Введение к работе
Актуальность проблемы. Техническое переоснащение производства, необходимое для подъема экономики страны, связано с разработкой, созданием и внедрением новых материалов и эффективных технологий их обработки. Из-за своих уникальных свойств все большее применение находят неметаллические кристаллические, аморфные и получаемые по керамической технологии или горячим прессованием материалы. Область применения керамики, ситаллов. различных ферромагнитных материалов, органических и неорганических стекол простирается от космической техники, летательных аппаратов, радиоэлектроники, радиолакации. средств связи, автоматики, сверхвысокочастотной техники до отдельных приборов и деталей машин.
Низкая обрабатываемость заготовок из неметаллических материалов, обусловленная спецификой их свойств: повышенной твердостью и хрупкостью, малой теплопроводностью и доменной структурой, затрудняет получение из них высококачественных деталей. Основными операциями формообразования материалов типа ферритов, керамики, ситаллов, стекол является шлифование, а основным методом - алмазное шлифование. Причем наибольшие трудности связаны с процессами плоского и фасонного шлифования, особенно торцевого. Потребность производства в деталях, имеющих плоские поверхности, высока: до 20 % в машиностроении и более 50 % в приборостроении и электронной технике.
Многообразие технологических операций, выполняемых при механической обработке материалов, и высокие требования к качеству поверхностей деталей вызывают необходимость создания эффективных способов абразивной обработки, новых разнообразных шлифовальных инструментов, и средств технологического обеспечения повышения качества деталей при плоском шлифовании. Несмотря на потребности производства, до настоящего времени нет научно-обоснованных методик, принципов, рекомендаций по выбору рациональных средств технологического обеспечения плоского и Фасонного шлифования неметаллов. В литературе мало сведений о результатах исследований прерывистого шлифования (ПШ) хрупких неметаллических материалов (кроме определенных успехов, наметившихся при шлифовании стекол). . Прежде всего это относится к использованию инструментов с прерывистой рабочей поверхностью. Хотя прерывистое шлифование хорошо зарекомендовало
себя в жестких условиях плоского шлифования труднообрабатываемых сплавов и сталей, однако эти достижения нельзя однозначно перенести на процесс обработки неметаллов.
В итоге сложилась ситуация, когда недостаточность исследований процессов и явлений, происходящих при абразивной обработке связанных зерном неметаллов (в том числе в условиях дискретного резания), и отсутствие эффективного управления формированием качества обработки сдерживают разработку или совершенствование технологических процессов финишной обработки хрупких неметаллических материалов. Исследования, направленные на решение этой проблемы, являются актуальными. Таким образом, существует проблема повышения качества шлифованных поверхностей, хрупких неметаллических материалов посредством управления физико-химическими и электрофизическими явлениями в пространстве контактного абразивного взаимодействия системы деталь-инструмент-среда (ДИО на различных уровнях дискретности резания. Для ее решения необходимо разработать принципы высокоэффективной абразивной- обработки связанным зерном неметаллических хрупких материалов. При этом целесообразно основываться на явлениях и закономерностях процесса абразивного контактного взаимодействия (КНВ) в системе ДИС, управление которыми осуществляют новыми созданными технологическими средствами.
Работа выполнялась исходзі из потребностей народного хозяйства. Ее основные разделы входили в планы научно-исследовательских работ главков электронной промышленности СССР; соответствовали научно-техническим программам УК НТ "Ресурсосберегающей технологии", региональной программе "Черноземье" - разделу "Машиностроение и энергетика".
Основная часть работы, включая экспериментальные работы, выполнена в Воронежском государственном техническом университете в период с 1974 по 1996 гг.
Цель диссертации. Исследование явлений и установление закономерностей процесса алмазной обработки хрупких неметаллических материалов при разных уровнях дискретности резания и создание эффективных средств технологического обеспечения плоского шлифования.
