Малодефектная ультразвуковая обработка деталей навигационных приборов из неоднородных по структуре твердых, хрупких материалов

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621.9.048.7

Н.В. Бекренев, И.В. Злобина, А.П. Петровский

МАЛОДЕФЕКТНАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ НАВИГАЦИОННЫХ ПРИБОРОВ ИЗ НЕОДНОРОДНЫХ ПО СТРУКТУРЕ ТВЕРДЫХ, ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований ультразвуковой размерной обработки твердых хрупких материалов: керамики, кварцевого стекла, ситалла. Определены условия и режимы формообразования поверхностей в указанных материалах с минимальной шероховатостью и трещиноватым слоем. Доказана перспективность применения ультразвука для малодефектной технологии обработки хрупких материалов, использующихся в приборостроении, в частности - средств навигации.

Навигационные приборы, алмазно-абразивная обработка, ультразвук, трещины, шероховатость, поверхностный слой

N.V. Bekrenev, I.V. Zlobina, A.P. Petrovsky

LOW-DEFECTIVE ULTRASONIC PROCESSING OF DETAILS TO NAVIGATION DEVICES FROM THE HETEROGENEOUS SOLID AND FRAGILE MATERIALS

The research results refer the theoretical and pilot studies of ultrasonic dimensional processing of solid fragile materials including ceramics, quartz glass and poly-crystalline glass. The authors defined the conditions and the modes for shaping the surfaces in the given materials with the minimum roughness and a jointed layer. The ultrasound has significant perspectives in the low-defective technology to be used for processing fragile materials utilized in instrument making, particularly navigation tools.

Navigation devices, diamond and abrasive processing, ultrasound, cracks, roughness,

blanket

Для современного приборостроения, в частности создания средств навигации и контроля параметров движения летательных аппаратов характерно широкое применение изделий, основанных на использовании различных физических эффектов: лазерных и волоконно-оптических гироскопов, твердотельных вибрационных гироскопов, кварцевых датчиков ускорений и др. Основные элементы таких изделий изготавливаются из высокотвердых, но в тоже время хрупких, материалов (кварц, ситалл, керамика). Подобные материалы применяются также в электрофизическом оборудовании и элементах термически нагруженных изделий авиационной техники, в частности - двигателях [1-3]. Особенности функционирования приборов, основанных на использовании физических явлений, предопределяют жесткие требования к точности и качеству обработки поверхностей деталей и их внутренней структуре. Погрешность формы не превышает 0,5 мкм, шероховатость - 0,04 мкм по параметру Rz и менее, глубина распространения трещиноватого слоя не более 5 мкм. При этом детали содержат пазы сложной формы или отверстия малого диаметра (2-1,5 мм), или в целом характеризуются совокупностью криволинейных поверхностей и тонкими стенками, в которых формируются внутренние напряжения, способные вызвать разрушение изделия. Традиционно обработка хрупких материалов осуществляется алмазным шлифованием свободным или связанным абразивом с последующей многостадийной полировкой для удаления протяженных трещиноватых слоев, образовавшихся на первых операциях [4]. Данный факт существенно снижает производительность, кроме того данные процессы не являются универсальными, поскольку не позволяют обрабатывать криволинейные поверхности и пазы особенно малых размеров, что характерно для современных и перспективных приборов. Одним из эф-

фективных процессов обработки таких изделий является ультразвуковая размерная обработка [5-7]. Однако, сущность данного процесса, заключающаяся в массовых микровыколах поверхности совершающими высокочастотные колебания абразивными или алмазными зернами, определяет формирование под обработанной поверхностью охрупченного слоя микротрещин, что уменьшает возможности использования данной технологии применительно к изготовлению описанных выше изделий.

Целью наших исследований явилось изыскание схем и параметров ультразвуковой обработки, обеспечивающих снижение протяженности нарушенного подповерхностного слоя твердых хрупких материалов при сохранении высокой производительности удаления материала.

