Актуальність. Шліфування, будучи для багатьох деталей завершальною технологічною операцією, яка покликана забезпечити істотне підвищення експлуатаційних властивостей за рахунок високої точності та незначної шорсткості оброблених поверхонь супроводжується високотемпературним впливом, що інколи приводить до появи припалів і обумовленного ними браку виробів в наслідок утворення тріщин.

Зниження браку при шліфуванні магнітотвердих матеріалів, підвищення експлуатаційних властивостей виробів з цих матеріалів є важливою народно-господарською задачею, рішення якої забезпечує значну економію матеріальних ресурсів, трудомісткості і собівартості виготовлення деталей.

Метою цієї роботи є розробка теорії і нормативних рекомендацій по технологічних засобах істотного зниження шліфувальних тріщин при обробці деталей з магнітотвердих матеріалів і сплавів, поверхневий шар яких має спадкові дефекти структурного або технологічного походження.

В роботі вирішені наступні задачі.

У вступі відображена важливість проблеми, її народно-господарське значення, актуальність питань, яким присвячена дисертація, поставлена мета роботи, сформульовані основні положення, що виносяться на захист, і стисло викладений зміст роботи.

У першому розділі, що має допоміжний характер, наведено огляд літератури за станом розглядуваної проблеми. Операції шліфування застосовують для виготовлення виробів, до робочих поверхонь яких висуваються підвищені вимоги по точності, шорсткості, покликані істотно впливати на їх експлуатаційні властивості. До таких виробів відносяться деталі із зносостійкими покриттями, висококоерцитивні магніти типу ЮНДКТ, що використаються в сучасних електричних машинах, приладах, апаратах.

Специфічною особливістю операції шліфування є виділення великої кількості теплоти, основна частина якої сприймається деталлю, що обробляється, і викликає на окремих її ділянках структурні зміни - припали. Для великої групи металів і сплавів з низькими механічними властивостями, що не піддаються структурним перетворенням в процесі обробки, при шліфуванні характерним браком є дефекти типу тріщин, які істотно знижуються експлуатаційні властивості виробів.

Характер і інтенсивність тріщиноутворення значною мірою визначається теплофізичними властивостями матеріалів, що обробляються, їх структурою, спадкоємністю попередніх технологічних операцій, режимами шліфування, а також характеристиками застосовуваних шліфувальних кругів. При експлуатації деталей, поверхневий шар яких містить шліфувальні тріщини, руйнування виробів відбувається у місцях їх скупчення.

Тому задача визначення технологічних умов бездефектного шліфування і управління якістю поверхневого шару виробів з матеріалів, схильних до тріщино - і сколоутворення є актуальною. Це обумовлює необхідність вивчення механізму формування шліфувальних дефектів.

У другому розділі розглядається аналіз масштабних схем взаємодії круга з поверхнею, що обробляється. Показано, що кривизна круга і деталі в межах зони контакту несуттєво впливає на геометричну схему взаємодії круга з деталлю. Тому при створенні розрахункової схеми припускаємо, що деталь являє собою напівплощину.

Розрахункова схема до задачі визначення термомеханічного стану при шліфуванні виробів з крихких матеріалів, в поверхневому шарі яких є неоднорідності типу включень і тріщин, наведена на мал. 1.

Мал. 1 Розрахункова схема для визначення термомеханічного стану при шліфуванні деталей із крихких матеріалів з періодичною системою гострокінцевих дефектів.

