Сідорко Володимир Ігорович. Наукові основи процесів фінішної алмазно-абразивної обробки природного та синтетичного каменю : Сидорко Владимир Игоревич. Научные основы процессов финишной алмазно-абразивной обработки природного и синтетического камня Sidorko Volodymyr Ihorovych. Scientific bases of processes of finishing diamond-abrasive processing of natural and synthetic stone

summary

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, наведені мета і задачі дослідження, викладені наукова новизна і практичне значення одержаних результатів та надана загальна характеристика дисертації.
У першому розділі наведено результати аналітичного огляду інформаційних джерел з питань формування поверхонь виробів з природного і синтетичного каменю та інших неметалевих матеріалів при фінішній алмазно-абразивній обробці. Розглянуто особливості, переваги і недоліки відомих теорій і концепцій та результати досліджень механізму видалення оброблюваного матеріалу при алмазно-абразивній обробці неметалевих матеріалів.
Процеси фінішної алмазно-абразивної обробки, як правило, супроводжуються переносом маси матеріалу взаємодіючих поверхонь виробу та інструмента. Відомі спроби розглянути процес видалення оброблюваного матеріалу як явище переносу (Кім В.О., Хейфец М.Л., Якубов Ф.Я.), однак дотепер не існує загально прийнятої концепції його видалення при фінішній обробці ПСК. Кластерна модель зносу кремнеземвміщуючих матеріалів при поліруванні (Рогов В.В., Філатов Ю.Д.) не є універсальною. Статистичний зміст характеристичної швидкості, що входить у рівняння зносу, і відомі методи її розрахунку та експериментального визначення (Коуцький Дж., Матушек М., Озеров К.П.) не дозволяють використовувати кластерну модель для аналізу процесів ТАШ, НТАШ та полірування ПСК.
При механічному впливі на поверхню виробу процес утворення частинок шламу визначений як стохастичний. Функції розподілу частинок шламу за розмірами і площами поверхні вивчені для багатьох матеріалів і операцій фінішної обробки (Бурман Л.Л., Нікітін Ю.І., Філатов Ю.Д., Цеснек Л.С.). Спроби статистичного аналізу процесу утворення частинок оброблюваного матеріалу не призвели до створення загально прийнятої моделі, що повно описує закономірності процесів фінішної обробки ПСК. Вивченню впливу технологічних і конструктивних параметрів, властивостей матеріалу виробу, інструмента і МОТС, теплових факторів на ефективність і якість обробки неметалевих матеріалів присвячена значна кількість робіт (Альтшуллер В.М., Бакка М.Т., Баранов П.М., Добровольський Г.Г., Калафатова Л.П., Накаяма М., Новіков М.В., Рогов В.В., Сємібратов М.М., Синкенкес Дж., Смирнов А.Г., Філатов Ю.Д., Усов А. В., Цеснек Л.С., Komanduri, D.A. Lucca, Y. Tani). Однак у проаналізованих працях багаті за представництвом теоретичні й експериментальні дані не мають узагальнення і фрагментарно спрямовані на рішення окремих важливих завдань. Питання про відмінність і подібність процесів шліфування й полірування з фізичної точки зору є дискусійним. Результати досліджень взаємодії поверхонь інструмента й виробу в процесах фінішної обробки ПСК здебільшого не включають кінетичних характеристик формування їх поверхневих шарів і утворення продуктів зносу (частинок шламу та частинок зносу інструмента) і нальоту, зміни форми контактуючих поверхонь, глибини зруйнованого шару, шорсткості і дефектності.
Для контролю якості оброблених поверхонь оптичних виробів при фінішній обробці широко використовують параметри шорсткості, відбивну здатність, еліпсометричні параметри, оптичні константи й колориметричні характеристики (Поперенко Л.В., Топорець А.С., Федорович В.А.). Відомостей про зв’язок і взаємозалежність зазначених параметрів в аналізованих літературних і патентних джерелах явно недостатньо для розробки нових, ефективних методик комплексної оцінки й контролю якості поверхонь виробів із ПСК. Існуючі методики розрахунку зносу й еволюції форми інструмента, що базуються на законі Престона та широко застосовуються для аналізу впливу кінематичних параметрів процесу обробки на рівномірність зносу інструмента й точність формоутворення оброблюваних поверхонь (Павленко І.І., Рогов В.В., Сємібратов М.М., Сохань С.В., Філатов Ю.Д.), не враховують впливу на них конструкції робочого шару інструмента. Відомі аналітичні залежності, що описують характер зносу інструмента, не враховують коефіцієнт заповнення його поверхні робочим шаром.
Методи розрахунку інтенсивності видалення оброблюваного матеріалу і зносу інструмента різніться для ТАШ, НТАШ і полірування ПСК, оскільки базуються на припущеннях і наближеннях, правомірних для конкретних умов обробки певних матеріалів. Розробка інструментів для фінішної алмазно-абразивної обробки ПСК з різними характеристиками і конструкціями традиційно базується на емпіричних даних та виробничому досвіді спеціалістів.
