Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Исследование эффективности действия водорастворимых присадок поверхностно-активных веществ (ПАВ) при абразивной обработке стекла

Исследование эффективности действия водорастворимых присадок поверхностно-активных веществ (ПАВ) при абразивной обработке стекла

Введение. Появление новых материалов, все возрастающие требования к качеству продукции и экологической безопасности производства обусловливают необходимость расширять ассортимент СОТС. Недостаточно изученной операцией для применения СОТС является обработка стекла алмазным инструментом. Например, ассортимент специальных СОТС для абразивной обработки стекла ограничивается эмульсолами марок "Эдоксом" и "Эмус" [1]. Общими недостатками эмульсолов являются нестабильность смеси, малый срок службы, плохие экологические показатели их применения.

Более эффективными СОТС по сравнению с эмульсолами являются синтетические СОТС, которые содержат в своей основе водорастворимые присадки полимеров и поверхностно-активных веществ (ПАВ). Присадки ПАВ эффективно снижают прочность и повышают пластичность обрабатываемого материала за счет эффекта Ребиндера [2]. Благодаря пластифицирующему действию СОТС уменьшается трение между инструментом и стружкой, инструментом и формируемой поверхностью, снижаются избыточные деформации в стружке и обрабатываемом изделии, что позволяет снизить силу резания и улучшить качество получаемой поверхности.

Эффект Ребиндера в полной мере проявляется при абразивной обработке хрупких материалов, таких как стекло, полупроводниковые кристаллы и др. Например, при обработке стекла после многократных воздействий зерен абразива весь поверхностный слой покрывается трещинами. При последующем прокатывании зерен удаляются осколки, отделенные трещинами от основной массы стекла. В результате этого образуются выколки или каверны. Охрупчивающее действие ПАВ способствует эффективному трещинообразованию в поверх­ностном слое стекла, моющее - удалению осколков стеклянного шлама из зоны обработки.

Перспективность использования ПАВ для обработки хрупких материалов - кремния, арсенида галия, полико­рундовой керамики, стекла и ситаллов подтверждается данными различных исследований [3, 4, 5], которые проводились в том числе и на кафедре экспериментальной и технической физики Ивановского госуниверситета.

С 1997 г. на кафедре начата работа по изучению влияния различных веществ на трибомеханику процесса абразивной обработки стекла. В предварительных модельных экспериментах по изучению микротвердости стекла в растворах различных веществ было обнаружено, что наряду с ПАВ существенное действие на пластические свойства стекла оказывают растворы многоатомных спиртов - гликолей [6]. При этом действие растворов гликолей на пластификацию поверхности стекла оказывается более сильным, чем действие ПАВ.

Целью исследования являлось изучение влияния водорастворимых присадок ПАВ на эффективность процесса абразивной обработки стекла на операции плоскогранильного шлифования.

Эксперимент. Были исследованы однокомпонентные водные растворы ПАВ (мыло техническое, стеарокс-6, триэтаноламиновая соль олеиновой кислоты, эфиры жирных кислот), гликоли (этилен-, диэтилен-, триэтилен- и полиэтиленгликоль), стандартные СОТС - "Прогресс-1ЗК" и "Эфтол". Концентрация компонента в растворе варьировалась в пределах 0,01...! %. Однокомпонентные растворы малых концентраций приготовлялись разбавлением концентрированных базовых 1%-ных растворов.

Для изучения действия СОТС непосредственно в условиях абразивной обработки была создана специальная трибометрическая система, модулирующая процесс широкоплоскостного гранения стеклянных шариков (рис. 1). В основе установки используется стандартный шлифовальный станок для ручной огранки стеклоизделий ГП-2, Абразивный инструмент- алмазная планшайба А1ПВ на металлической связке М-1 размерами 140x70 мм. Прижим образца - стеклянного шарика диаметром 6 мм к инструменту осуществляется вертикальным нагружением грузами массами 50...250 г, что позволяет проводить испытания при различных нагрузках.

Рнс.1. Экспериментальная установка для изучения процесса абразивной обработки стекла:
1,8 — электродвигатели; 2 — клиноремснная передача; 3 - алмазная планшайба А1ПВ; 4 - образец; 5 - нагружающее устройство; 6 -силоизмеритель; 7- рамка крепления силоизмерителя

Исследования проводили с использованием шарообразных заготовок из специального калий-свинец-силикатного стекла, содержащего в своем составе добавки различных красителей. Данное стекло изготовляется по специальной технологии и используется в ювелирной промышленности в качестве имитатора полудрагоценных камней.

