На правах рукописи

Шкарупа Михаил Игоревич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ

И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ

ТИПА ОБОЛОЧЕК ВРАЩЕНИЯ ИЗ

КОНСТРУКЦИОННОЙ КЕРАМИКИ

Специальность 05.02.07 – Технологии и оборудование

механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва – 2011 Диссертационная работа выполнена на кафедре “Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты” в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Российский университет дружбы народов (РУДН)”, г. Москва.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Рогов Владимир Александрович (Российский университет дружбы народов)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Балыков Александр Викторович (Московский государственный технологический университет «СТАНКИН») доктор технических наук, профеcсор Куликов Михаил Юрьевич (Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ))

Ведущая организация: ОАО «ЦКБ Спецрадиоматериалов»

Защита состоится « 17 » января 2012 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.203.16 при ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов» по адресу: 113090, г. Москва, Подольское шоссе, дом 8/5, ауд. 109.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО РУДН по адресу: 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6.

Автореферат разослан « » ноября 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент В.В. Соловьёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В различных областях машиностроения широкое применение в качестве материала для производства изделий находит конструкционная керамика. Всё более широкое использование конструкционной керамики в науке и технике и постоянно возрастающие требования к изделиям на основе этого класса материалов выдвигают проблемы, связанные с оптимизацией технологических процессов их изготовления и обработки. Конструкционная керамика обладает высокой твердостью, износостойкостью, прочностью, повышенной хрупкостью, и, вследствие этого, сложностью обработки. Особое место в ряду деталей из конструкционной керамики занимают ответственные детали, работающие при высоких температурах и трибологических нагрузках.

Большой вклад в изучение процессов шлифования конструкционной керамики, стекла и композиционных материалов внесли А.В. Балыков, В.В. Гусев, Н.В. Никитков, В.П. Бахарев, Л.Ф. Калафатова, Д.Б. Ваксер, В.Н. Старов, З.И. Кремень, В.А. Хрульков, П.И. Ящерицын, В.А. Рогов, Е.И. Суздальцев, М.Ю. Русин. За рубежом (ФРГ, США, Япония) Й. Гетц, Х.Коуши, Р. Херольд, Ц. Русснер.

Одним из важнейших элементов современных скоростных ракет, управляемых методом радиолокационного наведения на цель, является головной радиопрозрачный антенный обтекатель. В настоящее время большинство зенитных ракет, стоящих на вооружении стран НАТО и России, оснащены обтекателями из кварцевой керамики, поэтому кварцевая керамика (SiO2) выбрана как основной материал для исследований по механической и физико-технической обработке в данной работе. Обтекатель имеет форму сложнопрофильной оболочки вращения двойной кривизны.

При механической обработке оболочки возникает ряд технологических проблем:

- появление магистральных трещин на поверхности оболочки;

- быстрый износ шлифовальных кругов;

- низкая производительность шлифования;

- неравномерность сил резания в процессе обработки, что является причиной разрушения заготовки при механической обработке.

Цель работы: повышение комплексной эффективности механической и физико-технической обработки деталей из конструкционной керамики за счёт автоматизированного выбора рациональных режимов резания на примере исследования обработки детали «оболочка вращения двойной кривизны».

1. Провести исследования для установления зависимости факторов режимов шлифования на качество поверхности кварцевой керамики.

2. Разработать математические модели зависимости шероховатости поверхности керамических деталей от режимов механической обработки для основных схем шлифования.

3. Исследовать силовые зависимости и их влияние на процесс обработки оболочек вращения.

4. Разработать математические модели основных параметров эффективности механической обработки деталей из кварцевой конструкционной керамики типа оболочки вращения двойной кривизны.

5. Исследовать экспериментально и при помощи компьютерных моделей характер микроразрушения поверхности конструкционной керамики от действия алмазных зерен абразивного круга на поверхность заготовок.

6. Подготовить рекомендации для выбора наиболее эффективных режимов обработки керамических деталей типа оболочек вращения путём создания специальной программы расчета оптимальных режимов обработки.

7. Провести исследование по влиянию магнетронного напыления покрытий на обработанную поверхность кварцевой керамики с целью блокирования микротрещин в дефектном слое и упрочнения поверхности.

