и назначением глубины резания, необходимой для исправления исходных отклонений формы заготовки и достижения заданного размера. На втором этапе соответственно с использованием алмазного круга меньшей зернистости и глубиной t не более 0,01.0,02 мм для достижения возможно наименьшей высоты микронеровностей поверхности керамического покрытия.
Выполнение дополнительных выхаживающих проходов приводит к снижению шероховатости обработанной поверхности. Для плазменных покрытий, по сравнению с детонационными, процесс выхаживания менее эффективен (таблица 2.4). Это явление можно объяснить при анализе результатов измерения съёма.
На рис.2.15 приведен график изменения в зависимости от величины нормальной составляющей силы шлифования , возникающей при обработке керамических покрытий. Параметр в данном случае является разницей между суммарной глубиной резания за три рабочих прохода, задаваемой по лимбу вертикальных подач станка, и суммарным съемом . Нулевая линия по координате соответствует условию .
В соответствии с экспериментальными данными увеличение нормальной составляющей силы шлифования приводит к возрастанию параметра как для плазменных, так и для детонационных покрытий. Это объясняется наличием упругих отжатий в технологической системе при шлифовании, которые находятся в прямопропорциональной зависимости от величины Параметр характеризует неполноту съёма материала при обработке и в равных условиях для детонационных покрытий имеет большие значения, чем для плазменных. Именно этим и объясняется более высокая эффективность процесса выхаживания при шлифовании детонационно-напылённой керамики.
Данные о фактическом съёме в зависимости от конкретных условий шлифования целесообразно использовать при проектировании технологии размерной обработки деталей с керамическими покрытиями.
Таблица 2.3. Значения среднего арифметического отклонения профиля поверхностей покрытий при шлифовании алмазными кругами на органической связке без совершения выхаживающих проходов
|
Зернистость инструмента, мкм |
|||||||||||||
|
40/28 |
80/63 |
125/100 |
|||||||||||
|
Vs, м/мин |
Vs, м/мин |
Vs, м/мин |
|||||||||||
|
5 |
10 |
5 |
10 |
5 |
10 |
||||||||
|
S1x, мм/ход |
S1x, мм/ход |
S1x, мм/ход |
S1x, мм/ход |
S1x, мм/ход |
S1x, мм/ход |
||||||||
|
t, мм |
3 |
5 |
3 |
5 |
3 |
5 |
3 |
5 |
3 |
5 |
3 |
5 |
|
|
Детонационные покрытия |
|||||||||||||
|
0,10 |
0,32 |
0,35 |
0,36 |
0,33 |
0,64 |
0,53 |
0,55 |
0,61 |
0,77 |
0,77 |
0,73 |
0,74 |
|
|
0,06 |
0,26 |
0,30 |
0,23 |
0,32 |
0,49 |
0,46 |
0,43 |
0,40 |
0,67 |
0,63 |
0,65 |
0,70 |
|
|
0,02 |
0,13 |
0,14 |
0,16 |
0,17 |
0,34 |
0,41 |
0,31 |
0,39 |
0,53 |
0,55 |
0,55 |
0,53 |
|
|
Плазменные покрытия |
|||||||||||||
|
0, 20 |
1,35 |
1,29 |
1,31 |
1,44 |
1,61 |
1,52 |
1,54 |
1,63 |
1,90 |
1,87 |
1,75 |
1,95 |
|
|
0,10 |
1,34 |
1,30 |
1,27 |
1,53 |
1,47 |
1,50 |
1,56 |
1,59 |
1,83 |
1,74 |
1,71 |
1,67 |
|
|
0,02 |
1,16 |
1, 20 |
1,25 |
1,28 |
1,34 |
1,41 |
1,39 |
1,44 |
1,58 |
1,62 |
1,67 |
1,60 |
