Алмазная доводка керамических шаров из карбида бора

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ТЕХНОЛОГИИ»

Сохань С. В., Майстренко А. Л., Боримский А. И., Сороченко В. Г.,
Возный В. В., Гаманюк М. П., Зубанев Е. Н.,
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля,

Экспериментально исследовано влияние режима обработки на процесс алмазной доводки керамических шаров из карбида бора, который характеризуют такие показатели, как скорость съёма припуска и скорость уменьшения/увеличения отклонения от сферичности поверхности шаров, а также разноразмерность диаметров шаров в партии. Установлено, что указанные показатели могут изменяться как в сторону возрастания, так и в сторону снижения в зависимости от значения параметров режима обработки: силы прижима доводочного диска, времени доводки шаров между подачей алмазной суспензии и основы алмазной суспензии (масло И-20 А или вода)

Во многих отраслях промышленности эксплуатируются в значительном количестве подшипники качения, насосы, гидромоторы и другие механизмы, ресурс и надежность работы которых определяется в основном работоспособностью и качеством изготовления деталей типа «шар». Шары в настоящее время изготавливают преимущественно из стали, и они относительно быстро отказывают в условиях высоких нагрузок, температур, а также интенсивного абразивного, коррозионного, химического и других видов износа. Замена стальных шаров на керамические позволяет во многих случаях достичь более высоких эксплуатационных показателей и расширить функциональные возможности устройств, в которых они используются. Так, в гибридных шарикоподшипниках сочетаются преимущества керамических тел качения с высоким качеством отделки поверхности стальных колец, что позволяет обеспечить более длительный срок службы и лучшие рабочие характеристики при высоких скоростях вращения (рис. 1).

В 1990-х годах ведущие исследовательские организации НАН Украины внесли значительный вклад в создание эффективных керамических и композиционных материалов, в частности на основе карбида бора, а также технологий изготовления из них прецизионных изделий типа «шар» (рис. 2), которые работают в тяжелых условиях эксплуатации, к примеру, в запорной арматуре. Как известно, карбид бора является третьим по твердости материалом после алмаза и кубического нитрида бора, относится к одному из самых инертных химических соединений, обладает высокой твердостью, прочностью и уникальной износостойкостью в условиях воздействия агрессивных сред и абразивного износа.

Рис. 1. Сравнение характеристик 

гибридных и стальных

шарикоподшипников

Наиболее сложным при изготовлении керамических (гибридных) подшипников качения является технологический процесс изготовления шаров. Эксплуатационные свойства подшипников зависят, прежде всего, от состояния их рабочих поверхностей, которое определяется точностью изготовления, шероховатостью и микроструктурой. Требования к точности и качеству изготовления прецизионных керамических шаров большого диаметра чрезвычайно высоки. Согласно стандарту ISO3290–2:2014 для прецизионных керамических шаров степени точности G40 (диаметром до 50 мм) отклонение диаметра шара ≤1,0 мкм, отклонения от сферичности ≤1,0 мкм, разноразмерность диаметров шаров в партии ≤2,0 мкм, качество изготовления шаров по параметру Ra шероховатости поверхности ≤ 0,06.

Указанные требования обеспечиваются алмазно-абразивной групповой обработкой в ​​несколько стадий. Групповая обработка шаров между вращающимися дисками является наиболее универсальной операцией производства шаров и по настоящее время привлекает внимание исследователей. В отличие от элеваторной обработки стальных шариков с их перемешиванием, которую используют при массовом производстве шарикоподшипников, керамические шары при доводке катятся по дорожкам нижнего диска без их перемешивания. При этом количество одновременно обрабатываемых шаров ограничено их размещением на дорожках нижнего диска. Главный недостаток существующих технологий обработки керамических шаров между вращающимися дисками — низкая производительность.

Процесс алмазной доводки керамических изделий, в том числе из карбида бора, как хрупкого неметаллического материала, в корне отличается от процесса абразивной доводки металлов. Во время алмазной обработки изделий из карбида бора имеют место упруго-пластическая деформация без разрушения, диспергирование материала припуска при пластической деформации и хрупкое разрушение со скалыванием частиц. Вероятность тех или иных механизмов разрушения материала определяется как его физико-механическими свойствами (табл. 1), так и нагрузкой на зерна абразива (в зависимости от режима обработки). Характерным результатом снятия припуска при абразивной обработке керамического материала являются боковые сколы и вырывание кластеров из поверхностного слоя, проявляющиеся в виде ячеек разрушения, которые больше всего влияют на формирование шероховатости поверхностного слоя.