8. Разработать математические модели параметров адгезии и толщины напыляемого покрытия на обработанную поверхность керамических деталей в зависимости от факторов технологического процесса в магнетроне.

Методы исследований.

Математическое и компьютерное моделирование механической обработки, методы статистической обработки результатов, лабораторные методы микроскопических и физико-механических исследований. Выполнение стендовых испытаний. Для сбора данных была разработана система контроля режимов резания. Экспериментальные исследования проводились в производственных условиях с использованием современного оборудования.

Научная новизна.

1. Получены зависимости шероховатости поверхности от основных технологических факторов при плоском и круглом шлифовании кварцевой керамики.

2. Получены математические модели шероховатости поверхности и установлены значимые факторы при плоском и круглом шлифовании керамических деталей для различных способов механической обработки.

3. Установлены зависимости максимально-допустимых сил резания от области работы инструмента при шлифовании керамических оболочек вращения.

4. Получены математические модели для шероховатости поверхности при наружном и внутреннем шлифовании оболочки вращения и выявлены значимые факторы, влияющие на качество поверхности.

5. Получены зависимости в виде математических моделей для стойкости шлифовальных кругов и эффективной мощности шлифования, также установлено оптимальное число опытов для проведения исследований.

6. Установлены области критических напряжений при шлифовании поверхности кварцевой керамики и установлен механизм роста микротрещин в дефектном слое во время абразивной обработки.

7. Проведены исследования по напылению покрытия оксида кремния (SiO2) на поверхность керамических образцов после шлифования и получены математические модели для адгезии и толщины покрытий при магнетронном напылении на обработанные поверхности.

Практическая значимость.

1. Разработана авторская программа «ШлифКер» для расчёта оптимальных режимов шлифования при задании необходимой шероховатости оболочек вращения из кварцевой керамики.

2. Создана система контроля режимов резания (шлифования) в зависимости от мощности шлифования.

3. В результате исследований и внедрения программы расчёта «ШлифКер» разработаны рекомендации для оптимальной настройки станка и режимам шлифования оболочек вращения, позволяющие повысить производительность в 5,5 раза по сравнению с типовым технологическим процессом.

4. Получены положительные результаты при напылении покрытий в магнетроне, позволяющие заращивать и блокировать распространение микротрещин на поверхности керамики без изменения шероховатости.

Личный вклад автора. Основу диссертационной работы составляют результаты экспериментальных исследований, которые выполнены, обработаны и обобщены лично автором или при его непосредственном участии.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на научнопрактических конференциях:

- Всероссийская конференция «Будущее машиностроения России 2009-2011» г. Москва, МГТУ им. Баумана;

- XXI Международная конференция молодых учёных по современным проблемам машиноведения (МИКМУС-2009), г. Москва, Институт машиноведения РАН, 2009 г;

- «Инженерные системы ТЕСИС-2010», г. Москва, РУДН;

- «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов» г. Обнинск 2010 г;

- «Национальная научно-техническая конференция 2011», Иркутская обл., Форум «Инженеры будущего - 2011»;

- «Техника и технологии. Пути инновационного развития 2011», Югозападный государственный университет, г. Курск;

Работа является победителем регионального конкурса молодёжных инновационных научно-технических проектов по программе «У.М.Н.И.К.Получен грант от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Результаты работы внедрены в опытное производство на ФГУП Обнинское научно-производственное предприятие «Технология», НП «Калужский региональный центр наноиндустрии» и ООО «Керамические материалы и технологии».

Публикации. По результатам проведённых исследований опубликована 21 работа, в числе которых 9 работ в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и приложений. Содержит 189 страниц машинописного текста, 67 рисунков, 61 таблицу, библиографию из 146 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе диссертации рассмотрен обзор исследований по основным вопросам механической обработки конструкционной технической керамики. Было установлено, что конструкционную керамику, обладающую высокой твердостью и хрупкостью возможно обрабатывать как механически, так и используя комбинированные методы физикотехнической обработки. Самый распространённый способ обработки – алмазное шлифование, необходимое для удаления технологического припуска и формирования шероховатости поверхности. Для доводки поверхности возможно использование ультразвуковой обработки с применением свободных абразивов. Для резки заготовок возможно также использование гидроабразивной и лазерной обработки. Точение и фрезерование применяются только для необожженной керамики. При механической обработке деталей из конструкционной керамики они могут разрушаться из-за внутренних напряжений, возникающих в процессе обжига керамики или снятия технологического припуска при обработке. Для описания процессов трещинообразования при механической обработке керамических деталей основной теорией является теория Гриффитса-Ирвина.

