Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Прогнозирование качества поверхностного слоя при обработке изделий из технических ситаллов

Прогнозирование качества поверхностного слоя при обработке изделий из технических ситаллов

При шлифовании материалов на основе стекла, в частности, технических стекол и ситаллов, в поверхностном слое изделия возникает нарушенный обработкой (трещиноватый или дефектный) слой, существенным образом отличающийся по физикомеханическим свойствам от исходного материала.

Наличие этого слоя отрицательно сказывается на таких важных эксплуатационных свойствах изделий, как радиопрозрачность, изгибная прочность и термостойкость для конструкционных ситаллов (снижение их в 1,5 - 1,7 раза). Поэтому все ответственные изделия из ситаллов [1] по окончании механической обработки подвергаются дорогостоящим и экологически вредным операциям упрочнения, продолжительность которых зависит от глубины дефектного слоя, подлежащего удалению.

Обеспечение минимальной по глубине и благоприятной структуры обработанной поверхности в сочетании с достаточно высокой производительностью шлифования в значительной степени определяет эффективность процесса обработки. При механической обработке хрупких неметаллических материалов дефектность обработанной поверхности зависит от прочностны ххарактеристик и структуры обрабатываемого материала, а также от напряженно-деформированного состояния (НДС) зоны резания, связанного с уровнем входных параметров технологического процесса обработки [2,3].

На рис. 1 приведена схема взаимодействия факторов, определяющих процесс абразивной обработки, которая свидетельствует о сложности и взаимосвязанности явлений, протекающих в зоне резания.

Рис.1 Схема взаимодействия факторов, определюящих процесс абразивной обработки

Имея сведения о НДС, можно прогнозировать дефектность обработанной поверхности и проектировать соответствующим обработки изделий. Для этого была разработана математическая модель развития дефектности при взаимодействии обрабатываемого материала (ОМ) с абразивным инструментом. При создании математической модели исходили из того, что на обрабатываемой поверхности имеется mед единичных дефектов (зон предразрушения).

Вероятность Рp развития дефекта (трещины) в конкретной зоне предразрушения обрабатываемой поверхности, причиной чего может служить уже имеющийся дефект, определяется вероятностью события Р, при котором напряжение σрез возникающее при резании, будет не менее предела прочности ОМ [σ]:

Pp=P(σрез ≥ [σ]) (1)

Тогда число дефектов N на единице обработанной поверхности определится как

N=mедPp (2).

При известном значении mед задача сводится к определению вероятности образования трещины Рр, т.е. к установлению зависимости (1). Для этого необходимо знать законы распределения напряжений в обрабатываемом материале до обработки и при резании. Для обрабатываемого материала закон распределения предельного (разрушающего) напряжения [σ] определяется экспериментально. Он характеризуется функцией распределения F[σ] и плотностью вероятности ƒ[σ]. Закон (функция) распределения напряжений F(σрез) в ОМ от сил резания и плотность распределения вероятностей этих напряжений ƒ(σрез) могут быть найдены аналитически.

В процессе обработки абразивным инструментом напряжения σрез зависят от условий контакта абразивных зерен с ОМ. Для условий моделирования взаимодействия алмазных зерен с обрабатываемой поверхностью установлено, что напряжения в ОМ σрез.з = σp∑з, возникающие при одновременном действии нормальной Руз и тангенциальной Р составляющих сил резания на единичном зерне, определяются в основном значениями Руз и размерами зернасферы Rз.

При достижении σp∑з значения, превышающего предел прочности материала на растяжение, произойдет развитие дефекта-трещины в зоне контакта ОМ с единичным зерном. Этому явлению соответствует критическое значение нормальной силы на зерне Руз. Установлено, что значение силы Руз достаточной для разрушения материала, в свою очередь, нелинейно связано с его абсолютной твердостью по Герцу [q0], являющейся функцией радиуса зерна-индентора [q0] = ƒ(R). Для стекломатериалов [q0] = BRd, где В расчетный коэффициент [4]. В частности, для ситаллов [q0] = 4103,R-0,153. Тогда нормальную силу резания можно выразить следующим образом:

где k1 и k2- константы, определяемые упругими характеристиками ОМ и зерн-асферы: k1 = (1-ν21)/(πE1); k2 = (1-ν22)/(πE2); E1, E2, ν1, ν2 - соответственно модули упругости и коэффициенты Пуассона ОМ и зерна; kƒ - коэффициент влияния тангенциальной составляющей на НДС в зоне взаимодействия зерна с ОМ; А, С*, α - расчетные коэффициенты [4].

При переходе от действия единичного ерна к воздействию совокупности рабочих зерен в алмазном инструменте определялась сила резания, приходящаяся на одно зерно, контактирующее с обрабатываемой поверхностью, которая условно названа удельной нагрузкой на зерно:

Pуд.з= Pu/Nконт = ∑Pyi/Nконт, (4)

где Рy - нормальная составляющая силы резания; Nконт - число контактирующих зерен.