Система сменных шкивов обеспечивает возможность ступенчатого переключения частоты вращения шлифовального круга в диапазоне 1400...2800 мин-1 . Для устранения локального истерания абразивного инструмента реверсивный привод циклически перемещает обрабатываемый образец по зоне обработки в поперечном направлении с частотой 0,5 Гц. СОТС подается в зону резания свободным поливом. Расход СОТС в эксперименте составлял около 0,5 л/мин.

Измерение интенсивности съема материала в процессе обработки обеспечивается лазерным датчиком перемещения, закрепленным на коромысле нагружающего устройства. Принцип измерения основан на том, что съем некоторого слоя образца вызывает вертикальное перемещение держателя и изменяет угол наклона коромысла измерительной подвески и место падения светового луча лазера на экран. Если экран значительно (на несколько метров) удален от зоны обработки, то малые вертикальные перемещения держателя образца приведут к значительному перемещению точки падения лазерного пучка на экран. При этом перемещение луча по экрану будет пропорционально перемещению держателя с образцом.

К достоинствам лазерного датчика относятся: во-первых, возможность фиксировать толщину снятого слоя непосредственно во время опыта, во-вторых, возможность фиксировать время снятия слоя определенной толщины. Максимальная толщина снимаемого слоя (1,25 мм) в проводимых экспериментах ограничивается конструкцией держателя образца. Точность измерения толщины слоя находится в пределах 15...20 мкм.

На этапе предварительных испытаний была отработана методика определения эффективности съема материала при обработке. За критерий эффективности было принято время, необходимое для снятия слоя материала определенной базовой толщины - 1 мм.

Для измерения сил резания был разработан силоизмеритель оригинальной конструкции (рис. 2). В основу силоизмерителя положен принцип измерения упругой деформации. Сила резания вызывает упругую деформацию элементов подвески, на которой укреплен держатель образца. Известно, что величина деформации пропорциональна силе, действующей на стержень.

Рис. 2. Схема силонзмерителя:
1 - крепление противовеса и приемника; 2 - корпус; 3 - рычаг; 4 -приемник; 5 -излучатель; 6, 9 -угругие мембраны; 7 -скоба крепления оси; 8 - ось; F- сила трения

Таким образом, измерение величины деформации позволяет измерить и силу, ее вызывающую.

Сложность разработки состояла в том, что необходимо было обеспечить такую конструкцию упругих элементов подвески, чтобы рычаг с закрепленным на нем держателем образца 4 (шарика) (см. рис. 1) смещался только вдоль одной оси. Для этого рычаг 3 (см. рис. 2) закрепляется в центрах двух круглых упругих мембран 6 и 9, которые своими краями приклеиваются по бокам полой катушки 2, образующей корпус силоизмерителя.

Измеритель силы резания должен регистрировать очень малые ее изменения (0,001...0,1 Н). Поэтому необходимо было использовать датчики перемещений достаточно высокой чувствительности. На начальном этапе исследований использовалась схема высокочувствительного емкостного датчика перемещений с кварцевым диэлькометром [7]. Однако высокая чувствительность датчика емкости к влажности и температуре воздуха не позволила получить удовлетворительной повторяемости результатов измерений.

В дальнейшем емкостной силоизмеритель заменили на электромагнитный, который работает по принципу измерения приемником интенсивности электромагнитного излучения от близко расположенного генератора. Сигнал с выхода электромагнитного датчика выводился на цифровой вольтметр. По результатам проведенной тарировки было установлено, что тарировочная функция силоизмерителя близка к линейной зависимости с коэффициентом 60 мВ/Н.

Исследование температурного состояния зоны обработки проводили с помощью медь-константановых термопар, впаянных в исследуемые образцы, в момент разрушения спая термопары. Для уменьшения теплоотвода от зоны обработки при проведении исследований температурного состояния металлический держатель образца заменялся на специальный, изготовленный из оргстекла.

Шероховатость обработанной поверхности исследовали на растровом электронном микроскопе РЭМ-200 методом снятия единичного растра тока вторичных электронов с различных участков угольной реплики обработанной поверхности. Реплика предварительно оттенялась тонким слоем золота, напыляемого в вакууме.

Кроме исследования шероховатости поверхности угольной реплики поверхности стекла позволили провести электронно-графический анализ и качественно определить фазовый состав твердых частиц, извлеченных репликой с обработанной поверхности. Включения, очевидно, являются частицами шлама, образующегося при обработке стекла. Получения дифрактограмм включений проводили с помощью просвечивающего электронного микроскопа ЭЛ-100 в режиме микродифракции. Анализ результатов проводили по стандартной методике [8].

