Калафатова Людмила Павлівна. Технологічні основи підвищення ефективності обробки та забезпечення якості виробів із технічних стекол і ситалів

brief description

Калафатова Людмила Павлівна. Технологічні основи підвищення ефективності обробки та забезпечення якості виробів із технічних стекол і ситалів : Дис... д-ра наук: 05.02.08 - 2002.

Калафатова Л.П.Технологічні основи підвищення ефективності обробки та забезпечення якості виробів із технічних стекол і ситалів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - технологія машинобудування. - Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2001.
Дисертація присвячена створенню технологічних основ підвищення ефективності обробки та забезпечення високої якості виробів із технічних стекол і ситалів шляхом обгрунтування раціональних умов їх обробки: схем і режимів шліфування, характеристик інструментів, властивостей технологічних середовищ, послідовності обробки, які дають можливість комплексного технологічного керування дефектністю поверхні, що формується, на кожній стадії механічної обробки за рахунок зміни рівня силового впливу при різанні. Вперше розроблені і досліджені: математична модель утворення дефектності поверхні, яка формується при шліфуванні; розвиток дефектного шару оброблюваної поверхні за допомогою комп'ютерно-математичного моделювання напружено-деформованого стану зони різання; можливості впливу поверхнево-активних технологічних середовищ на формування необхідних якісних показників поверхневого шару виробу; методика розрахунку раціональних міжопераційних припусків, яка базується на встановлених параметрах дефектності поверхні, що формується, з урахуванням технологічної спадковості.
Обгрунтовані вихідні положення проектування раціональних технологічних процесів (ТП) механічної обробки виробів із технічних стекол і ситалів, які забезпечують мінімальну вартість їх обробки. Розроблені і впроваджені на виробництві технічні рекомендації щодо ефективної обробки виробів.

У дисертації надане теоретичне узагальнення і вирішення актуальної і великої науково-технічної проблеми, що полягає в комплексному технологічному керуванні дефектністю поверхні, що формується при різанні, встановленні зв'язків і залежностей, розробці математичних моделей розвитку дефектності при варіації умов обробки та з урахуванням технологічної спадковості, які використовувалися для створення технологічних основ ефективної обробки і забезпечення якості виробів із технічних стекол і ситалів, що має важливе народногосподарське значення.

Загальний підхід до вирішення сформульованих завдань здійснений на основі використання уявлень про технологію виготовлення великогабаритних виробів із технічних стекол і ситалів як про складну ієрархічну систему, яку характеризує сукупність технологічних перетворень від стадії одержання заготовки, її механічної обробки та до операції зміцнення виробу. У ролі критерію, що використовується для оцінки ефективності технологічних перетворень, прийнята технологічна собівартість виробу.
Зниження собівартості обробки досягається за рахунок обгрунтування раціональних значень міжопераційних припусків, величина яких визначається глибиною дефектного шару, що сформувався на попередній операції. Принцип керування параметрами дефектного шару полягає у направленій зміні енергетичних витрат на реалізацію процесів диспергування ОМ під час різання при варіації вхідних параметрів технологічного процесу обробки: схеми шліфування; властивостей оброблюваного матеріалу; характеристик інструменту; режимів обробки; типу вживаної ТС. Тому проектування ефективних ТП неможливе без розробки технологічних основ підвищення ефективності обробки (зниження технологічної собівартості) і забезпечення якості виробів із технічних стекол і ситалів за рахунок вибору раціональних умов процесу різання.
Розроблена концепція виникнення і розвитку дефектності поверхні, що формується при обробці стекол і ситалів. Дефектність оцінюється імовірністю утворення та кількістю тріщин-дефектів, які розвинулися в ОМ при його взаємодії із ріжучим інструментом. Початок процесу дефектоутворення відповідає моменту перевищення рівня напруженості в ОМ, викликаної процесом впливу абразивного зерна на оброблювану поверхню над відповідними характеристиками міцності матеріалу. У ролі параметрів напруженого стану ОМ, що зіставляються, прийняті діюче навантаження від зусиль різання на зерні, яке залежить від розмірів зерна й абсолютної твердості матеріалу за Герцем і умовно названо питомим навантаженням на зерно, а також навантаження, що пошкоджує (руйнує), яке визначається межею міцності ОМ при випробуваннях ОМ із мікрокрихкості.

Для схеми пружного торцевого шліфування одержана математична залежність питомого навантаження на зерно, що виникає при взаємодії абразивного інструменту з оброблюваною поверхнею для різних рівнів заглиблення інструменту, яка враховує дві категорії факторів - експлуатаційно-технологічні характеристики інструменту і фізико-механічні властивості ОМ. Розроблена математична модель утворення дефектності поверхні, що формується при шліфуванні, а також запропонована методика розрахунку імовірності випадкового процесу утворення дефектів і числа дефектів на одиниці обробленої поверхні зразка (виробу).

Дослідження імовірності розвитку дефектності для конкретних умов алмазного шліфування ситалів показало, що інтенсивність дефектоутворення визначається рівнем напружено-деформованого стану ОМ, який залежить від умов шліфування, пов’язаних з фізико-механічними властивостями ОМ, характеристиками інструменту і з технологічною спадковістю попередніх операцій.