Задачи. \. Обосновать принцип дискретности резанания-шлифова-пия связанным зерном, позволяющий целенаправлено исследовать физико-химические и электрофизические явления, происходящие при контактном взаимодействии в системе дсталь-инструмент-среда.
2. Установить закономерности и механизм формирования качества
обработки ферритовых, керамических, кристаллических и аморфных материалов при плоском алмазном шлифовании.
-
На основании изученных явлений, установленных закономерностей и систематизированной информации о процессе абразивной обработки, создать концепцию активного рабочего пространства, позволяющего анализировать объекты и взаимосвязи процесса дискретного шлифования и управлять им с целью повышения качества обработки.
-
Создать средства технологического обеспечения плоского и фасонного шлифования хрупких неметаллов - способы обработки и шлифовальные инструменты, реализующие преимущества каждого уровня дискретности резания.
-
Провести физическое, математическое и структурное моделирования процессов дискретного шлифования неметаллических материалов, предназначенные для решения задач оптимизации режимов и условий обработки на разных уровнях дискретности резания.
G. Провести апробацию созданного технологического обеспечения финишной обработки хрупких неметаллических материалов в производственных условиях, оценить перспективу ого применения.
Методы исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использованы методы: теории резания, физики твердого тела, химии, теории пластического деформирования, теории технических систем, системного анализа, теории вероятности и математической статистики, математического моделирования, систем автоматизированного проектирования и другие.
Для проведения экспериментальных исследований разработаны спеціальніше методики, созданы системы и устройства, в том числе, предназначенные для высокоточного измерения сил резания и температуры шлифования; разработаны способы абразивного шлифования, а так-х:е средства технологического обеспечения исследований, шлифовальные инструменты, позволяющие получать высокое качество шлифованных поверхностей с малым дефектным слоем. Оценку состояний поверхностных слоев проводили с использованием методов профилографирования. электронной микроскопии, металлографии, рентгенографии, экзозлект-ронноп эмиссии и других современных средств. При обработке статис -тических лдшшх результатов экспериментов, построении математических моделей показателей процесса дискретного шлифования применяли современное программное обеспечение и средства ЭВМ.
Использовали разработанные гипотезы, принципы и концепции, в том числе, принцип дискретности резания при контактном абразивном
4 взаимодействии и взаимосвязи его уровней; принцип активного рабочего пространства, позволяющий управлять процессом формирования качества обработки при шлифовании неметаллов и другие.
Положения работы, выносите на защиту
Принцип построения идеологии абразивной обработки связанным зерном на основе дискретности процессов резания, заключающийся в рассмотрении процессов контактного абразивного взаимодействия как иерархической системы взаимосвязанных между собой разных уровней дискретности резания, каждому из которых соответствуют свои шлифовальные инструменты.
Концепция активного рабочего пространства абразивной обработки (АРП), позволяющая, анализировать процесс контактного взаимодействия в системе деталь-инструмент-среда (ДИС), прогнозировать и планировать качество обработки.
Исследования влияния технологических факторов алмазного шлифования хрупких неметаллических материалах при разных уровнях дискретности резания на формирование качества поверхности деталей при плоском шлифовании.
Установленные закономерности формирования макротопологии рабочей поверхности шлифовальных инструментов, применяемых на разных уровнях дискретности резания, являющиеся основой алгоритма проектирования новых инструментов.
Установленные закономерности влияния на формирования качества обработки неметаллов: строения рабочей поверхности (РП) инструмента (ориентации алмазных зерен, их металлизации, характеристик РП); конструкций сборных шлифовальных инструментов; макротопологии выступов прерывистой рабочей поверхности (ПРП); состояний "подвижной системы" между деталью и инструментом; вида, состава и способа подачи технологической жидкости.