Влияние режимов шлифования на шероховатость поверхности керамических материалов аналогично тому, что и при шлифовании металлов, т.е. шероховатость уменьшается при малой глубине резания, низкой скорости вращения заготовки и высокой скорости шлифования. В качестве смазочно-охлаждающей технологической среды (СОТС) для обработки деталей из керамики в основном применяется вода.

В литературных источниках отсутствуют данные по режимным характеристикам для обработки сложнопрофильных деталей вращения из кварцевой конструкционной керамики. Отсутствуют зависимости по износу, стойкости алмазных кругов, а также мощности шлифования при обработке деталей из кварцевой конструкционной керамики.

Комплексная эффективность механической обработки керамических заготовок определяется:

- конструкцией оборудования: уровнем автоматизации и скоростью движения инструментов и заготовок, прочностью и жесткостью станка;

- качеством инструментов, эффективностью способов правки или восстановления режущей способности инструментов;

- структурой технологического процесса, то есть количеством операций шлифования и доводки. Объективное исключение хотя бы одной операции из технологии при сохранении качества существенно повышает эффективность обработки;

- оптимизацией режимов механической обработки.

Для оценки эффективности процесса шлифования и качества (работоспособности) шлифовальных инструментов используют различные показатели:

- Производительность процесса обработки, которая определяется объмом снятого материала за единицу времени QM, см3/мин;

- Износ абразивного инструмента, который определяется его расходом за единицу времени Qa, мм3/мин;

- Период стойкости инструмента T, мин;

- Шероховатость обработанной поверхности Ra, мкм.

- Мощность шлифования N, кВт, позволяющая оценить энергозатраты при обработке.

В заключении первой главы уточнена цель работы и сформулированы задачи исследований.

Во второй главе диссертации были исследованы процессы плоского и круглого шлифования конструкционной кварцевой керамики, которая применяется для производства обтекателей ракет. Для построения математических моделей параметра шероховатости поверхности были выбраны самые значимые технологические факторы. Сначала были проведены однофакторные эксперименты по плоскому и круглому шлифованию керамических образцов для определения тенденций изменения шероховатости.

В экспериментах были использованы алмазные круги на металлической связке различных диаметров зернистостью 320/250 мкм для плоскошлифовального станка модели 3Л722В, чашечные алмазные круги и круги из карбида кремния 125 мм зернистостью 120/200 мкм и 160/300 мкм для заточного станка модели 3Е642Е и круг 500 мм зернистостью 250/200 для круглошлифовального станка модели 3У131ВМ. Измерения параметра шероховатости поверхности производились при помощи портативного измерителя шероховатости TR-200.

После проведения полнофакторых экспериментов (ПФЭ) 43, 24 и по методу латинского квадрата 53 в программе MatLab по шлифованию керамических образцов были рассчитаны и получены математические модели шероховатости поверхности в виде следующих уравнений регрессии:

- для плоского шлифования деталей из кварцевой керамики на плоскошлифовальных станках, когда варьируются три технологических фактора (настройки станка):

- для обработки периферией круга на плоскошлифовальных станках, которые имеют возможность фиксации поперечной подачи и продольной скорости стола, когда варьируются четыре технологических фактора (настройки станка):

- для плоского шлифования деталей из кварцевой керамики при обработке торцом карбидного (уравнение 4) и алмазного (уравнение 5) круга для заточных станков:

где Ra – шероховатость поверхности, мкм; vкр – скорость шлифовального круга, м/с; t - глубина резания, мм; sпрод – продольная скорость стола, м/мин; sпоп – поперечная подача, мм/ход.

- для круглого шлифования цилиндрических деталей из кварцевой керамики при обработке периферией круга на универсальных круглошлифовальных станках:

где sпрод – продольная подача, мм/об.

По полученным уравнениям регрессии были построены поверхности отклика при фиксации на верхнем и нижнем уровнях.