Розроблені комп'ютерно-математичні моделі НДС виробів - зразків при їх шліфуванні, що грунтуються на методах кінцевих і граничних елементів. При розробці моделей використані положення імовірнісної механіки руйнування, а також враховані фактори процесу шліфування, які зумовлюють зміну рівня силового впливу на ОМ. Визначені відносні оцінки НДС зони різання в умовах моделювання процесу шліфування на його різних стадіях - від вивчення руйнування ОМ одиничним зерном-індентором (плоска задача) до дослідження цього процесу при взаємодії тривимірного зразка з абразивним інструментом при реалізації конкретних схем обробки.
Запропонована оригінальна методика прогнозування інтенсивності розвитку дефектного шару залежно від рівня НДС зони різання, який визначається за допомогою розробленого принципу комп'ютерно-математичного моделювання. Використання методики призводить до зниження витратності процесу проектування раціональних ТП обробки виробів із технічних стекол і ситалів, у тому числі, за рахунок обгрунтування вибору схеми шліфування.

Методика апробована в дослідно-промислових умовах при розробці раціональної схеми внутрішнього шліфування тонкостінних великогабаритних виробів складної просторової форми з ситалів. Запропонований варіант схеми за рахунок сприятливого перерозподілу зусиль різання дозволив у порівнянні зі схемою, що традиційно застосовується на виробництві, знизити рівень НДС зони обробки в 1.3 - 1.4 рази при пропорційному зменшенні глибини проникнення дефектного шару та підвищенні середньої міцності виробу на 20%.

Теоретично обгрунтована можливість зміни енергоємкості процесів різання скломатеріалів та, як наслідок, регулювання рівня дефектності поверхні, що формується, при використанні поверхнево-активних ТС за рахунок знеміцнення під їх впливом ОМ, яке пов'язане з проявом адсорбційного ефекту зниження міцності твердих тіл. Встановлений комплекс фізико-механічних властивостей, які забезпечують підвищену диспергуючу спроможність середовищ. З орієнтацією на них рекомендовані технологічні середовища, призначені для операцій попереднього формоутворення виробів із технічних стекол і ситалів (точіння, чорнового та напівчистового шліфування), а також для полірування технічних стекол і кришталю.

8. Із допомогою розроблених комп'ютерно - математичних моделей розвитку дефектності поверхні, що формується, досліджено ступінь впливу технологічних середовищ різної міри активності на енергоємкість процесу диспергування ОМ із наступним прогнозом оцінки імовірної його дефектності. Теоретичні результати підтверджені експериментами та практикою. Так, застосування рекомендованих високоактивних ТС дозволяє знизити енергоємкість процесу різання від 15% до 40%, зменшивши глибину проникнення розвиненого дефектного шару вдвічі при зниженні середніх розмірів одиничних дефектів у 1,6 - 2,2 рази. Розроблений спосіб приготування полірувальної суспензії, яку відрізняють підвищені технологічні та експлуатаційні характеристики, забезпечує підвищення її полірувальної спроможності в 1,15 - 1,25 разу у порівнянні з кращими складами, що рекомендуються.
9. Теоретично обгрунтовані та експериментально підтверджені шляхи забезпечення якості виробів із технічних стекол і ситалів при мінімізації витрат на обробку, що базуються на принципі зниження енергоємкості процесів диспергування ОМ під час різання, що досягається за рахунок вибору раціональних вхідних технологічних параметрів процесу обробки. До технологічних факторів, які підвищують рівень силового впливу на оброблювану поверхню та ініціюють несприятливий розвиток дефектного шару, в першу чергу, відносяться: підвищення номінального тиску в зоні різання (пов'язане зі схемою обробки, інтенсивними режимами процесу різання - насамперед за значенням подач і глибини різання, з низькими поверхнево-активними властивостями ТС); збільшення зернистості абразивних кругів; низький рівень ріжучої здатності інструменту.
Одержані експериментально-теоретичним шляхом відомості про глибину і структуру порушеного обробкою шару, що формується на різних стадіях механічної обробки технічних стекол і ситалів, які відрізняються характеристиками інструменту, режимами обробки з урахуванням технологічної спадковості робочого впливу інструменту, є основою для проектування раціональних технологічних процесів обробки виробів із цих матеріалів.
10. Розроблена методика розрахунку міжопераційних припусків при обробці виробів із технічних стекол і ситалів, яка додатково враховує особливості фізико-механічних характеристик ОМ і технологічну спадковість від операції одержання заготовки до операції зміцнення виробу, що базується на таких положеннях. На проміжній стадії формоутворення відсутня необхідність повного вилучення порушеного шару, який залишився в ОМ після попередньої обробки. Величину припуску, пов'язану з глибиною дефектного шару, що утворився раніше і знімається на даному переході, доцільно призначати, виходячи з рівності розмірів дефекту, що вноситься, і вже внесеного в матеріал на попередній операції. Це дозволяє суттєво зменшити величину міжопераційних припусків, скоротивши час і технологічну собівартість операцій обробки виробів.
11. Сформована база даних, що містить відомості про параметри дефектності технічних стекол і ситалів для різних умов обробки. Складені номограми для визначення параметрів дефектного шару. Їх використання дозволяє призначати раціональні режими обробки і розраховувати значення міжопераційних припусків, виходячи з відомостей про трансформацію параметрів дефектності від операції до операції. Видані рекомендації щодо організації ефективних ТП обробки виробів типу конструкцій із технічних стекол і ситалів.
12. На підставі виконаних досліджень розроблені нові ефективні ТП обробки виробів із технічних стекол і ситалів, впровадження яких на виробництві дозволило у порівнянні з базовим варіантом зменшити трудоємкість обробки на 20 - 30% при підвищенні виходу придатної продукції на 15%, скоротити видатки алмазного інструменту на 20 - 30%, що забезпечило зниження технологічної собівартості обробки виробів на 25% при високій якості продукції.