Наукові основи формоутворення прецизійних керамічних виробів спрямованою зміною швидкісно-силових параметрів процесу алмазного доведення

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ І РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

На основі проведених досліджень запропоновано нове рішення науково-технічної проблеми формоутворення прецизійних виробів з кераміки й штучного сапфіру шляхом спрямованої зміни швидкісно-силових параметрів процесу їх алмазного доведення, суть якого розкрита на прикладі процесу доведення прецизійних виробів типу усічена куля із забезпеченням їх сферичності менше 1 мкм, і яке поширюється на процеси алмазної обробки за методом вільного притирання плоских, асферичних, деяких фасонних поверхонь.

Основні науково-практичні результати виконаної дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Вперше поставлена й вирішена чисельним методом 3-вимірна контактна задача процесу алмазного доведення прецизійних виробів типу усічена куля з кераміки й сапфіру з урахуванням взаємного впливу змінюваної геометрії контакту, кінематики і динаміки процесу доведення, через дію тертя й абразивного зношування тіл.

2. Розроблено чисельно-аналітичну модель процесу алмазного доведення виробів типу усічена куля з кераміки й сапфіру, яка враховує взаємний вплив змінюваних факторів процесу доведення. Це дозволило виявити і експериментально підтвердити основні закономірності формоутворення прецизійних виробів в умовах спрямованої зміни швидкісно-силових параметрів процесу їх доведення.

3. Вперше отримані такі аналітичні вираження складових векторів швидкості ковзання поверхонь, що притираються, які дозволяють встановити напрямок векторів сил різання в кільцевій зоні притирання, і дослідити умови входження алмазних зерен у зону притирання.

4. Вперше показано, що спрямованою зміною швидкісних параметрів процесу доведення, а саме: збільшенням передатного відношення в діапазоні 0,5…1,0 забезпечується вирівнювання швидкості зняття припуску по профілю виробу.

5. Вперше показано також, що при переміщенні притира уздовж виробу з рівномірною швидкістю подачі вирівнювання швидкостей алмазних зерен на зовнішній і внутрішній крайках притиру досягається при квадратичній залежності передатного відношення швидкостей обертання притира і виробу від кута ? перетинання осей притира й виробу з максимальним значенням при наближенні до ? = 35?.

При переміщенні притира уздовж виробу зі змінною швидкістю подачі, але при постійному передатному відношенні ?, вирівнювання швидкостей алмазних зерен на зовнішній і внутрішній крайках притиру досягається при змінюванні швидкості подачі за гармонійним законом, близьким до синусоїдального, і з максимальним значенням швидкості подачі при наближенні до ? = 35?, а мінімальних - при наближенні до ? = 1? і ? = 80?.

6. Досліджено закономірності процесу алмазного доведення виробу типу усічена куля з кераміки, основними з яких є наступні:

- в процесі доведення виробу типу усічена куля з Al2O3- і ZrO2-кераміки алмазною пастою марки АСМ зі зменшенням зернистості пасти від 28/20 до 7/5 розподілення швидкості зняття припуску по профілю виробу змінюється від такого, що забезпечує переважне зняття припуску на периферії виробу до такого, що забезпечує переважне зняття припуску на її вершині, й приводить до зниження продуктивності процесу;

- швидкість притирання лінійно зростає в 1,9 рази зі збільшенням кутової швидкості виробу з 66,0 до 130,9 с-1 й в 1,4 рази зі збільшенням співвідношення швидкостей зношування притира й зняття припуску з виробу з 0,1 до 0,5;

- для всіх досліджених рівнів варіювання кутової швидкості виробу залежність швидкості зняття припуску з виробу від площі зони притирання має екстремум - точку мінімуму, обумовлену існуванням оптимального поєднання розмірних характеристик контакту з погляду зносостійкості притиру.

7. Показано, що особливістю кінетики притирання поверхонь є, по-перше, поступове монотонне дроблення від стадії до стадії ділянок профілю виробу, що перебувають у контакті зі сполученою поверхнею притиру, і, по-друге, також поступове наближення поточного розподілення швидкості лінійного зняття матеріалу по профілю виробу до отриманого експериментально.