Используя теорию усталостного разрушения материалов можно обосновать возможность размерной ультразвуковой обработки с малыми амплитудами воздействия, не приводящими к образованию значительных трещин в структуре. В этом случае необходимо учитывать циклическое нагруже-ние некоторого объема материала с числом циклов, определяемых частотой ультразвуковых колебаний и временем воздействия. В расчетах необходимо использовать предел усталостной прочности при симметричном цикле нагружения, равный для хрупких материалов [8]:

а_х =

При циклическом нагружении эквивалентные напряжения в материале равны:

аэ = о

э ттыэ

где ЫБ = 107-109 - базовое число циклов нагружения, Ыэ - эквивалентное число циклов нагружения, От - величина действующей нагрузки, т - показатель степени, обычно равный 8.

При ультразвуковой обработке можно принять величину нагрузки равной величине динамической силы [5]:

От = Рд = О,7бр0,бв А''6

где РН - нормальная статическая нагрузка, Ат - максимальное значение амплитуды ультразвуковых колебаний.

Можно принять оэ = о-1 для определения условий усталостного разрушения материала. Известно [8], что эквивалентное число циклов нагружения связано с величиной действующей нагрузки, временем ее действия и числом нагружений в единицу времени соотношением:

_60

От V ¿=1

где и - время действия данной нагрузки, щ - число циклов воздействия данной нагрузки в единицу времени.

В нашем случае число нагружений в единицу времени соответствует частоте ультразвуковых колебаний инструмента, т.е. п =/. В этом случае с учетом (3) можно переписать (4) следующим образом:

о,7бр£,ббАГ

Ы

Если в выражении (1) заменить предел прочности на предел выносливости и приять, что глубина трещин не распространяется далее поверхности, то минимальная амплитуда ультразвуковых колебаний инструмента может быть определена следующим образом:

А

Е

где е - протяженность трещиноватого слоя, Е - модуль упругости обрабатываемого материала.

Подставив (5) и (б) в (2), можно получить после некоторых преобразований выражение, позволяющее определить частоту ультразвукового воздействия инструмента, обеспечивающую ультразвуковую обработку с минимальными амплитудами воздействия, ограниченными требованиями к параметрам нарушения поверхностного слоя:

\9,5б"

Ыэ = о/п

(10

I = -

7 _ 109 ] 0,7бРн0'66| J

0,76Р0,66[ ^

р

Видно, что для осуществления эффективного процесса ультразвуковой обработки необходимо выбирать для каждого типа кристаллического материала вполне определенную частоту колебаний инструмента, которая зависит от следующих параметров:

- физико-механических свойств материала;

- структуры;

- размеров изделия;

- силы статического воздействия инструмента.

В этом случае будет происходить отделение микрообъемов, определяемых величиной малых деформаций, вызванных меньшими амплитудами. Увеличение частот выше определенного теоретического уровня по-видимому нежелательно, поскольку, как известно [5], высокочастотные генераторы ультразвука и излучатели имеют меньший КПД, а чрезмерные циклы нагружений могут вызвать ускоренный износ зерен абразива, что снизит интенсивность съема.

Экспериментальную проверку высказанных выше положений производили на ультразвуковой установке, имеющий пьезоэлектрический преобразователь, ультразвуковой генератор УЗГИ-1-2.5, задающий генератор ГЗ-ЗЗ. Обрабатывали образцы из кварцевого стекла КУ-1, ситалла марки СО-115, имеющего кристаллическую структуру со стеклофазой, керамики КП-1 и с плазмонапыленным покрытием WC. Производили индентирование и обработку алмазным порошком марки АСМ различной зернистости. В качестве инструмента-индентора использовали стальные наконечники, выполненные из инструментальной стали 9ХС и термообработанные до твердости ИЯС 60.. .65. Острие наконечника имеет вид конуса с углом при вершине 60°. Микротвердость материалов определяли на цифровом твердомере ИУ8-1000.