Таблица 2.4. Значения среднего арифметического отклонения профиля поверхностей керамики при шлифовании алмазными кругами на органической связке с совершением четырех выхаживающих проходов
|
Зернистость инструмента, мкм |
|||||||||||||
|
40/28 |
80/63 |
125/100 |
|||||||||||
|
Vs, м/мин |
Vs, м/мин |
Vs, м/мин |
|||||||||||
|
5 |
10 |
5 |
10 |
5 |
10 |
||||||||
|
S1x, мм/ход |
S1x, мм/ход |
S1x, мм/ход |
S1x, мм/ход |
S1x, мм/ход |
S1x, мм/ход |
||||||||
|
t, мм |
3 |
5 |
3 |
5 |
3 |
5 |
3 |
5 |
3 |
5 |
3 |
5 |
|
|
Детонационные покрытия |
|||||||||||||
|
0,10 |
0,25 |
0,26 |
0,28 |
0,28 |
0,34 |
0,32 |
0,34 |
0,37 |
0,45 |
0,31 |
0,42 |
0,42 |
|
|
0,06 |
0,16 |
0,21 |
0,18 |
0,22 |
0,30 |
0,31 |
0,33 |
0,37 |
0,35 |
0,26 |
0,38 |
0,42 |
|
|
0,02 |
0,07 |
0,09 |
0,05 |
0,10 |
0, 19 |
0, 20 |
0,24 |
0,21 |
0,29 |
0,26 |
0,32 |
0,34 |
|
|
Плазменные покрытия |
|||||||||||||
|
0, 20 |
1,30 |
1,28 |
1,30 |
1,40 |
1,40 |
1,42 |
1,51 |
1,60 |
1,82 |
1,80 |
1,80 |
1,88 |
|
|
0,10 |
0,96 |
0,87 |
0,91 |
1,01 |
1, 20 |
1,26 |
1,23 |
1,39 |
1,61 |
1,70 |
1,67 |
1,75 |
|
|
0,02 |
0,83 |
0,78 |
0,85 |
0,89 |
1,08 |
1,11 |
1,14 |
1,16 |
1,50 |
1,54 |
1,58 |
1,59 |
Изменение нормальной составляющей силы резания в зависимости от глубины шлифования и зернистости инструмента (АС4. Б1 100, V= 35 м/с, Vs=5 м/мин, S1x =5 мм/ход).
Рис.2.14. Детонационные покрытия: 1 - 40/28, 2 - 80/63, 3 - 125/100; плазменные покрытия: 4 - 40/28, 80/63 - 5, 6 - 125/100
Изменение параметра в зависимости от величины нормальной составляющей силы шлифования
Рис.2.15
1 - детонационные покрытия;
2 - плазменные покрытия
Анализ волнистости шлифованных поверхностей напылённых покрытий выявил следующие закономерности процесса. С увеличением глубины резания t и уменьшением зернистости алмазного круга средняя высота волн Wz уменьшается (рис.2.16). На основании ранее полученных экспериментальных данных (см. рис.2.14) это связано с возрастанием нормальной составляющей силы шлифования Py. Величина среднего шага волнистости Sw зависит от скорости подачи изделия Vs. Причём с увеличением Vs параметр Sw возрастает. Так при Vs = 5 м/мин средний шаг волнистость составил Sw = 1,3.1,5 мм, а при Vs = 10 м/мин - соответствовал Sw = 2,7.3,1 мм.
Исследование износостойкости алмазного инструмента различной зернистости при шлифовании напылённых покрытий на основе окиси алюминия показали (рис.2.17): удельный расход алмазов при прочих равных условиях для керамики, полученной детонационным методом, выше, чем для плазменной. Уменьшение зернистости инструмента сопровождается увеличением показателя . Таким образом, с целью экономии алмазного инструмента целесообразно использовать для обработки напыленной окиси алюминия круги большей зернистости, обеспечивающие требуемую шероховатость поверхности.
Изменение средней высоты волнистости обработанных поверхностей покрытий в зависимости от глубины шлифования и зернистости круга (АС4. Б1 100, Vs, = 5 м/мин, S1x =5 мм/ход).
Рис.2.16 Детонационные покрытия: 1 - 40/28, 2-80/63, 3 - 125/100; плазменные покрытия: 4 - 40/28, 5 - 80/63, 6 - 125/100
Изменение удельного расхода алмазов при шлифовании покрытий.