Установленное закономерности и математическое описание взаимосвязей злеглропотенциалов контактного взаимодействия с показателями и параметрами системы ДИС. Методы интенсификации процессов КНВ и управления качеством обработки деталей из структурно-чувствительных и полупроводниковых материалов, обеспечивающие снижение энергозатрат и повышение эффективности обработки неметаллов.
Методики экспериментальных исследований и созданные средства для их реализации.
Комплекс физических, математических и функционально-структурных моделей, отражающих взаимосвязи объектов процесса абразивной
5 обработки связанным зерном на разных уровнях дискретности резания хрупких неметаллических материалов и предназначенных для многоцелевого применения.
Предложенная оценка процессов контактного абразивного взаимодействия в ДИС по показателю контактной обрабатываемости материала шлифованием, позволяющая формализовать качественные факторы обработки, влияющие на выбор инструмента в неоднородных условиях обработки и позволяющая проводить количественную оценку процесса.
Разработанная методика построения структурных моделей процесса абразивной обработки связанным зерном, обеспечивающая декомпозицию их структурного описания и позволяющая создавать графические модели процесса любого гоовня дискретности резания и информативности. Созданные способы: двухстадийной абразивной обработки; аддитив-.но-адаптивного удаления припуска; формирования макротопологии выступа ПРП; оценки проникающей способности жидкости; получения упругих пружинных элементов, а также конструкции шлифовальных инструментов, обладающие научно-технической новизной.
Основные результати работы, полученные лично соискателем
Создана идеология высокоэффективной абразивной обработки свя-" занным зерном хрупких неметаллических материалов, основанная на процессах контактного абразивного взаимодействия в системе ДИС, управление которыми осуществляют технологическими средствами, обеспечивающими разные уровни дискретности резания.
Предложена концепция активного рабочего пространства, позволяющая исследовать процесс абразивной обработки, прогнозировать и планировать качество обработки; разработана структура (ТЗ ЛРП ПШ).
Установлено влияние на качество обработки: подвижной системы в структуре ДИС; особой макротопологии выступов прерывистой рабочей поверхности (ПРП) инструментов; вида.состава и способа подачи технологических жидкостей; электрических потенциалов и Физико-химических явлений, позволяющих целенаправленно управлять выходными показателями и параметрами процесса плоского шлифования.
Созданы физические, математические и функционально-структурные модели процессов дискретного шлифования неметаллов, позволяющие осуществлять с ними многоплановые действия, включая оптимизацию режимов и условий абразивной обработки поликристаллических, получаемых по керамической технологии (горячим прессованием), а также аморфных материалов.
Предложен показатель контактной обрабатываемости материалов
6 шлифованием и обосновано его многоцелевое применение, основанное на учете скорости съема обрабатываемого материала и энергетики процесса
Созданы и запатентованы средства технологического обеспечения процессов плоского и фасонного шлифования, включающие: способы абразивной обработки (с целью формирования заданной макротопологии рабочей поверхности шлифовального инструмента); различные конструкции абразивных шлифовальных инструментов на жесткой и упругой основах; составы технологических жидкостей (ТЖ) и способы их транспортировки в пространство контактного взаимодействия; сопла для активации ТЖ. Создан новый тип шлифовальных инструментов, реализующий принцип аддитивно-адаптивного удаление припуска.
Разработанные методики, структуры, модели, средства технологического обеспечения качества шлифовальных поверхностей хрупких неметаллических материалов апробированы на промышленных предприятиях.
Значимость результатов для науки и производства. В рамках нового подхода осуществлена алгоритмизация информационной модели интеграции различных представлений контактных процессов абразивной обработки. Она выполнена на основе использования принципа дискретности процесса резания, позволяющего систематизировать явления в процессах абразивной обработки, а также интегрировать различные способы обработки связанным зерном (реализующие отдельные уровни дискретности резания) в новые объекты с более высокими уровнями дискретности резания.