Характерная форма отпечатков индентора представлена на рис. 1, полученные обработкой экспериментальных результатов эмпирические зависимости среднего размера отпечатка, величины скола и разброса величин сколов - в табл. 1.

Анализируя данные табл. 1, можно заметить, что амплитуда ультразвука оказывает наибольшее влияние на параметры отпечатка среди всех изменяемых факторов. При этом на форму сколов наибольшее влияние оказывает исходная структура материала. Для аморфного стекла характерны протяженные округлые в плане слоистые сколы, ситалл скалывается небольшими также округлыми фрагментами, на сколах керамики отчетливо видно кристаллическое строение (сколы идут по границам зерен). При рассмотрении покрытия видна значительная доля пластического оттеснения материала по периферии отпечатка, но при этом покрытого трещинами. В ходе измерения микротвердости не установлено корреляции размеров отпечатка при индентировании с воздействием ультразвука и микротвердости материала (табл. 2), что позволяет заключить о преимущественном влиянии соотношения амплитудно-частотных характеристик процесса и параметров структуры материала на внедрение наконечника в поверхность.

!678?««1 К! 861903

Рис. 1. Характерные формы отпечатков при индентировании стекла КУ-1 (а), ситалла СО-115 (б), керамики КП-1 (в), покрытия WC (г) Амплитуда колебаний индентора 4-6 мкм, частота 22 кГц, сила прижатия индентора 7.5-15 Н, время индентирования 10 с

б

в

г

Таблица 1

Эмпирические зависимости образования отпечатков при ультразвуковом индентировании конструкционных твердых хрупких материалов

Обрабатываемый материал Размер отпечатка 0 Средний размер сколов И Относительная величина сколов ЛИ=И/0

КУ-1 (аморфный) Н^=143,8 кГ/мм2 Б = 166,56Л0'538/0122 р -0 306 к = 3°,96 Л°,973Х0'345 ДА = °,188 Л0'295/°д д0Д67

Ситалл (амор-фнокристаллический) Н^=98 кГ/мм2 Б = 164,3 Л036 X0Д44 р -°,234 и = 36,3Л°,461х-°,281 р -°Д46 Дй = °,229Л0-092/-0'391 д0Д3

Покрытие WC (кристаллический сплавленный) Н^=63,65 кГ/мм2 Б = 346,5Л0*554/0Л43 р "°,°26 И = 71,25Л0'792/0-238 р -°'281 Дй = °,2°5 Л0-236/0-°94 д

Керамика КП-1 кристаллический сплавленный Н^=320,2 кГ/мм2 Б = 123,1Л0'897 X °,252 р "°Д58 к = 65 ЛизХ0'213 р -0'25 ДА = °,53Л 0'245/-°,°4 д -°д

Таблица 2

Глубина отпечатка при ультразвуковом индентировании хрупких материалов

Материал WC СО-115 КУ-1 КП-1

0, мм 0,038 0,097 0,037 0,025

Н^, кГ/мм2 63,6 98,0 143,7 320,2

Исследованиями ультразвуковой размерной обработки установлено, что наибольшее влияние на скорость съема, определяемую интенсивностью разрушения структуры материала, оказывают зернистость алмазного микропорошка и амплитуда колебаний инструмента. При этом также, как при индентировании, отмечен факт, что твердость материала не является определяющим фактором в различии интенсивности разрушения исследуемых материалов. По-видимому, здесь основную роль играют характеристики структуры данных материалов: размеры зерен и прочность их связи между собой (когезия). Тем самым частично подтверждается высказанное нами выше предположение, что при ультразвуковой обработке хрупких материалов целесообразно учитывать именно размерные параметры их структуры во взаимосвязи с амплитудой и частотой колебаний. Частота ультразвука также оказывает существенное влияние на скорость съема, поскольку наряду с амплитудой определяет величину колебательной скорости и интенсивность ультразвука. На рис. 2 - 3 графики показывают изменение величины скорости съема от амплитуды при работе на частотах, определенных для исследуемых материалов согласно зависимости (7). Видно, что при использовании амплитуды в 2 мкм можно добиться той же производительности обработки, что и при А = 5 мкм для КП-1 или А = 4 мкм при обработке покрытия WC. Однако, при этом согласно теоретическим предпосылкам и опытам по индентированию можно добиться значительного снижения величины трещиноватого слоя и размеров сколов, создающих нежелательную систему дефектов в поверхностном слое.