Учитывая указанные особенности алмазной доводки керамических шаров, целью исследования было установить тенденции изменения показателей процесса доводки под влиянием режима обработки. При этом показателями процесса были скорость уменьшения диаметра шара, скорость изменения формы поверхности шара и разноразмерность диаметров шаров в партии.

Методика исследований

Исследование проводили на модернизированном доводочном станке мод. 3 Е‑814, в котором для равномерного размещения обрабатываемых шаров использовали сепаратор, установленный между верхним и нижним доводочными дисками (рис. 3). Верхний диск станка не вращается, но самоустанавливается на обрабатываемых шарах в результате силового замыкания. Частота вращения нижнего диска составляла 30 об./мин. В одной загрузке обрабатывали 15 шаров. Использовали суспензию алмазного микропорошка АСМ зернистостью 28/20.

Рис. 2. Керамические заготовки после спекания и готовые шары

Рис. 3. Модернизированный доводочный станок мод. 3 Е‑814 (а) и его рабочая зона с сепаратором (б)

Исследовали влияние таких параметров режима обработки, как сила прижима доводочного диска Рд, время доводки шаров между подачами алмазной суспензии tо и основа алмазной суспензии (масло или вода), на скорость съема припуска vd = ∆d/t (скорость уменьшения диаметра шара), скорость изменения формы поверхности шаров vd = d/t (скорость уменьшения или увеличения отклонения от сферичности) и разноразмерность диаметров шаров в партии ∆dп. Указанные показатели процесса рассчитывали после непосредственного измерения на каждом шаре его диаметра и отклонения от сферичности по ходу проведения каждого опыта.

Измерение диаметра шара проводили на длинномере вертикального типа модели ИЗВ‑2 с ценой деления шкалы измерения 1 мкм. Диаметр шара измеряли в 3‑х взаимно перпендикулярных направлениях, причем исходное направление выбирали произвольно. На основе измерений рассчитывали средний диаметр каждого шара, средний диаметр и разноразмерность диаметров шаров в партии до проведения первого и после проведения очередного опыта.

Измерение отклонения от сферичности поверхности шаров проводили индикатором часового типа МИГ‑1 с ценой деления шкалы измерений 1 мкм, закрепленным на магнитном штативе. Измеряемый шар располагали на базовом кольце, имеющем внешнюю и внутреннюю фаски, чтобы максимально приблизиться к условиям контакта шара и кольца по окружности. Базовый диаметр кольца выбирали как диаметр окружности, вписанной в равносторонний треугольник, который в свою очередь является вписанным в окружность с максимальным диаметром шара. Проворачивая шар на базовом кольце, находили разность между максимальным и минимальным показаниями индикатора, которую принимали за отклонение от сферичности поверхности шара. На основе результатов измерений рассчитывали среднее отклонение от сферичности на каждом шара и среднее отклонение в партии до проведения первого и после проведения очередного опыта.

Для определения тенденций изменения показателей доводки под влиянием режима обработки был выбран полный факторный эксперимент типа 23. План эксперимента предусматривал варьирование всех факторов на двух уровнях: силы прижима доводочного диска Рд — на уровнях 100 и 200 Н, времени доводки шаров между подачами суспензии tо — на уровнях 30 и 60 мин., в качестве основы алмазной суспензии использовали масло И‑20 А и воду. Время проведения каждого опыта составляло 6 часов.

По полученным результатам опытов строили линейную модель зависимости каждого показателя процесса от варьируемых факторов с учетом взаимодействия последних в виде

у = b0 + b1x1 + … + bkхk + bk+1х1х2 + … + b2kхk–1хk,

коэффициенты которой рассчитываются по формулам:

 

 Результаты исследований

Для расчета средних значений показателей процесса доводки согласно принятой методике измеряли диаметр шаров и отклонения от сферичности поверхности шаров, а результаты измерений статистически обрабатывали согласно рекомендациям. Среди них с доверительной вероятностью 0,95 не найдены результаты, которые были бы резко отличны от других. То есть проверка по критерию Кохрена дисперсий выборок измерений на 15 шарах по каждому из 8‑ми проведенных опытов показала, что они являются однородными.

В табл. 2 приведены расчетные величины скорости съема припуска, скорости изменения формы поверхности шаров, разноразмерности диаметров шаров в партии в 8‑ми проведенных опытах. По приведенным результатам построены линейные модели зависимости каждого показателя процесса от варьируемых факторов с учетом взаимодействия последних.