Рис.1. Поверхности отклика для уравнения Полученные математические модели дают возможность спрогнозировать значение шероховатости поверхности в зависимости от режимов обработки, а также определить необходимые режимы шлифования. В главе также приведен сравнительный анализ уравнений регрессии в зависимости от материала абразивных кругов и влияния технологических факторов (настроек станка) на шероховатость поверхности. Шлифование без СОТС кварцевой керамики оказалось неэффективно, т.к. произошёл катастрофический износ и засаливание абразивного инструмента.

Шлифование кварцевой керамики эффективно производить алмазным абразивным инструментом, хотя существенной разницы между значениями шероховатости при обработке алмазным или карбидным кругом нет.

Было определено, что во всех случаях шлифования кварцевой керамики при повышении скорости резания значение шероховатости поверхности уменьшается. При повышении глубины шлифования и подачи (продольной или поперечной) значение шероховатости увеличивается.

Изменение продольной скорости (минутной подачи) стола и поперечной подачи шлифовального круга при работе на плоскошлифовальном станке в одинаковой степени влияют на значение шероховатости поверхности. При круглом шлифовании цилиндрических деталей из кварцевой керамики «Ниасит» было доказано, что на значение шероховатости в основном оказывает глубина резания и продольная подача, а частота вращения заготовки влияет незначительно.

В зависимости от требуемого диапазона значений шероховатости возможно подобрать шлифовальный круг определенной зернистости и диаметра и, изменяя технологические режимы настройки станка, получать необходимое значение шероховатости.

Третья глава диссертации посвящена исследованиям эффективности механической обработки керамических деталей типа оболочек вращения двойной кривизны.

Был проведён конечно-элементный расчёт сил резания, действующих на оболочку вращения в процессе её механической обработки в программе ANSYS. Было выявлено, что силы резания действуют на оболочку вращения неравномерно при обработке за один проход. Максимальные критические силы резания, вызывающие разрушение заготовки оболочки при внутреннем и наружном шлифовании заготовки, когда заготовку базируют на двух опорах, независимо от толщины заготовки, возникают в основном на расстоянии 50 мм от торца, т.е. в начале резания.

и наружной – б механической обработки оболочки вращения с приложением сил резания Px, Py и Pz при встречном шлифовании При базировании заготовки оболочки на сплошной опоре картина максимально-допустимых радиальных сил резания отличается, и силы резания меньше, а это значит, что эффективнее применять оснастку сплошного типа. При наружной обработке детали максимально-допустимые радиальные силы резания больше, чем при внутренней обработке. Однако, при финишной обработке детали, установленной на сплошной опоре, разрушающие силы больше, чем при обработке финишного контура детали, установленной на двух опорах. Также на силы резания оказывает существенное влияние пористость заготовки, которая может отличаться на одной заготовке из-за режимов обжига.

На основании полученных силовых расчетов были смоделированы максимальные разрушающие напряжения, перемещения и деформации, возникающих в оболочке вращения в программе Pro Engineer при помощи метода конечных элементов.

Для исследования формирования шероховатости в зависимости от режимов шлифования керамических оболочек вращения были проведены полнофакторные эксперименты (ПФЭ) 25. В проводимом эксперименте использовался ортогональный композиционный план при котором варьировались пять различных технологических факторов на двух уровнях – верхнем и нижнем, т.е. при максимальных и минимальных режимах обработки. Опыты проводились на станке 1М63ЧПУ. В качестве смазочноохлаждающей технологической среды (СОТС) во всех случаях использовалась вода. В качестве режущего инструмента были выбраны алмазные шлифовальные круги зернистостью 250/200 100%-ной концентрации алмазов на металлической бронзовой связке.

Были получены математические модели шероховатости в виде уравнений регрессии и построены поверхности отклика при обработке опытных данных в программе MatLab при шлифовании наружной (уравнение 7) и внутренней (уравнение 8) поверхностей керамической заготовки оболочки вращения:

Рис.3. Поверхности отклика для уравнения Было выявлено, что частота и реверс вращения главного шпинделя, т.е. заготовки оболочки не влияют на значение шероховатости поверхности при наружном шлифовании, т.е. попутная или встречная схема шлифования не влияют на качество поверхности, а при внутреннем шлифовании к этим показателям еще добавляется скорость резания. При увеличении глубины шлифования и продольной подачи шероховатость плавно увеличивается.