Рис. 2 Влияник частоты и амплитуды ультразвука на скорость съема при обработке керамики КП-1

0 А, мкм

1 2 3 4 5 6

Рис. 3. Влияние частоты и амплитуды ультразвука на скорость съема при обработке покрытия WC

Следует отметить различный характер зависимостей скорости съема от амплитуды для керамики и покрытия: при обработке керамики графики имеют возрастающий характер с амплитудой, а при обработке керамики - экстремум в области амплитуд 5,5 - 6,5 мкм. Это по нашему мнению связано с тем, что интенсивность разрушения кристаллической структуры зависит от соотношения размеров ее зерен и амплитуды. Также эта связь показана теоретически в полученных нами моделях разрушения кристаллических твердых материалов (7). В случае плазмонапыленного покрытия его структура образована агломератами, средний размер которых составляет по данным оптической микроскопии и обработке на АГПМ-6М 10-11 мкм. Экстремум скорости съема находится при амплитуде 6 мкм. Таким образом, для покрытий аналогичной с WC твердости и плотности структуры может быть рекомендована амплитуда колебаний, равная А = (0,55-0,6^з, где - средний размер зерна. Размеры зерен керамики КП-1 составляют от 50 до 70 мкм, т.е. величина амплитуды должна составлять по установленной зависимости 30-35 мкм, что не было достигнуто в эксперименте и практически сложно добиться с использованием пьезокерамических излучателей, поэтому полученные графики не носят экстремального характера.

Характер влияния амплитуды и частоты на скорость съема подтверждается также кругло-граммами обработанных образцов (рис. 4), из которых следует, что при малых амплитудах (2 мкм) на стандартной (22 кГц) частоте колебаний (рис. 4 а) глубина полостей минимальная и их форма неправильная. При возрастании амплитуды до 10 мкм формируются достаточно глубокие полости, но их поперечный контур имеет существенные отклонения, вызванные выкращиванием макроагломератов и сколами, образовавшимися под действием динамических нагрузок из-за ударов зерен и значительных упругих деформаций (рис. 4 б). При использовании ультразвуковых колебаний с частотой, рассчитанной согласно (7) с учетом структурных особенностей исследованных материалов, на малых амплитудах (1-2 мкм) формируются полости достаточной глубины с минимальными отклонениями макрорельефа (рис. 4 в). Это подтверждает нашу гипотезу и теоретические предпосылки, что при определенных для каждого материала в соответствии с особенностями его структуры частотах ультразвукового воздействия изменяется характер разрушения: основную роль будет играть ускоренное исчерпание предела усталостной прочности вследствие знакопеременных нагрузок, а не предела прочности на сжатие и растяжение, как при обычной обработке.

Рис. 4. Круглограммы поперечного профиля полостей, полученных ультразвуковой обработкой покрытия WC

(порошок АСМ 5/3);

А= 2 мкм, f = 23,5 кГц

Шероховатость обработанной поверхности однозначно зависит от величины амплитуды колебаний: с ростом амплитуды величина шероховатости увеличивается, однако по-видимому на характер зависимости влияют отношение амплитуды и размеров зерна структуры и абразива, поскольку, как показывают данные табл. 3, наиболее интенсивный рост в исследованном диапазоне параметров наблюдается при А = 4-8 мкм. При меньших и больших амплитудах он замедляется. Это можно объяснить на основе установленной А.И. Марковым [ ] закономерности, согласно которой при больших амплитудах происходит дробление абразивных зерен на мелкие фрагменты, что приводит к снижению съема и шероховатости, а при малых амплитудах глубина внедрения зерен в материал мала и, следовательно, мала шероховатость.