200

Поскольку показатели процесса доводки vd и vd являются расчетными величинами, получаемыми каждый раз на основе измерения указанных в методике геометрических характеристик, дисперсии воспроизводимости для этих показателей рассчитывали следующим образом. В каждом опыте рассчитывали соответственно усредненную дисперсию выборок диаметра шара или отклонения от сферичности ее поверхности в текущем опыте и приводили их размерность к размерности расчетной величины (то есть мкм/час):

 , 

где k = 6 × 103, а для дисперсии воспроизводимости разно­раз­мерности диаметров шаров в партии ∆dп учитывали разницу в порядках измеренной и расчетной величин коэффициентом k = 103. Средневзвешенная дисперсия рассчитана как усредненная дисперсия выборок в 8‑ми проведенных опытах (табл. 3).

Статистическую значимость коэффициентов уравнений регрессии проверяли по критерию Стьюдента при условии выполнения неравенства:

где  — среднеквадратическое отклонение коэф­фициентов;  — табличное значение критерия Стьюдента при p = 95 % и числе степеней свободы f = N(m – 1). Если неравенство выполняется, то коэффициент значимо отличается от нуля. Проверка показала, что статистически значимыми являются: для показателя vd — 6 коэффициентов (b1, b2, b3, b4, b5 и b6) из 7, показателя vd — 6 коэффициентов (b2, b3, b4, b5, b6 и b7) и показателя ∆dп — 7 коэффициентов.

Для проверки адекватности полученных уравнений регрессии по критерию Фишера сначала рассчитали дисперсию адекватности результатов расчета по модели результатам экспериментов (см. табл. 3):

 

где  — результат расчета величины по модели, l — число значимых коэффициентов уравнений регрессии. Уравнения регрессии адекватны экспериментальным результатам, если выполняется условие:

,

где  — табличное значение критерию Фишера для p = 0,05 и чисел степеней свободы fад = (N – l), fвоспр = N (m – 1).

Поскольку для полученных уравнений регрессии с учетом статистически значимыми коэффициентов вышеприведенное условие по критерию Фишера выполняется, сделан вывод об адекватности уравнений регрессии экспериментальным результатам.

Построенные модели показателей процесса доводки приобретают вид:

vd = 1,805 + 0,059x1 + 0,727x2 + 0,386x3+ 0,231x1x2 + 0,032x1x3+ 0,256x2x3;

vd = 0,062–0,065x2 + 0,010x30,073x1x2–0,009x1x3 + 0,064x2x3 + 0,067x1x2x3;

∆dп = 20,375 + 5,375x1–2,125x2–8,125x30,625x1x2–5,625x1x3+1,375x2x3 + 1,375x1x2x3.

На основе полученных моделей построены графики функций vd (Рд, tо), vd (Рд, tо) и ∆dп (Рд, tо) (рис. 4).

Обсуждение результатов

Как видно из графиков на рис. 4, табл. 4, тенденция уменьшения отклонения от сферичности (которую оценивали по отрицательным значениям показателя vd) связана с одновременным повышением в пределах исследуемого диапазона силы прижима доводочного диска Рд(до 200 Н) и времени доводки шаров между подачами алмазной суспензии tо (до 60 мин.) и использованием масляной основы алмазной суспензии. Такой режим обработки обеспечит изменение vd в диапазоне (–0,01…–0,208) мкм/час и максимальную производительность процесса. Однако при этом растет разноразмерность диаметров шаров в партии.

Для снижения разноразмерности диаметров шаров в партии эффективным будет повышение в пределах исследуемого диапазона времени доводки шаров между подачами алмазной суспензии tо — до 60 мин. при условии минимального значения силы прижима (100 Н) и любой основе алмазной суспензии (лучше — водной).

Поскольку целью процесса алмазной доводки шаров является в первую очередь снижение отклонения от сферичности и уменьшение разноразмерности диаметров шаров в партии и только во вторую очередь приемлемая производительность процесса, в зависимости от того, какой показатель vdили ∆dп требует уменьшения, и следует подходить к выбору режимных параметров обработки.

Выводы

В результате выполненных исследований определены наиболее эффективные в пределах изученного диапазона сочетания параметров режимов обработки керамических шаров из карбида бора для уменьшения их отклонения от сферичности и разноразмерности в партии.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.