Экспериментально было подтверждено формирование магистральных трещин при обработке на режимах верхнего уровня, т.е. на максимальных режимах шлифования оболочек.

Были получены математические модели стойкости шлифовальных кругов в виде уравнений регрессии и по ним построены поверхности отклика на нижнем и верхнем уровне (рис.5). На основании расчётов было выявлено, что количество опытов в многофакторном эксперименте возможно сократить в 2 раза. Это позволяет сэкономить и сократить в 2 раза дорогостоящие алмазные круги при проведении экспериментов по определению износостойкости абразивного инструмента.

где T – стойкость абразивного круга, мин; v – скорость резания, м/с;

s – продольная подача, мм/об; t – глубина резания, мм.

Рис.5. Поверхности отклика для стойкости шлифовального круга при фиксации продольной подачи – а и скорости резания – б Для нахождения эффективной мощности шлифования Nэ при механической обработке была разработана специальная система контроля режимов резания. Измерения токов и напряжений привода шлифовального круга производились при помощи прибора «Энергомонитор-3.2».

Экспериментально было установлено, что увеличение эффективной мощности шлифования зависит от режимов механической обработки оболочек вращения следующим образом: при увеличении продольной подачи и глубины резания мощность возрастает, а при увеличении скорости шлифования уменьшается. Были получены уравнения регрессии и построены поверхности отклика при различном количестве опытов. Было выявлено, что количество опытов в эксперименте можно сократить в два раза, что позволяет сократить время и трудозатраты при проведении исследований.

Математическая модель для эффективной мощности шлифования представлена следующим уравнением регрессии:

Рис.6. Поверхности отклика для мощности шлифования и скорости резания – б на нижнем и верхнем уровне На основании полученных математических моделей для шероховатости поверхности при внутреннем и наружном шлифовании оболочек вращения в среде C++Builder 6.0 была создана авторская программа «ШлифКер» для расчёта оптимальных режимов обработки при наивысшей производительности.

Рис.7. Зависимость производительности от глубины Рис.8. Вид рабочего окна программы «ШлифКер»

В результате расчётов и внедрения полученных режимов обработки в опытное производство производительность обработки оболочек вращения по сравнению с типовым технологическим процессом повысилась в 5, раза, а время на обработку детали сократилось в 5 раз (см. рис.9). Программа расчёта режимов резания «ШлифКер» имеет прикладное значение и может быть использована в серийном производстве.

Рис.9. Повышение общей производительности после внедрения программы расчёта режимов резания «ШлифКер»

Четвёртая глава диссертации посвящена исследованию формирования микротрещин на поверхности керамики после шлифования и магнетронной обработке образцов из кварцевой керамики.

При помощи микроскопических исследований с использованием растрового электронного микроскопа EVO40 Zeiss были определены микротрещины после чистового шлифования в дефектном слое при обработке керамической оболочки вращения. При помощи компьютерной программы Pro Engineer Mechanica был смоделирован механизм разупрочнения дефектного слоя. По методу клина была определена глубина залегания микротрещины и глубина дефектного слоя, который составляет в среднем 13 мкм (рис.12).

На компьютерной модели разрушения поверхности кварцевой анизотропной керамики было определено, что при увеличении нагрузки на единичное алмазное зерно происходит зарождение и ветвление микротрещины вглубь поверхности (рис.10). Также была определена тенденция смещения зоны критических напряжений в глубину дефектного слоя.

Рис.10. Картины полей напряжений и формирования микротрещины в дефектном слое при различной силе резания: а – 400 Н; б – 1200 Н При проведении исследований по напылению оксидных покрытий (SiO2) на поверхность образцов из кварцевой керамики были определены технологических факторов для настройки режимов напыления в магнетроне и после проведения дробного факторного эксперимента (ДФЭ) 28- путем расчёта выявлены факторы, которые влияют на адгезию и толщину покрытия. Для адгезии покрытия это оказались: давление рабочего газа, напряжение смещения, частота коммутации и скважность тока дуального магнетрона.