Система рівнянь, що визначає тепловий і напружений стан, що - деформованої оброблюваної поверхні деталей при шліфуванні, включає в себе:

а) рівняння нестаціонарної теплопровідності:

; (1)

б) рівняння пружності Ламе в переміщеннях:

(2)

(3) в) початкові умови:

Т (x, y, 0) =0; (4)

г) граничні умови для температурних і деформаційних кіл:

|y| < a; (5)

|y| > a; (6) (7)

д) умови розривності рішення:

На включеннях: На трещіноподібних дефектах

< >=0; < > 0; < >=0; < > 0;

< V >=0; < > 0; <>=0; < V> 0; (8)

Наявність в поверхневому шарі шліфованих виробів концентраторів напружень, до яких відносяться різноманітного роду дефекти, що привнесенні в процесі отримання заготовки і наступних видів обробки, принципово ускладнюють дослідження причин тріщиноутворення. Тому при визначенні гранично рівноважного стану шару, що деформується поверхнево, в класичні критерії міцності необхідно підставити значення компонент напружень і деформацій у вершині концентратора. Такий підхід використовується в механіці руйнування, де формулюються нові критерії міцності, що є певними інваріантами водночас як в моделях механіки суцільного середовища, так і в моделях, що враховують структурні особливості матеріалу. Для нашого випадку використаний критерій силового підходу, пов'язаний з використанням поняття коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН). В найбільш загальному випадку розподіл деформацій в околиці т.0 контура тріщиноподібного дефекту представляється у вигляді суперпозиції 3-х приватних деформацій, відповідних трьом основним виглядам зміщення поверхонь тріщини: нормального відриву (1), поперечного (2) і поздовжнього (3) зрушень.

Коефіцієнти інтенсивності напружень К1, К2, К3 служать мірою сингулярності напружень біля вершини тріщиноподібного дефекту. Критичне значення інтенсивності напружень К є характеристикою матеріалу. Коли нагруження приводить до того, що інтенсивність напружень стає рівною критичній, то тріщиноподібний дефект перетворюється в магістральну тріщину. Критична напруга обернено пропорційно квадратному кореню з початкової довжини тріщиноподібного дефекту:

де 2l - початкова довжина тріщиноподібного дефекту.

Дослідження кінетики руйнування модельних матеріалів на заключних стадіях деформування при статичному розтязі гладких зразків, а також з концентраторами напружень дозволили отримати повні діаграми деформування, причому спадні ділянки цих діаграм відповідають окремим стадіям руйнування.

В третьому розділі проводиться аналіз отриманих результатів, що відображають особливості кинетики руйнування на етапах, які передують утворенню макротріщини. Вони можуть бути використані в якості вхідних фізичних передумов при створенні аналітичних моделей, що адекватно що описують процес зародження тріщини.

Дослідження впливу технологічної спадковості на процес тріщиноутворення при шліфуванні магнітотвердих сплавів проводилося на основі отриманих критеріїв, що відображають особливості засобів плавки, режимів ТО, ТМО і при цьому морфології формування самих сплавів.

Аналіз структури технологічного процесу виготовлення магнітів є важливим етапом в виявленні резервів підвищення виходу придатних магнітів на операції остаточного шліфування, оскільки основні дефекти - тріщино - і сколоутворення виникають саме при остаточній обробці даних магнітів.

Домінуючими технологічними параметрами, що впливають на тріщиностійкість і контактну температуру, є глибина шліфування і характеристики круга.

На основі побудованої моделі вивчений механізм виникнення шліфувальних тріщин з позицій впливу геометрії і фізичних властивостей '-фази і її орієнтації по відношенню до направлення шліфування даних магнітів в висококоерцетивном стані.

Вивчення закономірності впливу інтенсивності теплового потоку, швидкості і часу дії теплового джерела на глибину і характер структурних перетворень безпосередньо при шліфуванні викликає значні труднощі, так як при вивченні одного з елементів режимів різання водночас змінюються декілька параметрів теплового процесу. В зв'язку з цим, представляється більш доцільним вивчати закономірності структурних перетворень, що виникають в результаті шліфування, при моделюванні їх лазерами, які дозволяють автономно змінювати кожний з параметрів теплового процесу.

Розрахунок температури для випадку одновимірної задачі, коли температура в будь-якій точці нижче площини z=0, на якій діє плоске джерело тепла на протязі деякого часу , може здійснюватися згідно наступній формулі:

T=. (9)

Звідси швидкість охолодження металу після закінчення дії теплового імпульса:

(10)

Розробка технологічних критеріїв для управління процесом бездефектного шліфування здійснена на базі встановлених функціональних зв'язків між фізико-механічними властивостями оброблюваних матеріалів і основними технологічними параметрами.