плазменные покрытия детонационные покрытия
Рис.2.17 Условия обработки: инструмент - АС4. Б1 100,V = 35 м/с, Vs= 5м/мин,S1x=5 мм/ход, t = 0,10мм
С целью определения степени влияния технологических факторов: зернистости инструмента , глубины шлифования t, скорости подачи изделия Vs, поперечной подачи S1x на силы резания и шероховатость обработанных поверхностей детонационных и плазменных покрытий была проведена обработка результатов измерения среднего арифметического отклонения профиля Rа и нормальной составляющей силы резания Ру в соответствии с РДМУ 109-77 [60] Для этого из данных технологического эксперимента выделили значения и соответствующие матрице полного факторного эксперимента с числом опытов . В качестве варьируемых параметров приняли , t, Vs и S1x. За максимальный и минимальный уровни данных технологических факторов были приняты соответственно их максимальные и минимальные значения, устанавливаемые в эксперименте для каждого из типов покрытий. Для математического описания влияния режимов шлифования и характеристики инструмента на шероховатость обработанных поверхностей керамических покрытий на основе окиси алюминия использовали традиционную в технологии машиностроения степенную зависимость вида.
, (2.1)
где - среднее значение контролируемого параметра;
, , - значение варьируемых параметров;
, , , , - эмпирические коэффициенты.
Для получения уравнения регрессии зависимость (2.1) логарифмировали. При этом она приобретала вид
, (2.2)
Среднее значение контролируемых параметров и в каждой из N точек плана определяли в логарифмическом масштабе по данным шести измерений (повторяемость m = 6). Для оценки отклонений контролируемого параметра от среднего значения по данным m наблюдений вычисляли дисперсию воспроизводимости . При проверке гипотезы однородности дисперсий использовали - критерий Кохрена, равный отношению максимальной дисперсии к сумме дисперсии . Задаваемый уровень значимости , число степеней свободы и . Вследствие однородности дисперсии усредняли. Коэффициенты регрессии определяли умножением данных на данные в кодовых обозначениях с последующим делением полученного произведения на общее число точек в плане матрицы . Затем по усредненной дисперсии, общему числу точек в плане и числу параллельных наблюдений m вычисляли среднеквадратические отклонения дисперсии ошибки и полученных коэффициентов регресcии . Гипотезу о значимости коэффициентов регрессии проверяли по критерию Стьюдента. Задаваемый уровень значимости принимали равным , число степеней свободы - -. Адекватность полученной модели оценивали по F - критерию Фишера на основе вычисленной дисперсии адекватности при принятом уровне значимости и числе степеней свободы ( - число значимых коэффициентов) и . Для получения конечных зависимостей проводили замену переменных в уравнении регрессии и приводили к степенному виду.
Обработку результатов полного факторного эксперимента по вышеприведённой методике проводили на ЭВМ "Электроника ДЗ-28" с использованием специально разработанной для этого программы (приложение 2). В приложении 3 приведён пример расчета коэффициентов размерной модели для .
Для плазменных покрытий получена следующая эмпирическая зависимость
(2.3)
соответственно для детонационно-напылённой керамики
(2.4)
Анализ данных расчетных формул однозначно показывает, что на шероховатость обработанных поверхностей керамических покрытий оказывает влияние зернистость круга и глубина шлифования t, влияние же скорости подачи Vs и поперечной подачи S1x незначимо. Существенным недостатком зависимостей (3.3) и (3.4) является невозможность их использования для покрытий со структурными параметрами, отличающимися от соответствующих напылённым слоям на экспериментальных образцах. Таким образом, необходимо разработать алгоритм расчета параметров шероховатости, который бы учитывал структуру обрабатываемого покрытия.