8. Вперше встановлено, що спрямованою зміною силових параметрів процесу доведення, а саме: додатковим силовим навантаженням зони притирання спеціально створюваним моментом сили притискання притиру, забезпечується вирівнювання розподілення швидкості лінійного зняття припуску по профілю виробу.

Встановлено також, що залежність швидкості лінійного зняття припуску від змінювання моменту сили притискання притиру має практично лінійний характер по нормалі до осі виробу й нелінійний (як і швидкості об'ємного зняття припуску) - вдовж осі виробу. При цьому положення екстремуму залежить від зернистості алмазної пасти й величини моменту сили притискання притиру.

9. Отримані експериментальні й теоретичні результати дозволили розробити прогресивні способи алмазного доведення й технологічний процес фінішної алмазної обробки сферичної поверхні ортопедичних голівок ендопротезів суглобів з кераміки й штучного сапфіру із забезпеченням сферичності 0,5-1,0 мкм і шорсткості поверхні Rа 0,03...0,01 мкм, для реалізації якого на універсальному обладнанні розроблена технологічна інструкція й технологічні рекомендації.

10. Низка способів абразивної обробки, напрацьованих принципів спрямованої зміни швидкісно-силових параметрів процесу алмазного доведення ортопедичних голівок з кераміки, штучного сапфіру для ендопротезів суглобів застосовано для проектування фірмою BAROSZ GWIMET (Польща) у співробітництві з ІНМ НАН України й Краківським технічним університетом обробного центра, на якому послідовно реалізуються операція попереднього формоутворення голівок трубчастим алмазним інструментом і наступна операція фінішної алмазної обробки в кілька переходів.

ЛІТЕРАТУРА

1. Сохань С. В. Особенности финишной алмазно-абразивной обработки сферических поверхностей деталей из керамики / Сверхтвердые материалы, получение и применение: Монография в 6 томах / Под общ. ред. Н.В. Новикова. - Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля, 2006 / Том 4: Инструменты и технологические процессы в прецизионной финишной обработке / Под общ. ред. В. В. Рогова. - Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля, ИПЦ “АЛКОН” НАНУ, 2006. - С. 100-108.

2. Особенности алмазной доводки торцевых уплотнений из карбида кремния // Орап А. А., Стахнив Н. Е., Сохань С. В., Сенченко Е. В. // Сверхтв. материалы. - 1995. - №1. - С.56-61.

3. Сохань С. В. Расчетные зависимости контактной задачи применительно к алмазной доводке керамических шаровых головок // Сверхтв. материалы. - 1997. - №5. - С.34-42.

4. Сохань С. В. О поле скорости резания при абразивной обработке шарообразных деталей // Сверхтв. материалы. - 1999. - №5. - С. 49-56.

5. Сохань С. В. О траекториях зерен при абразивной обработке деталей шарообразной формы // Сверхтв. материалы. - 2000. - №3. - С. 51-61.

6. Сохань С. В. О кинематике инструмента при алмазной доводке керамических головок из оксида алюминия // Сверхтв. материалы. - 2000. - №4. - С.49-56.

7. Сохань С. В. Условия нагружения притира при алмазно-абразивной доводке деталей шарообразной формы//Сверхтв.материалы.- 2001.- №4.- С. 55-62.

8. Сохань С. В. Особенности алмазно-абразивной обработки шарообразных деталей из керамики // Сверхтв. материалы. - 2001. - №6. - С. 69-75.

9. Сохань С. В. Саморегулювання швидкості обертання інструмента під час фінішної алмазної обробки деталей кульоподібної форми // Вісник Житомирського держ. тех. ун-ту. Серія: Технічні науки. - 2001. - Вип.16. - С. 75-81.

10. Сохань С. В. Расчет износа притира при алмазной доводке деталей шарообразной формы // Сверхтвердые материалы. - 2002. - №3. - С.64-74.