Якість оброблених поверхонь буде забезпечено, якщо за допомогою керуючих технологічних параметрів підібрати такі режими обробки, МОР і характеристики інструмента, щоб поточні значення температури шліфування Т (х, у,) і теплового потоку q (у,), напружень і сил шліфування Р, Р, коефіцієнта інтенсивності К не переважали своїх граничних значень, при яких гарантується належна якість поверхневого шару.

Реалізація системи нерівностей, що обмежують по величинах як саму температуру, так і глибину її розповсюдження, у вигляді:

Т (х, у,) =, (11) Т ([h], 0,)

=, (12)

(13)

, (14)

дозволяє уникнути утворення шліфувальних припалів і може стати основою для проектування процесів шліфування по тепловому критерію.

Обробку матеріалів і сплавів без шліфувальних тріщин можна забезпечити, якщо обмежити граничними значеннями що формуються в зоні інтенсивного охолодження напруги:

(15)

У випадку домінуючого впливу спадкової неоднорідності на інтенсивність утворення шліфувальних тріщин необхідно користуватися критеріями, в структуру яких входять зв'язки,що детермінувалися технологічними параметрами і властивостями самих неоднорідностей. В якості таких можна використати обмеження коефіціента інтенсивності напружень:

, (16)

або забезпечення з допомогою технологічних параметрів граничного значення теплового потоку, при якому зберігається рівновага структурних дефектів:

(17)

Умови бездефектного шліфування можна реалізувати, використовуючи вірогідну інформацію про структуру обробленого матеріалу. Так, в випадку переважаючого характеру структурних недосконалостей довжиною 2l, їх регулярним розташуванням відносно зони контакту інструмента з деталлю, можна в якості критеріального співвідношення використати умови рівноваги дефектів у вигляді:

(18)

В цій формулі технологічна частина пов'язує величини контактної температури T з умовами шліфування.

Наведені нерівності дають ув'язку граничних характеристик температурного і силового полів з управляючими технологічними параметрами. Вони задають область поєднань технологічних параметрів (режимів, МОР, характеристик кругів), що задовольнять термомеханічні критерії процесу, що з властивостями матеріалу і гарантують забезпечення належної якості виробу.

На основі отриманих критеріальних співвідношень побудований алгоритм забезпечення якості поверхневого шару деталей при шліфуванні з врахуванням максимальної продуктивності обробки.

Розроблено принципову схему облаштування автоматичної стабілізації температури шліфування і якісних характеристик шліфованих деталей (мал.2).

На відміну від відомих приладів схема, що пропонується, містить: 8-канальний 32-розрядний перетворювач з 32-розрядним драйвером, приєднуваний до паралельного порта. Крім того, є ще одна дуже важлива перевага для користувачів: всі керуючі функції об'єднані в DLL (Dynamic Link Libraries) і драйверів VxD так, що окрім загальнодоступних мов (наприклад, С++) до перетворювача можна звертатися з Excel (або з Word). Таким чином, не володіючи навиками програмування можна безпосередньо в програму електронних таблиць вводити складні вимірювальні процеси, легко і просто їх виконувати і відразу представляти в графічному вигляді.

При управлінні процесом шліфування інформація по глибині припалу, величині тимчасових напружень, про структурно-напружений стан поверхневого шару деталі, поточне значення сил різання, контактну і імпульсну температури, напруження, значення коефіцієнта тріщиностійкості в зоні шліфування надходять з виходів відповідних давачів в логічний блок вибору параметру управління і через відповідні ланцюги комп'ютера відповідні команди надходять на виконавчі органи верстату, де і відпрацьовуються граничні значення контрольованих величин.

тріщина сплав деталь шліфувальна

Загальні висновки