При обработке результатов измерения нормальной составляющей силы резания получены следующие расчетные зависимости: для плазменных покрытий
(2.5)
соответственно для детонационных
(2.6)
Как было ранее отмечено, формирование поверхностей при обработке напылённой окиси алюминия происходит в процессе развития микротрещин из пор и микродефектов покрытия. При этом траектории трещин могут проходить как ниже линий движения алмазных зерен инструмента, так и в непосредственной близи с ними. Для разработки математической модели по расчёту геометрии обработанных поверхностей керамических покрытий на базе механизма трещинообразования необходима дополнительная проверка данной гипотезы, которая имеет следующие основные положения:
съем при шлифовании покрытий осуществляется в процессе раз вития микротрещин из дефектов его структуры;
в случае если в процессе трещинообразования участвуют макродефекты - поры напылённого слоя, образуется развитый микрорельеф;
в случае если трещины зарождаются в микродефектах: мелких включениях и дефектах кристаллической решетки окиси алюминия, поверхность формируется в непосредственной близи от траекторий движения алмазных зёрен инструмента с образованием площадок на вершинах микронеровностей.
Данные площадки содержат на своей поверхности субмикрорельеф. В дальнейшем явления их образования будем именовать процессами "микрорезания-скалывания".
2.5 Выводы
1. Разработанная методика и конструкция экспериментальной установки для исследования особенностей формообразования поверхностей керамических покрытий позволяет изучать обработанные напыленные слои окиси алюминия с учётом их физико-механических свойств, характеристики инструмента, режимных параметров процесса при соответствующем анализе составляющих силы резания и удельной производительности алмазных кругов.
2. Физико-механические процессы, происходящие при обработке технической минералокерамики, детонационных и плазменных покрытий имеют существенные отличия. При шлифовании минерало-керамики алмазными кругами на органической связке наряду с элементами "микрорезания-скалывания" имеет место вырывания отдельных блоков материала.
Микропрофиль обработанных поверхностей детонационно-напы-лённой окиси алюминия образуется как результат слияния поверхностей хрупкого разрушения. При этом на отдельных участках наблюдается следы "микрорезания-скалывания". С увеличением глубины шлифования возрастают интенсивность хрупкого разрушения и соответственно шероховатость. Обработка плазменных покрытий сопровождается как хрупким разрушением, так и расслоением исходных частиц напылённого материала. Глубина шлифования в данном случае не оказывает существенного влияния на шероховатость.
З. Со снижением когезионной прочности и повышением пористости обрабатываемого керамического материала составляющих силы шлифования уменьшаются, а отношение нормальной к тангенциальной составляющих увеличивается. Наибольшую величину результирующая сила резания имеет при обработке минералокерамики, а наименьшую - при шлифовании плазменных покрытий.
4. По сравнению с минералокерамикой напылённые покрытия на основе окиси алюминия имеют более широкие области режимов бездефектного шлифования. Керамику, полученную плазменным методом, допустимо шлифовать с глубиной, превышающей в два раза рекомендуемые значения для минералокерамики. Наименьшая высота микро-неровностей и волн обработанных поверхностей наблюдается у минералокерамики, а наибольшая у плазменно-напыленной окиси алюминия. При уменьшении зернистости алмазного инструмента и глубины шлифования шероховатость поверхностей керамических покрытий снижается. С уменьшением зернистости круга увеличиваются силы шлифования. При выборе характеристики алмазного инструмента следует использовать круги большей зернистости, обеспечивающие требуемую шероховатость обработанной поверхности.
5. Величина съема материала при шлифовании напылённой керамики меньше значения вертикальной подачи инструмента. Данное различие для плазменно-напыленной окиси алюминия меньше, чем для детонационных покрытий. Этим объясняется меньшая эффективность процесса выхаживания для плазменных покрытий, чем для детонационных.
6. Микронеровности поверхностей напыленной керамики при алмазно-абразивной обработке формируются в основном за счёт развития микротрещин из пор покрытий. Расчёт полей напряжений, возникающих в пористом теле при его нагружении, показал, что микротрещина с большей вероятностью развивается по траектории, проходящей через поры напыленного материала, в том числе ниже линий движения рабочих зёрен инструмента.