Недостатньо вивчені механізми утворення зруйнованого шару при фінішній алмазно-абразивній обробці виробів з різнорідних ПСК та особливо синтезованих матеріалів. Наявні емпіричні дані стосуються більше оцінки співвідношення між глибинами рельєфного й тріщинуватого шарів та їх залежності від розмірів (зернистості) абразивних зерен і висоти їх виступання зі зв’язки інструмента.
У другому розділі розглянуті методи та обладнання, метрологічне забезпечення проведення дослідів. Описані показники, що досліджуються, методи та засоби їх визначення. Для вирішення поставлених в роботі завдань використовували як відомі, так і ряд спеціально розроблених методик досліджень.
В роботі використані ПСК (будівельне та виробне каміння, керамічні граніти, декоративні ситали, кам’яне лиття, вулканічне та технічне скло, кристали) з відносною оброблюваністю Kо = 0,2-2,0. Їх обробку здійснювали шляхом тонкого та надтонкого алмазного шліфування інструментами з алмазного порошку зернистістю від 80/63 до 10/7. Полірування виконували інструментами на основі полірувальних порошків оксиду алюмінію, двооксиду церію і ультрадисперсного алмаза та зв’язуючого на основі ПЕТФ і кремнійорганічних сполук, що забезпечували якість обробленої поверхні, яка характеризується параметром шорсткості Ra 0,01-0,03. ТАШ, НТАШ і полірування виробів з ПСК виконували на типовому обладнанні, яке широко використовується в каменеобробній промисловості (верстати радіально-консольного типу, мостові шліфувально-полірувальні верстати, шліфувально-полірувальні верстати типу ШП).
Як показники ефективності фінішної алмазно-абразивної обробки ПСК використовували: продуктивність (кг/с, м3/с або м/с) обробки, безрозмірну величина інтенсивності зносу та швидкість (м/с) зносу робочого шару інструмента, параметри шорсткості Ra, Rz, Rmax (мкм) та глибину (мкм) зруйнованого шару оброблених поверхонь, безрозмірний коефіцієнт рівномірності зносу робочого шару інструмента, коефіцієнти (%) та спектри відбиття та розсіяння світла обробленою поверхнею, характеристику ідіохроматичного забарвлення (відношення спектрів розсіювання світла обробленої й еталонної поверхнями) оброблюваного матеріалу, еліпсометричні параметри(град) – різницю фаз Д і співвідношення амплітуд компонентів поляризованого світла, відбитого від контрольованих поверхонь.
Для дослідження спектроскопічних характеристик матеріалів і полірувальних інструментів застосовували спектрометр «Specord-M-80», хімічного складу оброблюваних матеріалів, стану поверхонь виробу і робочого шару інструмента – растровий електронний мікроскоп «CamSkan-4DV» з системою для рентгеноспектрального аналізу «Link-860». Дисперсійний аналіз алмазних і полірувальних порошків здійснювали на установках SEISHIN LMS-30 та «Dialnspect OSM». Для контролю оброблених поверхонь виробів з ПСК використовували профілометри «Talysurf 5M-120» та «Perthometer Concept». Відбивну здатність оброблених поверхонь оцінювали за спектрами відбиття («Specord-M-80») і коефіцієнтом відбиття світла на довжині хвилі 530 нм (установка на базі лазера ІАГ-Nd3+, точність вимірювань 2 %). Оцінку ідіохроматичного забарвлення оброблюваного матеріалу здійснювали за спектрами розсіювання світла у видимому діапазоні (на довжинах хвиль 400-680 нм, точність вимірювань до 3 %). Для дослідження стану поверхонь виробу і робочого шару інструмента та нальоту на них використовували методи оптичної, електронної й атомно-силової мікроскопії.
Еліпсометричні параметри поверхонь досліджуваних зразків ПСК, що виготовляли на різних стадіях їх фінішної обробки, визначали за допомогою еліпсометра мод. ЛЭФ-3М при сталому значенні кута падіння (70о ) лазерного променя (довжина хвилі – 632,8 нм) на поверхню зразка. Еліпсометричні in situ дослідження поверхневого шару прозорих матеріалів в процесі їх фінішної обробки здійснювали за допомогою макета шліфувально-полірувального верстата, оснащеного лазерним еліпсометром.
У третьому розділі запропоновано й обґрунтовано модель утворення та видалення частинок шламу оброблюваного матеріалу і формування високоякісної поверхні виробу при фінішній алмазно-абразивній обробці ПСК. Основу моделі становлять наступні положення. В результаті силової дії інструмента на поверхню виробу утворюються частинки шламу, що рухаються в об’ємі контактної зони. Видалення оброблюваного матеріалу представляється як масоперенос частинками шламу. Виникнення та поширення дефектів і ушкоджень у поверхневому шарі виробу обумовлені видаленням частинок шламу і переміщенням границі розділу інструмент-оброблювана поверхня.