Для толщины покрытия это оказались: напряжение смещения, частота коммутации и температура подложки. Для определения адгезии оксидных напыляемых покрытий в эксперименте был использован портативный адгезиометр PosiTest AT. Определение толщины напылённого покрытия h проводилось по методике определения оптических характеристик одиночных тонких пленок веществ, нанесенных на прозрачную подложку при помощи спектрофотометра СARRY 300.

Рис.12. Вскрытие микротрещины по методу клина В результате проведенного дробного факторного эксперимента были получены математические модели адгезии и толщины покрытия в виде уравнений регрессии и построены поверхности отклика, на которых видны тенденции изменения данных параметров в зависимости от режимов напыления:

где Adg – адгезия покрытия, Н/см2; P - давление рабочего газа, мБар;

Uсм - напряжение смещения, В; n - частота коммутации дуального магнетрона, кГц; SkI - скважность тока дуального магнетрона.

где h – толщина покрытия, нм; t - температура подложки °C.

В итоге были выбраны оптимальные значения настроек магнетронной напылительной системы.

Рис.13. Поверхности отклика для адгезии покрытия Рис.14. Поверхности отклика для толщины покрытия На микрофотографиях поверхности образца из кварцевой керамики до и после напыления оксидного покрытия видно, что микротрещины были заращены и блокированы.

Рис.15. Микроструктура шлифованного образца из кварцевой керамики до и после шлифования при напылении в магнетроне оксидного покрытия

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Повышена комплексная эффективность механической и физикотехнической обработки керамических деталей за счёт повышения производительности обработки в 5,5 раза и ликвидации микротрещин за счёт применения инновационного способа магнетронного напыления оксидных покрытий на керамическую поверхность после шлифования.

2. Во всех случаях плоского шлифования кварцевой керамики при повышении скорости резания значение шероховатости Ra поверхности уменьшается. При повышении глубины шлифования и подачи (продольной или поперечной) значение шероховатости увеличивается.

3. Максимально-допустимые силы резания при внутреннем и наружном шлифовании оболочки вращения возникают на расстоянии 50 мм от торца детали.

4. Частота и реверс вращения заготовки для оболочки не влияют на значение шероховатости поверхности при её наружном шлифовании, т.е.

попутная или встречная схема шлифования не влияют на шероховатость, а при внутреннем шлифовании к этим показателям ещё добавляется скорость резания. При увеличении глубины шлифования и продольной подачи шероховатость нелинейно увеличивается. Полученные уравнения регрессии позволяют определить тенденции изменения шероховатости поверхности и выбрать оптимальный режим для шлифования наружной и внутренней поверхностей заготовки.

5. Формирование магистральных трещин при обработке происходит на режимах верхнего уровня, т.е. на максимальных режимах шлифования оболочек, поэтому не следует вести обработку на таких режимах. Дефектный слой на поверхности керамики составил 13 мкм.

6. Уравнения регрессии для стойкости шлифовальных кругов от показателей режимов шлифования позволяют найти наиболее приемлемые варианты режимов обработки. Для проведения опытов можно использовать в 2 раза меньше кругов. Это позволяет сэкономить и сократить использование дорогостоящих алмазных кругов при проведении экспериментов по определению износостойкости абразивного инструмента.

7. Увеличение эффективной мощности шлифования Nэ зависит от режимов механической обработки оболочек вращения следующим образом:

при увеличении продольной подачи и глубины резания мощность нелинейно возрастает, а при увеличении скорости шлифования также нелинейно уменьшается. Для проведения опытов можно использовать в 2 раза меньше кругов, что значительно снижает время и трудозатраты в эксперименте.

8. Специальная авторская программа «ШлифКер» для установления оптимальных режимов обработки при наивысшей производительности позволяет просчитать наиболее рациональный вариант режимов за 10 секунд. Значение продольной подачи увеличилось в среднем в 2,5 раза, а глубины резания в 2,1 раза, по сравнению с режимами типового технологического процесса, действующего на производстве. В результате производительность обработки по сравнению с типовым производственным процессом повысилась в 5,5 раза, а время на обработку одной детали сократилось в 5 раз. Программа имеет прикладное значение и может быть использована в серийном производстве.

9. Способ напыления оксидных упрочняющих покрытий на поверхность деталей из конструкционной керамики при помощи магнетронной системы дуального типа эффективен для блокирования и заращивания 100% микротрещин на поверхности керамических деталей после чистового шлифования.