Глава 3. Имитационное моделирование процесса трещинообразования в пористом керамическом материале при алмазно-абразивной обработке
Известно, что удаление вещества в зоне контакта при шлифовании пористых керамических материалов осуществляется как в результате воздействия микрорезания, так и посредством хрупкого объемного разрушения [1]. Микрорельеф деталей из пористой керамики в существенной степени формируется вследствие развития микротрещин, развивающихся из микро - и макродефектов структуры [2,3]. При этом съем материала заготовки осуществляется не только в зонах траекторий движения зерен, но и вне их (глубже в теле детали) из-за трещинообразования и выкрашивания материала заготовки. С другой стороны, может оказаться, что траектории некоторых зерен режущего инструмента полностью или частично пролегают в зоне опережающего трещинообразования и эти зерна не участвуют в процессе микрорезания [4].
Определение зависимости мгновенных (точечных) параметров съема [5] от технологических условий непосредственно по экспериментальным данным сопряжено с существенными трудностями. В то же время относительно просто экспериментально определяются такие параметры, непосредственно связанные с тем же процессом хрупкого разрушения, как шероховатость заготовки и интегральные показатели съема.
Целью данной работы является задача построения зависимостей съема от технологических факторов обработки, необходимых для проектирования технологических процессов финишной обработки хрупких пористых материалов.
Определение параметров трещинообразования при хрупком разрушении материала заготовки в процессе шлифовании может рассматриваться как задача идентификации этого процесса, что, в соответствие с указанным ранее, требует применения теоретико-вероятностных методов.
Вследствие того, что структура происходящих процессов (лавинообразное развитие трещин) известна, задача идентификации может быть сведена к параметрической [6].
Рисунок 1 - Схема идентификации параметров съема в процессе шлифования хрупких материалов.
В схеме идентификации выходные параметры процесса трещинообразования рассматривается как ненаблюдаемые (недоступные непосредственным измерениям). В то же время известна функция преобразования , имеющая вид (6). Процесс на выходе блока доступен непосредственному измерению. Построение аналитической зависимости, непосредственно реализующей преобразование обратное к невозможно. Однако возможна настройка параметров модели трещинообразования по критерию близости результатов моделирования и непосредственного измерения выходных данных блоков и . Возможность измерения съема использовалась для контроля корректности итоговых результатов.
Для получения данных о совокупностях (моделях трасс трещин) использовались методы имитационного моделирования. В основу построения моделей положены следующие посылки:
1. Вследствие технологического наследования процесса изготовления керамического материала, в соответствие с данными [1], поры (дефекты структуры) в его объеме распределены случайно и имеют равномерное распределение.
2. Съем, вызванный хрупким объемным разрушением, при шлифовании хрупких материалов осуществляется в процессе развития микротрещин из дефектов структуры.
3. Трещины в материале заготовки зарождаются в точках расположения пор в структуре материала в зонах с наибольшими напряжениями, и, при превышении критического уровня напряжений, вызываемых движением зерен инструмента, лавинообразно распространяются.
4. Траектории распространения трещин определяют перераспределение поля напряжений.
При построении конкретных расчетных моделей принимались следующие дополнительные допущения.
Тело представлялось в виде плоской пластины постоянной толщины, состоящей из 80 конечных элементов (рис.2), с порами, имеющими ромбическую форму. В области узловых точек 1, 7, 13 приложением нагрузок и имитировалось взаимодействие зерна инструмента материалом заготовки. Характер нагружения принимался статическим. Граничные условия удовлетворялись ограничением подвижности системы - лишением ее одной степени свободы в точке 6 по оси OY и двух - в точке 55 по осям OY и OX. Значения модуля упругости Юнга E и коэффициента Пуассона выбирались в соответствии с физико-механическими характеристиками материала керамики.
Набор сил, действующих в узлах единичного элемента , могут быть записан в векторном виде
, (1)
а перемещений узлов представлен как
, (2)
где, как и в (1), знаком T обозначена операция транспонирования соответствующего вектора.
С учетом того, что каждый элемент считается упругим, основным соотношениям (1), (2) соответствует уравнение
, (3)
где - матрица жесткости элемента.