Раскрыты явления, отражающие физико-химические и электрофизические основы процессов контактного абразивного взаимодействия в системе -ЛИС. Установлены взаимосвязи элементов ДИС и закономерности их влияния на технологические показатели процесса обработки. С их учетом созданы новые способы абразивной обработки, шлифовальные инструменты и другие средства технологического обеспечения повыше -ния качества шлифования хрупких неметаллических материалов.
Создан и внедрен комплекс физических, математических и функционально-структурных моделей процессов разного уровня дискретности резания, позволяющий оптимизировать режимы и условия плоского шлифования моно- и поликристаллических, 'аморфных, получаемых по керамической технологии и горячим прессованием материалов.
Разработана методика проектирования, созданы и внедрены способы получения пружинных элементов с некруглым профилем сечения вит ка. обладающих высокой циклической и релаксационной стойкостью.
Разработана методика представления процесса абразивной обра-
7 ботки в виде структурно-функциональных моделей TS ЛРП ПШ, позволяющих оценивать происходящие явления в пространстве контактного взаимодействия системы деталь-инструмент-среда и управлять формированием качества обработки неметаллических хрупких материалов.
Созданы конструкции шлифовальных инструментов с прерывистой рабочей поверхностью на жесткой и упруго-эластичной основах; конструкции инструментов с зонно-ориентированными(относительно плоскости резания} алмазными зернами; инструменты со сменными алмазными вставками, взаимосвязанными между собой; инструменты с высокостойкими упругими пружинными элементами под режущими абразивными контурами; инструменты для обработки экранов кинескопов.
Созданы способы абразивной обработки хрупких неметаллических материалов и устройства для их реализации, а именно: формирование .требуемой макротопологии рабочей поверхности алмазоносного слоя при подготовке инструмента к работе; активация технологических сред струйно-внезонными потоками и электропотепциалами; многостадийное шлифование хрупких материалов с управляемым трещинообразованием приповерхностных слоев; аддитивное удаление припуска.
Разработана методика и предложена оценка 'Эффективности процессов абразивного воздействия в ДИС посредством показателя контактной обрабатываемости материала шлифованием.
Впервые изучено воздействие электрофизических контактных потенциалов взаимодействия ЭКПВ. существующих в системе деталь-инструмент при абразивном взаимодействии алмазоносного слоя со структурно-чувствительными ферритовыми и полупроводниковыми материалами, на качество обрабатываемой детали. Разработаны методика и средства управления электрическими потенциалами, которые позволяют стимулировать или экранировать ЭКПВ.
Предложены рациональные условия обработки (режимы резания) для трех уровней дискретности резания, дающие высокое качество обработки, регламентируемое установленными стандартами.
Техническая новизна инструментов и способов обработки подтверждена 13 авторскими свидетельствами и патентами. Разработки используют на предприятиях РФ и СНГ, в научной и учебно-методической работе машиностроительных вузов. Экономический эффект разработок оценивается в сумме свыше 2 млн р. (в ценах до 1993 г.). а также свыше 100 млн р. (в ценах 1996 г.)
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на пятнадцати межреспубликанских, Всесоюз-
8 них, международных и региональных научно-технических конференциях, симпозиумах и совещаниях, посвященных вопросам совершенствования технологических процессов и технологического обеспечения произволе тва, оборудования, инструментов для предприятий машиностроения, приборостроения, электроники, иных отраслей (г. Москва. Минск, Киев, Пенза, Воронеж, Курск, Полтава). Сделано свыше 20 докладов на научных конференциях вузов страны. Шлифовальные инструменты и средства технологического обеспечения техпроцессов были представлены в качестве экспонатов на международных. Всесоюзных, региональных и межвузовских выставках.
Публикации. По теме диссертации опубликовано и депонировано свыше 50 печатных и рукописных работ, одна монография и получено 13 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы (189 наименований) и приложения (24 страницы). Материалы диссертации изложены на 460 страницах, содержат 110 страниц иллюстраций (137 рисунков и 57 таблиц. ).