При известных законах распределения Рy и Nконт для конкретных условий обработки можно установить зависимость изменения Руд.з от глубины h проникновения зерен в виде функции F(Руд.з) и плотность вероятности этой функции ƒ(Руд.з). Зная плотность вероятности функции распределения разрушающих сил ƒ[PH] присущих ОМ, можно определить вероятность развития в нем дефектов при резании.

Для определения вероятности развития дефектного слоя удельная нагрузка Руд.з сопоставлялась с разрушающей нагрузкой РHдействующей на шар-индентор при испытаниях ОМ на микрохрупкость, так как явления, возникающие в процессе разрушения стекломатериалов при взаимодействии с абразивными зернами при резании, подобны тем, которые присущи процессу измерения их микрохрупкости [5]. Развитие дефектов при шлифовании происходит при превышении удельной нагрузки на зерно Руд.з разрушающей нагрузки [РH]. В этом случае уравнение (1) будет трансформировано как

Pp=P( Руд.з ≥ [РH]) (5)

Для определения вероятности развития дефектного слоя необходимо знать законы распределения нагрузок от сил резания и разрушающей силы, которые определялись в условиях реализации схемы врезного плоского торцового шлифования образцов из ситалла. Использовалась модель шлифовального круга, базирующаяся на ряде допущений, основные из которых описаны ниже.

Зерна алмазного круга представлены в виде цилиндров постоянной длины, равной среднему значению этого размера для зерен данной зернистости, и имеют режущую часть в виде шарового сегмента переменного радиуса R, равного высоте выступания зерен над условной поверхностью связки h= x. Последнее в соответствии с положениями теории упругости для хрупких тел позволяет дифференцированно оценить распределение нагрузки между отдельными зернами, находящимися на различном уровне в поверхностном слое круга. Распределение зерен по высоте над уровнем связки соответствует закону нормального распределения с плотностью ƒ(х), где x: — текущее значение координаты, отсчитываемой от принятого уровня связки, с известными параметрами σx. и хcp. Максимальная высота выступания зерна над поверхностью связки x принята из условия удержания зерен на поверхности правленого алмазного круга при его нормальной работе. Зерна жестко закреплены в связке, износом зерен и связки пренебрегаем.

Величина удельной нагрузки на зерно может быть описана уравнением

где cp - среднее значение координаты х; ξ - переменная интегрирования.

Имея эту зависимость и зная закон распределения вероятности случайной величины х, где х ε (0, xmax), можно определить закон распределения вероятности величины Руд.з

Значения микрохрупкости ситаллов определяются экспериментально [5]. Силы на инденторе, приводящие к нарушению сплошности материала при измерении его микрохрупкости, подчиняются закону нормального распределения с известными плотностью вероятности функции распределения предельной (разрушающей) силы ƒ[РH] и параметрами σ и Рн.ср., определяемыми экспериметально.

Рис. 2 Дифференциальные функции распределения:

1 - ƒ[PH]; 2 - ƒ(Pуд.з)

Вероятность дефектообразования Pp может быть найдена при использовании приближенного способа расчета Н.С. Стрелецкого [6] как площадь фигуры, образованной пересечением кривых, описывающих дифференциальные функции распределения ƒ[РH] и ƒ(Руд.з) (рис. 2):

Для определения величины Pp необходимо решить уравнение

где Рн.ср.- среднее значение разрушающей нагрузки; mt и σt- соответственно математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение некоторой промежуточной переменной, функционально связанной с Pуд.з

Решение этого уравнения и определение вероятности случайного процесса образования дефектов при шлифовании стекломатериалов согласно (7) возможно, если известны все константы и параметры, входящие в негой определяемые в основном двумя группами факторов: условиями процесса шлифования; физико-механическими свойствами ОМ и уровнем его исходной дефектности. Зная Рp, можно определить число дефектов N на единице обработанной поверхности, т.е. спрогнозировать степень влияния условий шлифования на качество (дефектность) формируемой поверхности.

Для конкретных условий алмазного шлифования ситаллов исследована вероятность развития дефектности обработанной поверхности в зависимости от характеристик режущего инструмента: геометрических, прочностных и размерных параметров алмазных зерен; концентрации кругов; вида связки, а такжеот физико-механических характеристик ОМ — исходных, а также обусловленных состоянием поверхности испытуемых образцов (наличием или отсутствием предварительной обработки), степенью активности применяемой при шлифовании технологической среды.

Анализ результатов расчетов позволил заключить, что практически повсеместно прослеживается зависимость интенсивности дефектообразования от уровня НДС обрабатываемого материала при резании, который приближенно может быть оценен значением удельной нагрузки на отдельные зерна круга при шлифовании. Из исследованных характеристик алмазного инструмента наибольшее влияние на процесс дефектообразования оказывает его зернистость (рис. 3).