В любой заданной точке напряжения определяются через условные перемещения , (рисунок 3) по соотношению
, (4)
где - матрица напряжений элемента.
Рисунок 2 - Пример системы конечных элементов, моделирующей взаимодействие единичного зерна круга с пористым телом
Рисунок 2 - Схема действия напряжений в конечном элементе
Эквивалентные напряжения рассчитывались по зависимости
, (5)
где , - экстремальные нормальные напряжения;
, - нормальные напряжения конечного элемента, действующие в направлении осей OY и OX;
- касательное напряжение конечного элемента.
Моделировался вариант нагружения при соотношении сил= 3,5. Построенные по соотношениям (1) - (5) поля напряжений позволили определить наиболее вероятную трассу микротрещины по результатам нахождения элементов с максимальными напряженными состояниями . Оказалось, что наиболее вероятная траектория микротрещин проходит через элементы 13, 28, 41, 50, 61, 73, 72. Для исключения влияния граничных условий элементы 6 и 55, прилегающие к узловым точкам, не учитывались.
Трасса образовавшейся трещины может охарактеризовать такой параметр шероховатости, как значение среднего арифметического отклонения профиля, определяемого при помощи известной зависимости по результатам моделирования
(6)
Длина базовой линии при этом определяется координатами начальной и конечной точки траектории развития микротрещины, а средняя линия профиля строится по координатам траектории из условия равенства суммы площадей выступов над этой линией и под ней -
Пример моделирования показывает, что часть траектории трещины проходит ниже уровня трассы движения зерен инструмента в теле заготовки. Необходимо отметить, что для статистически надежной оценки параметра необходимо использование модели с большим, чем приведенное в примере, числом элементов, что требует дополнительного расхода вычислительных ресурсов. Приведенная модель оказывается чувствительной к выбору величины шага дискретизации по координатам. Результаты моделирования также показали чувствительность к настройкам датчика случайных чисел, задающего расположение пор при моделировании. Эти факторы могут быть рандомизированы, а их влияние снижено путем соответствующих статистических методов.
Однако применение статистических методов требует увеличения объема моделирования, больших затрат вычислительных ресурсов, что делает целесообразным "упрощения модели" в терминах [7]. Замена расчетных зависимостей ("моделирование модели"), в первую очередь может быть осуществлено за счет модернизации модели трещинообразования.
Модель трещинообразования может быть представлена совокупностями трасс трещин , каждая из которых следует от точки внедрения зерна шлифовального круга до ближайшей поры и далее до следующей ближайшей поры. При этом считается, что отдельные участки трассы являются отрезками прямой и образуются мгновенно. Образованная совокупность таких последовательных отрезков соответствует реализации случайного процесса трещинообразования. Хотя вероятности каждого из возможных направлений ветвлений определяется распределением всей совокупности пор как концентраторов напряжений в материале заготовки, наиболее существенным является влияние каждой отдельной поры, а одновременным совместным влиянием групп пор можно пренебречь без существенного снижения точности расчетов.
В качестве фактора существенно влияющего на распределение напряжений необходим учет эффекта свободной поверхности заготовки, снижающего вероятность заглубления трассы трещины. Учет может быть произведен введением функций штрафа. Величины коэффициентов штрафа существенно влияют на характеристики модели и требуют идентификации. Настройка модели в соответствие со схемой рис.1 может реализовываться как задача минимизации расхождения между экспериментальными данными натурных измерений параметров шероховатости и их расчетных значений, полученных по результатам имитационного моделирования.
Участок подверженного процессу хрупкого разрушения тела детали задается площадкой с базовой длиной и глубиной анализируемого слоя и характеризуется набором из пор, каждая из которых задается случайно выбранными координатами . При этом глубина анализируемого слоя должна выбираться не меньшей, чем наибольшая высота микронеровностей профиля , а длина - базовой длины профиля, необходимого для расчета параметров шероховатости.