11. Сохань С. В. Моделирование кинетики притирки поверхностей при доводке шарообразной керамической детали // Сучасні процеси механічної обробки інструментами з НТМ та якість поверхні деталей машин: Зб. наук. праць. Серія Г: Процеси механічної обробки, верстати та інструменти // НАН України. ІНМ ім. В. М. Бакуля. - Київ, 2003. - С.150-156.

12. Сохань С. В., Розенберг О. А. Влияние конструктивных характеристик на показатели абразивной доводки шарообразных деталей // Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація: Зб. наук. пр. Кіровоградського держ. тех. ун-ту. - Кіровоград, 2003. - Вип.12. - С. 296-301.

13. Розенберг О. А., Сохань С. В. Особенности стабилизации работы съема припуска при абразивной доводке шарообразных поверхностей деталей // Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація: Зб. наук. пр. Кіровоградського держ. тех. ун-ту. - Кіровоград, 2003. - Вип.13. - С. 3-8.

14. Сохань С. В. Закономерности алмазно-абразивной доводки сферической поверхности керамических деталей // Сверхтв. материалы. - 2004. - №3. - С. 64-83.

15. Сохань С. В. Моделирование кинетики алмазно-абразивной доводки шаровой поверхности керамической детали // Високі технології в машинобуду-ванні: Зб. наук. пр. Нац. тех. ун-ту "Харківський політехнічний інститут" (НТУ "ХПІ"). - Харків, 2004. - Вип.1(8) - С. 145-150.

16. Научные подходы к разработке эндопротезов суставов из современных керамических материалов // Розенберг О. А., Возный В. В., Сохань С. В., Гавлик Й., Немчевска М., Риневич А. // Високі технології в машинобудуванні: Зб. наук. пр. НТУ "ХПІ". - Харків, 2004. - Вип.2(9) - С. 183-194.

17. Розенберг О. А., Сохань С. В., Пузырёв А. Л. Влияние материала притира на производительность алмазной доводки керамических материалов медицинского назначения // Сверхтв. материалы. - 2005. - №5. - С. 71-78.

18. Трибологические свойства сапфира применительно к использованию в эндопротезах тазобедренного сустава // Новиков Н. В., Розенберг О. А., Возный В. В., Сохань С. В. // Високі технології в машинобудуванні: Зб. наук. пр. НТУ "ХПІ". - Харків, 2005. - Вип. 2(11) - С.336-347.

19. Сохань С. В. Теория кинематически подвижного притира для алмазной доводки усеченных сферических объектов из керамики // Резание и инструмент в технологических системах: Зб. наук. пр. НТУ "ХПІ". - Харків, 2005. - Вип.69 - С. 275-286.

20. Розенберг О. А., Сохань С. В., Пузырёв А. Л. Выравнивание съема припуска при алмазной доводки деталей типа "усеченный шар" из керамики // Вісник Сумського держ. ун-ту: Технічні науки. - 2005. - №11(83). - С.135-139.

21. Сохань С. В. Расчет съема материала при алмазной доводке шарообразной детали из керамики // Сучасні процеси механічної обробки інструментами з НТМ та якість поверхні деталей машин: Зб. наук. пр. Серія Г: Процеси механічної обробки, верстати та інструменти // НАН України. ІНМ ім. В. М. Бакуля. - Київ, 2006. - С.136-144.

22. Пат. № 61729 А Україна, 7 B 24 B 11/10. Спосіб обробки сферичних поверхонь та пристрій для його реалізації. М. В. Новіков, О. О. Розенберг, С. В. Сохань. Заявл. 09.04.2003; Опубл.17.11.2003, Промислова власність, Бюл. №11.

23. Пат. № 61730 А Україна, 7 B 24 B 11/10. Спосіб обробки сферичних поверхонь та пристрій для його реалізації. С. В. Сохань. Заявл. 09.04.2003; Опубл. 17.11.2003, Промислова власність, Бюл. №11.

24. Пат. № 61731 А Україна, 7 B 24 B 11/10. Спосіб обробки сферичних поверхонь та пристрій для його реалізації. О. О. Розенберг, С. В. Сохань. Заявл. 09.04.2003; Опубл. 17.11.2003, Промислова власність, Бюл. №11.