Результаты эксперимента. Проведенные исследования позволили установить влияние основных параметров системы - нагрузки, времени обработки и вида СОТС на характеристики процесса резания - скорость съема материала, силы резания, шероховатость обработанной поверхности. Основные результаты исследований приведены в табл. 1.

Было установлено, что, несмотря на высокую скорость шлифования и интенсивный съем материала, в зоне обработки стекла средняя температура резания невысока. Даже при сухом резании зона обработки за время шлифования при съеме до 1 мм не нагревалась выше 50°С. Очевидно, сильные турбулентные потоки воздуха, порождаемые быстрым вращением абразивного инструмента, выполняют роль эффективного охладителя. Подача СОТС в зону резания снижает температуры резания до уровня 25...27 °С. Следовательно, охлаждающая функция СОТС для процесса плоскогранильного шлифования стекла не является определяющей.

1. Результаты исследования эффективности
действия СОТС на трпбомеханические показатели
процесса абразивной обработки стекла

Исследуемая CОТС

Средняя температура зоны резания, Т, °С

Сила резания, F, мН

Время съема слоя толщиной
1 мм, t, c

Относительная микротвердость

Сухое резание

52

204

24

1,0

Вода водопроводная

27

195

30

1,15

Мыло техническое

26... 27

!68

28

1,05

Этиленгликоль

172

26

0,9

Диэтиленгликоль

169

23

0,87

Полиэтиленгликоль

134

19

0,83

Триэтанол-аминовая соль

~

29

0,79

Прогресс-13К

170

28

-

Эфтол

165

27

-

Примечания: 1. Данные экспериментов приведены при силе прижатия образца к инструменту1,5Н.
2. Концентрация присадки в растворе -0,1 % по массе.

Рис. 3. Влияние концентрации присадки в водном растворе па время обработки:
1 - этиленгликоль; 2 — полнэтиленгликоль; 3 - мыло техническое

Результаты исследований влияния концентрации компонентов СОТС на эффективность обработки позволили установить, что зависимость носит явно выраженный экстремальный характер при концентрации присадки ПАВ около 0,1 % (рис. 3). Такой характер установленной зависимости можно объяснить двойственной природой действия ПАВ, связанной с одновременным проявлением пластифицирующего и охрупчивагощего эффекта. При малых концентрациях оптимального (5 %) количества ПАВ недостаточно, чтобы вызвать существенное пластифицирующее или охрупчивающее действие.

Повышение концентрации присадки ПАВ приводит к усилению расклинивающего эффекта, что способствует интенсификации процессов трещинообразования в поверхностном слое стекла при обработке и отделении частиц шлама. Эти процессы вызывают уменьшение времени, необходимого для обработки, появления минимума на кривой (см. рис. 3).

При еще больших концентрациях ПАВ, напротив, начинает проявляться сильное пластифицирующее действие, которое препятствует процессам трещинообразования иразрушения поверхности стекла, отделению частиц в виде стеклянной стружки. Как следствие этого, время обработки стекла возрастает.

Следует отметить, что, несмотря на противоположность двух проявлений действия присадок ПАВ -охрупчивающего и пластифицирующего эффекта - они, очевидно, взаимосвязаны. На это указывает определенная корреляция между временем обработки и микротвердостью стекла в растворах ПАВ (см. табл. 1). Повышение микротвердости, как правило, приводит к увеличению времени обработки.

Рис. 4. Растровые осциллограммы тока вторичных электронов в РЭМ от реплик поверхности стекла, обработанного в различных СОТС

О высоком пластифицирующем действии присадок ПАВ свидетельствуют результаты исследования шероховатости обработанной поверхности. На рис. 4 приведены результаты растров тока вторичных электронов с реплик поверхности стекла после обработки в различных средах. Наибольшее разрушение поверхности стекла имеет место при обработке без использования СОТС, о чем свидетельствует сильная неоднородность тока электронов вторичной эмиссии. Применение растворов гликолей приводит к уменьшению высоты микронеровностей и снижению неоднородностей микрорельефа. С повышением концентрации присадки до 0,1 % профиль микронеровностей практически выглаживается. Таким образом, присадки в определенных концентрациях ПАВ позволяют не только повысить скорость, производительность, но и качество абразивной обработки стекла.

Интересные результаты были получены при электронно-микроскопическом исследовании фазового состава частиц шлама, извлеченных репликой с поверхности стекла. Обнаружено, что все твердые включения шлама имеют кристаллическую, а не аморфную структуру. Это проявляется в наличии на дифрактограммах объектов четких дифракционных максимумов, а не диффузных колец.