В предположении однородности материала между порами и отсутствии влияния ансамблей из нескольких пор, можно считать, что максимальные напряжения в теле заготовки образуются у ближайшей (по отношению к уже образовавшейся трассе) поре. Возможность прохождения трассы через поры, расположенные левее, чем пора, до которой уже дошла трещина, в соответствие с результатами моделирования методом конечных элементов, не рассматривается, т.е. обеспечивается выполнение условия
. (7)
Для уменьшения вероятности развития модели трассы микротрещины вглубь керамики, в критерий близости расположения пор дополнительно к эвклидовой норме введен аддитивный штраф . Этот вклад определяет величину поверхностного слоя, в котором находятся поры, участвующие в процессе трещинообразования.
Очередная пора выбирается в соответствие с критерием
Q=. (8)
С вычислительной точки зрения, необходимость проверки выполнения условия (6) при массовых расчетах критерия (8) делает целесообразной дополнительную процедуру предварительного упорядочивания пор и их нумерации, которая производится, начиная с верхнего левого угла моделируемого прямоугольника с ранжированием по каждой из координат с введением двойных индексов.
В такой записи выражения (7) и (8) приобретают вид
при
Процесс моделирования прекращается при достижении трассой правого края моделируемого участка - выполнения условия , т. е .
Координата средней линии y0 при этом отсчитывается от условного положения рассматриваемого единичного зерна круга, что позволяет считать ее численное значение равным величине приращения съема в процессе хрупкого разрушения поверхностного слоя: .
Численное значение является необходимым параметром для расчета съема по зависимостям [5], характеризующим вероятность неудаления материала за счет объемного хрупкого разрушения.
Получаемые значения зависят от коэффициента штрафа , который, в свою очередь, определяется конкретными технологическими параметрами обработки: - зернистостью шлифовального круга - Зо, глубиной шлифования - , скоростью подачи изделия - , поперечной подачей - , значения которых выбираются из рекомендуемых интервалов и некоторых параметров, характеризующих осуществление моделирования: - глубиной анализируемого слоя - , - числом М, характеризующим базовую длину профилограммы и конкретной реализацией распределения пор в теле заготовки.
С применением метода Монте-Карло по серии имитаций процесса трещинообразования была выполнена аппроксимация результатов имитационного моделирования по методу наименьших квадратов степенной зависимостью.
, (2)
которые функционально связывают коэффициент с технологическими факторами шлифования через контактные напряжения, возникающие при внедрении зерен инструмента в материал детали.
При обработке результатов измерения для нормальной составляющей силы резания получена следующая расчетная зависимость:
, (3)
Апробация алгоритма дала положительные результаты. Приведен пример расчета параметра для случая обработки пористой керамики. Относительная погрешность расчетных и экспериментальных значений не превышала 15%.
Данная методика может быть использована при проектировании технологических процессов финишной обработки с учетом требуемых параметров шероховатости рабочих поверхностей детали. Достоверность полученных результатов подтверждается практической реализацией рассмотренной методики и проверкой результатов моделирования при обработке деталей с керамическими покрытиями.
Список литературы
1. Абразавная и алмазная обработка материалов. Справочник /Под ред. проф.А.Н. Резникова - М.: Машиностроение, 1977. - 390 с.
2. Бакуль В.Н. и др. Справочник по алмазной обработке металлорежущего инструмента. - Киев: Техника, 1971. - 208 с.
3. Мишнаевский Л.Л. Износ шлифовальных кругов. - Киев: Наук. думка, 1982. - 192 с.
4. Новоселов Ю.К. Динамика формообразования поверхностей при абразивной обработке. - Изд-во Сарат. ун-та, 1979. - 232 с.
5. Братан C. M. Моделирование съема материала при финишной обработке деталей с износостойкими керамическими покрытиями // Резание и инструмент в технологических системах. - Межд. научн. - техн. сборник. - Харьков: ХГПУ, 1998. - Вып. - 52. - С.17-.23.
6 Сильвестров А.Н., Чинаев П.И. Идентификация и оптимизация автоматических систем. М.: Энергоатомиздат, 1987, 200 с.
7. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем - искусство и наука. М.: Мир, 1978, 418 с.
Размещено на Allbest.ru
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