25. Пат. № 61732 А Україна, 7 B 24 B 11/10. Спосіб обробки сферичних поверхонь та пристрій для його реалізації. О. О. Розенберг, С. В. Сохань. Заявл. 09.04.2003; Опубл. 17.11.2003, Промислова власність, Бюл. №11.

26. Пат. № 61734 А Україна, 7 B 24 B 11/10. Спосіб обробки сферичних поверхонь та пристрій для його реалізації. О. О. Розенберг, С. В. Сохань. Заявл. 09.04.2003; Опубл. 04.02.2004, Промислова власність, Бюл. №2.

27. European patent application EP 1 563 953 A1, 7 B 24 B 11/10. The way of machining of spherical surfaces and the device for its realization. A. Mamalis, N. V. Novikov, O. A. Rozenberg, S. V. Sokhan. Заявл. 10.10.2003; Опубл. 17.08.2005, Bulletin 2005/33.

28. Заявка № Р - 380348 на пат. Польщі. Спосіб та пристрій для фінішної обробки випуклих сферичних поверхонь, зокрема керамічних голівок ендопротезів тазостегнових суглобів. Rozenberg O., Novikov N., Sokhan S., Voznyj S., Gawlik J., Cieciak S., Zajac M. Заявл. 31.07.2007.

29. Сохань С. В. Моделирование процесса обработки шарового эндопротеза из биокерамики // РМ-97: Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии: Сб. тез. докл. - Киев, ИПМ им. И. Н. Францевича, 1997. - С.21.

30. Sokhan S. Simulation for surfacing of spherical ceramic implantants // The 8th International DAAAM Symposium, Dubrovnik, Croatia, 1997, p.321.

31. Fomchenko V., Lashneva V., Sokhan S. Research on producing and surfacing of ceramic prostheses in clinical application // Forum on new materials “CIMTEC'98”, Faenza, Italy, Section S-XI-2.

32. Лашнева В. В., Крючков Ю. Н., Сохань С. В. Биокерамика на основе оксида алюминия // Стекло и керамика, Москва. - 1998. - №11. - С.26-29.

33. Сохань С. В. О кинематике зерен при доводке деталей шарообразной формы связанным абразивом//Вестник машиностроения.- 2001.- №4.- С.52-55.

34. Сохань С. В. Саморегулирование процесса финишной алмазно-абразивной обработки деталей шарообразной формы // Сверхтвердые инструментальные материалы на рубеже тысячелетий: получение, свойства, применение: Материалы Межд. конф. - Киев, ИСМ им. В. Н. Бакуля, 2001. - С.189-191.

35. Rozenberg O. A., Voznyy V. V., Sokhan S. V. Recent news of manufacture hip joint prostheses: problems and solutions // Innovative Superhard materials and Sustainable Coatings for Advanced Manufacturing, NATO Science Series, II. Matematics, Physics and Chemistry - Vol.200, pp.281-293 Proceeding of the NATO Advanced Research Workshop on Innovative Superhard Materials and Sustainable Coatings, Kiev, Ukraine, 12-15 May 2004.

36. Сохань С. В. Закономерности притирки поверхностей при алмазной доводке керамической детали шарообразной формы // Вестник машиностроения. - 2005. - №1. - С. 60-66.

37. Сохань С. В. Технология алмазной прецизионной обработки керамических головок эндопротезов суставов // Технологии механической обработки материалов: Сб. науч. тр. Серия: Процессы механической обработки, станки и инструменты // Отв. ред. Н. В. Новиков; НАН Украины. Ин-т сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля. - К.: 2006. - С.104-112.

38. Trends and developments in the manufacturing of hip joints: an overview // Rozenberg O. A., Voznyy V. V., Sokhan S. V., Mamalis A. G., Gawlik J., Kim D. - J. // Int J Adv Manuf Technol (2006) 27: p. 537-542.

Размещено на Allbest.ru