По характеру дифракции электронов в извлечениях реплики установлено наличие двух кристаллических фаз. Как и ожидалось, дифракция на одном из типов включений соответствует дифракции от атомных плоскостей кубической решетки алмаза с периодом решетки 3,570 А (табл. 2). Небольшое число дифракционных максимумов на дифрактограмме связано с уменьшением большинства рефлексов из-за высокой симметрии решетки.

На втором этапе включений дифракция имеет совершенно другой характер. Большое наличие дифракционных максимумов свидетельствует о более низкой степени симметрии данного типа решетки, чем кубической. (Решетка была предварительно идентифицирована как тетрагональная с периодами с - 4,45 А, а = 2,7 А, с/а = 1,64.)

Учитывая то, что тип дифракции с тетрагональной решеткой соответствует примерно 80 % всех включений в реплику, а аморфные включения вообще отсутствуют, можно с уверенностью утверждать, что идентифицируемая фаза соответствует кристаллическому стеклу. Таким образом, установлено, что при шлифовании наряду с трещинообразованием в поверхностном слое стекла параллельно идет процесс кристаллизации. Вопрос о влиянии кристаллизации на процесс разрушения стекла остается открытым.

2. Электронно-графический анализ твердых включении в реплике, извлеченных с обработанной поверхности стекла

Дифрактограмма

Расстояние от центра до ревлекса, мм

dHKL

Индекс плоскости

Интенсивность

Алмаз

18

2,10(2,060)

111

+

30

1,26(1,262)

220

+

а =3,570 Å

Кристаллическое стекло

8,5

4,45

001

+

14

2,70

100

+ +

17

2,29

002

 

22

1,72

111, 102

+ +

22,5

1,48

003, 112

 

30

1,26

210, 103

+

Тетрагональная сингония: с = 4,45 А, а = 2,7 А, с/а =1,64

Выводы:

  1. Применение СОТС на основе водных растворов ПАВ и гликолей позволяет существенно улучшить эффективность процесса обработки - в 2...3 раза снизить шероховатость поверхности, на 20...25 % уменьшить силы резания, на 20 % увеличить скорость обработки.
  2. Наибольшая эффективность действия присадок ПАВ на скорость обработки наблюдается при определенной концентрации ПАВ в растворе. Экстремальный характер наблюдаемых зависимостей обусловлен двойственной природой ПАВ, проявляющейся в одновременном охрупчивающем и пластифицирующем действии на поверхность хрупких материалов.
  3. Данные электронно-микроскопических исследований обработанной поверхности стекла свидетельствуют о наличии в отделяющемся шламе кристаллического стекла. Вопрос о влиянии процесса кристаллизации на эффективность механообработки стекла остается открытым.

Литература

  1. Энтелиса С.Г., Берлинера Э.М. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием: Справочник. М.; Машиностроение, 1995. 469 с.
  2. Ребипдер П.А., Щукин Е.Д. Поверхностные явления в твердых телах в процессах их деформации и разрушения // Успехи физических наук, 1972. Т. 108, С, 3-42.
  3. Лазюк Ю.Н. Влияние поверхностно-активных смазочно-охлаждающих технологических средств на механическую обработку кремния и арсенида галлия // Автореф. дне. канд. хим. наук. М.: 1989. 18с.
  4. Ключников С.В. Повышение обрабатываемости поликорундовой керамики при шлифовании путем воздействия на контактные процессы эффективными смазочно-охлаждающими средствами // Автореф. дис. канд. техн. наук. Горький: 1990. 16 с.
  5. Калафатова Л.П. Направления развития механической обработки материалов на основе стекла // Высокие технологии в машиностроении. Сб. науч. тр. ХДПУ. Харьков: 1998. С. 136-138.
  6. Курочкнн А.Е. Разработка составов и исследован неэффективности СОТС при абразивной обработке стекла методом мнкроиндентирования//Научная школа В.Н.Латышева. Межвуз. сб. науч. тр. Иваново: 1999. С. 98-103.
  7. Семенов М.Н. Установка и методика исследования электрических свойств граничного смазочного слоя при трении металлов // Автореф. дис. канд. техн. наук. Иваново: 1999. 18 с.
  8. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптически и анализ. М.: МИСИС, 1994. 328 с.

В.Н. ЛАТЫШЕВ, д-р техн. наук, А.Е, КУРОЧКИН, В.В. НОВИКОВ, С.Е. НЕВСКАЯ
(Ивановский государственный университет)
Справочник. Инженерный журнал № 1, 2003, стр. 22-26.

Статьи партнеров