Рис. 3. Влияние зернистости инструмента на вероятность дефектообразовання Рp при шлифовании ситалла АС-418 кругом 12 А2-45° 125х50х20х2,5 АС6 - 4 - М2-01 с зернистостью:

1 - 80/63; 2 - 100/80; 3 - 125/100; 4 - 250/200; h - гглубина проникновения зерен круга в ОМ

Уменьшение зернистости сопровождается снижением удельной нагрузки на зерно и меньшей вероятностью развития дефектного слоя. Следовательно, применение крупнозернистого инструмента при обработке хрупких материалов целесообразно на операциях чернового шлифования при условии, что образованный развитый дефектный слой будет удален на последующих получистовых и чистовых операциях, выполняемых кругами более мелкой зернистости.

Значительный интерес представляет прогнозирование вероятностных процессов формирования дефектного слоя в зависимости от прочностных характеристик ОМ при постоянных параметрах инструмента, что можно осуществить используя предлагаемую математическую модель. Физико-механические свойства ОМ отражены в исследуемых зависимостях его упругими характеристиками ν1, F1 данными эксперимента о параметрах зависимости абсолютной твердости по Герцу от радиуса индентора [q0] = ƒ(R), на которые влияют условия эксперимента, а именно исходное состояние ОМ, применение СОЖ при обработке и т.д., а также параметрами плотности вероятности функции распределения предельной (разрушающей) силы ƒ[РH] при определении микрохрупкости ОМ.

На рис. 4 приведены данные об изменении вероятности дефектообразования в зависимости от глубины h проникновения зерен круга в ОМ при различном состоянии поверхности образцов, обусловленном видом предшествующей обработки технологической наследственностью. Разупрочнение поверхностного слоя ОМ предшествующей обработкой (предварительное шлифование кругами зернистости 160/125 и 250/200) соответственно в 1,3 и 1,9 раза по уровню Pуд.з обеспечивает снижение вероятности развития дефектного слоя (рис. 4, кривые 2, 3) по сравнению с вариантом обработки исходного материала (рис. 4, кривая 1).

Рис. 4 Влияние состояния поверхности обрабатываемого материала на вероятность дефектообразовання Рp при шлифовании кругом 12 А2-45° 125х50х20х2,5 АС6 - 4 - М2-01 ситалла в условиях:

1 - отсутствия предворительной обработки; 2 и 3 - предварительного шлифования соответственно кругами зернистости 160/125 и 250/200

С целью повышения эффективности процесса шлифования можно рекомендовать следующую последовательность обработки: применение крупнозернистого инструмента на операциях черновой обработки; удаление основного припуска и предварительная подготовка поверхности (разупрочнение материала в поверхностном слое) к последующим чистовым операциям; последовательное уменьшение зернистости инструмента по мере приближения к окончательной стадии обработки.

В соответствии с разработанной математической моделью формирования дефектности при шлифовании выполнен теоретический расчет числа дефектов N на единице обработанной поверхности ситаллов в условиях свободного резания. Результаты сравнения числа дефектов, найденного теоретически и определенного экспериментально с использованием метода люминесцентной дефектоскопии [7], подтвердили для рассматриваемых случаев адекватность разработанной модели.

Таким образом, можно заключить, что предлагаемая математическая модель позволяет, варьируя как условия процесса шлифования, >так и прочностные характеристики ОМ, прогнозировать вероятность развития дефектного слоя, обусловленного процессами механической обработки хрупких неметаллических материалов. Об этом свидетельствуют также положительные результаты опытно-промышленных испытаний технологических процессов обработки изделий из технических ситаллов, разработанных с использованием предлагаемой методики прогнозирования дефектности формируемой поверхности.

Список литературы

  1. Дубовик В.Н., Непомнящий О.А. Дефектность кордиеритовых ситаллов // Катализированная прочность стекла. М.: ГИС. 1986. С. 98102.
  2. Ардамацкий А.Л. Алмазная обработка оптических деталей. Л.: Машиностроение, Ленингр. отдние. 1978. 232 с.
  3. Калафатова Л.П. Влияние технологической наследственности на эффективность процессов механической обработки стекломатериалов//Справочник. Инженерный журнал. М.: Машиностроение. 1997. №9. С. 711.
  4. Дубовик В.Н., Райхель A.M. Дефектность и уровни прочности ситаллов // Проблемы прочности. 1984. № 7. С. 7984.
  5. Райхель A.M., Лихтенштейн В.Н., НепомнящийО.А. и др. Методика определения микрохрупкости ситаллов с использованием люминесцентной микроскопии // Заводская лаборатория. 1979. .№ 10. С. 3638.
  6. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных систем. М.: Энергия, 1977. 536 с.
  7. Калафатова Л.П. Диагностика дефектности обработанной поверхности технических ситаллов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Сб. науч. тр. / Донецк, гос. унт. Донецк, 1997. С. 6674.

Л.П. КАЛАФАТОВА (Донецкий национальный технический университет (Украина))

Приложение. Справочник. Инженерный журнал, №9,2002 стр. 5-8

Статьи партнеров