10. Уравнения регрессии и поверхности отклика для адгезии и толщины покрытия позволяют определить тенденции изменения данных параметров в зависимости от изменения режимов напыления и выбрать оптимальные значения настроек магнетронной системы напыления.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Шкарупа М.И. Сравнительный анализ механической обработки сверхтвердых керамических материалов / В.А. Рогов, М.И. Шкарупа, Д.К.

Гришин // Вестник Российского университета дружбы народов. Cерия «Инженерные исследования». – 2008. - № 2. – C. 50-51.

2. Шкарупа М.И. Изучение влияния методов формообразования и кинематики станка на износостойкость абразивного инструмента при обработке стеклокерамики / В.А. Рогов, М.И. Шкарупа // Физика, химия и механика трибосистем: межвузовский сборник научных трудов, выпуск №7. – Иваново: ИвГУ, 2008. – С. 41-46.

3. Шкарупа М.И. Сравнительный анализ механической обработки сверхтвердых материалов / М.И. Шкарупа // Сборник трудов «Бардыгинские чтения, к 100-летию учебного заведения», том 1. – Егорьевск: ЕТИ «Станкин», 2008. – С. 103-108.

4. Шкарупа М.И. Влияние жесткости закрепления инструмента в патроне станка при сверлении стеклокерамики / В.А. Рогов, М.И. Шкарупа // Вестник Российского университета дружбы народов. Cерия «Инженерные исследования». – 2009. - № 2. – C. 52-59.

5. Шкарупа М.И. Сравнительный анализ механической обработки сверхтвердых керамических материалов шлифованием / В.А. Рогов, М.И.

Шкарупа // Технология машиностроения. – 2009. - № 5 (83). – C. 12-16.

6. Шкарупа М.И. Влияние жесткости закрепления инструмента в патроне станка при сверлении отверстий в стеклокерамике / В.А. Рогов, М.И. Шкарупа // Физика, химия и механика трибосистем: межвузовский сборник научных трудов, выпуск №8. – Иваново: ИвГУ, 2009. – С. 149Шкарупа М.И. Исследование свойств материалов на основе карбида кремния / И.Л. Шкарупа, Л.А. Плясункова, М.И. Шкарупа, Д.А.

Климов // Новые огнеупоры. – 2009. - № 6. – C. 27-28.

8. Шкарупа М.И. Современные и перспективные керамические материалы производства ФГУП ОНПП «Технология» / В.В. Викулин, М.Ю.

Русин, Е.И. Суздальцев, Л.И. Горчакова, Е.А. Кораблева, М.И. Шкарупа // Огнеупоры и техническая керамика. – 2009. - № 9. – C. 29-32.

9. Шкарупа М.И. Особенности управления качеством поверхности при механической обработке стеклокерамических изделий / В.А. Рогов, Е.И. Суздальцев, М.И. Шкарупа // Стекло и керамика. – 2009. – № 12. – C.

5-7.

10. Шкарупа М.И. Исследование отклонения инструмента при сверлении керамики / В.А. Рогов, М.И. Шкарупа // Электронный сборник трудов конференции «Будущее машиностроения России – 2009». – М: МГТУ им. Баумана.

11. Шкарупа М.И. Исследование зависимости твердости и шероховатости образцов из кварцевой керамики в зависимости от дефектности поверхности / В.А. Рогов, В.В. Копылов, М.И. Шкарупа, Е.И. Суздальцев // Вестник Российского университета дружбы народов. Cерия «Инженерные исследования». – 2010. - № 3. - C. 25-33.

12. Шкарупа М.И. Исследование твёрдости поверхностного слоя износостойкой конструкционной керамики на основе кварца после механической обработки» / В.А. Рогов, М.И. Шкарупа // Вестник Российского университета дружбы народов. Cерия «Инженерные исследования». – 2011. - № 4. - C. 8-10.

13. Шкарупа М.И. Моделирование процесса механической обработки композитных керамических изделий в нанометровом диапазоне / В.А.

Рогов, М.И. Шкарупа // Cборник материалов XXI Международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС-2009). – М: ИМАШ РАН. – C. 57.

14. Schkarupa M.I. Schneller Schliff lsst der Wrme keine Zeit / Rogow W.A., Schkarupa M.I. // Сборник тезисов международной конференции «Инженерные системы ТЕСИС-2010». – М: РУДН. – C. 134.

15. Шкарупа М.И. Исследование эффективности механической обработки изделий типа оболочек вращения двойной кривизны из конструкционной керамики / В.А. Рогов, М.И. Шкарупа // Тезисы докладов международной конференции «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов». – Обнинск 2010. – С. 129-132.

16. Шкарупа М.И. Исследование твёрдости и дефектности поверхности износостойкой конструкционной керамики на основе кварца после механической обработки / В.А. Рогов, М.И. Шкарупа // Физика, химия и механика трибосистем: межвузовский сборник научных трудов, выпуск № 9. – Иваново: ИвГУ, 2010. – С. 27-32.

17. Шкарупа М.И. Моделирование силовых зависимостей механической обработки оболочек вращения двойной кривизны из хрупких неметаллов / В.А. Рогов, М.И. Шкарупа // Сборник трудов конференции «Будущее машиностроения России – 2010». – М: МГТУ им. Баумана, 2010. – C. 77.

18. Шкарупа М.И. Математическое моделирование магнетронного напыления нанопокрытий на поверхность деталей из конструкционной керамики / В.А. Рогов, М.И. Шкарупа // Сборник трудов конференции «Будущее машиностроения России – 2011». – М: МГТУ им. Баумана, 2011. – C. 280.

19. Шкарупа М.И. Разработка технологии нанесения упрочняющих покрытий на изделия из конструкционной керамики / М.И. Шкарупа // Тезисы докладов итогового заседания регионального конкурса молодёжных инновационных научно-технических проектов по Программе «У.М.Н.И.К.». – Обнинск 2011. – C. 129-132.

20. Шкарупа М.И. Исследования по магнетронному напылению оксидных нанопокрытий на поверхность деталей из кварцевой керамики после механической обработки / В.А. Рогов, О.Ф. Просовский, М.И. Шкарупа // Материалы международной научно-практической конференции «Техника и технологии. Пути инновационного развития». – Курск 2011. – C. 114-119.

21. Шкарупа М.И. Получение математической модели качества поверхности детали типа оболочки вращения из кварцевой керамики / В.А.

Рогов, М.И. Шкарупа // Вестник Российского университета дружбы народов. Cерия «Инженерные исследования». – 2011. - № 3. – C. 68-73.

АННОТАЦИЯ

В диссертации «Повышение эффективности механической и физико-технической обработки деталей типа оболочек вращения из конструкционной керамики» изложены основные сведения о механической обработке конструкционной керамики на основе оксида кремния SiO2.

Получены математические модели шероховатости для плоского и круглого шлифования керамических деталей. Определены зависимости шероховатости поверхности деталей от режимов обработки. Рассчитаны максимально-допустимые силы резания при обработке оболочек. Получены математические модели стойкости абразивных кругов и эффективной мощности шлифования при обработке оболочек вращения. Разработана система контроля режимов резания. Разработана и внедрена в опытное производство программа расчёта режимов резания «ШлифКер», позволяющая повысить производительность в 5,5 раза и сократить время на обработку в 5 раз. Исследован механизм формирования микротрещин. Предложен и апробирован способ магнетронного напыления покрытий на детали после финишной обработки, позволяющий блокировать 100% микротрещин.

Получены математические модели адгезии и толщины покрытия.

ABSTRACT

The basic information on machining of SiO2-based structural ceramics is presented in the thesis «The increase of efficiency of mechanical and physicotechnical treatment of rotary shell type components from structural ceramics». The mathematical models of the surface roughness for flat and circular grinding of ceramic components were obtained. The dependence of surface roughness on the modes of component treatment was determined. The maximum allowable cutting force during the shell treatment was calculated. The mathematical models of abrasive disk life and useful efficiency of grinding in rotary shell treatment were obtained. The system of cutting conditions control was developed. The program of cutting conditions calculation which made it possible to increase the productivity 5.5 times and to reduce the time of treatment by a factor of 5 was developed and introduced into pilot production. The mechanism of microcracks formation was studied. The method of magnetron deposition of coatings on the components after finishing treatment enabling the arrest of 100% of cracks was proposed and tested. The mathematical models of coating adhesion and thickness were also obtained.