Таблица 3

Влияние амплитуды колебаний на шероховатость обработанной поверхности покрытия WC

А, мкм 2 4 6 8 10

Ra мкм 0,22 0,28 0,36 0,6 0,73

Профилограммы обработанной поверхности исследованных материалов представлены на рис. 5. Из данных материалов следует, что с увеличением амплитуды и частоты колебаний возрастает глубина трещиноватого слоя в З-10 раз (в исследуемом диапазоне параметров). При увеличении частоты шероховатось поверхности снижается из-за перекрытия следов ударов абразивных зерен. Увеличение амплитуды во всех случаях ведет к росту шероховатости. При обработке на рациональной частоте колебаний формируется поверхность с минимальной шероховатостью и малым дефектным слоем (снижение до 3-5 раз), что с учетом отмеченных выше результатов по скорости съема и формированию макрогеометрии позволяет рекомендовать данный принцип разработки ультразвуковых технологий размерной обработки, заключающийся в определении минимальных по критерию дефектности поверхности амплитуд и рациональных по критерию скорости съема при данной определенной амплитуде частотах для практического использования.

Рис. 5. Профилограммы поверхности керамики КП-1 после ультразвуковой обработки

Полученные результаты подтверждают наши предположения, согласно которым механизм разрушения тверджых хрупких материалов в результате ультразвуковой абразивной обработки зависит прежде всего от взаимосвязи амплитудно частотных характеристик ультразвукового процесса и размерных параметров структуры обрабатываемого материала. Поэтому режимы ультразвуковой обработки твердых хрупких материалов, как и конструкционных сплавов [9], должны назначаться с учетом особенностей структуры конкретного подлежащего обработке материала. 102

ЛИТЕРАТУРА

1. Каблов Е.Н. Высокотемпературные конструкционные композиционные материалы на основе стекла и керамики для перспективных изделий авиационной техники / Е.Н. Каблов, Д.В. Гра-щенков, Н.В. Исаева и др. // Стекло и керамика. № 4, 2012. С. 7-11.

2. Mach T., Perthasarathy T.A., Hee D.L. Polycrystalline YAG: Structural fnd Functional // J. Ce-ram. Process. Research.-2014.V. 5. P. 369-379.

3. Wesch W. Silicon Carbide: Synthesis and Processing // Nucl. Instrum. Methods. Phys. Rev. Sect. B. 1996. V. 116.P. 305-321.

4. Выбор технологических условий и режимов алмазного шлифования пластин из хрупких неметаллических материалов / А.В. Балыков, А.Б. Липатова // Технология металлов. 2011. № 1, С. 42-51.

5. Бржозовский Б.М., Бекренев Н.В. Ультразвуковые технологические процессы и оборудование в машино- и приборостроении. - Саратов.: СГТУ, 2009. 348 с.

6. Марков А.И Ультразвуковая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1980. 200 c.

7. Clerio M. Bearbeitung mit Ultraschall // Werkstatt+Betrieb. № 12, 2013. S. 34-35.

8. Ионов В.Н., Селиванов В.В. Динамика разрушения деформируемого тела. М.: Машиностроение, 1987. 272 с

9. Бекренев Н.В. Обоснование метода повышения эффективности ультразвуковой обработки конструкционных материалов на основе установления корреляции амплитудно-частотных параметров процесса и фрактальной размерности их структуры / Н.В. Бекренев, Протасова Н.В., Петровский А.П. // Вестник СГТУ, № 3 (41), вып. 2, 2009. С. 23-27.

Бекренев Николай Валерьевич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Техническая механика и детали машин» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Злобина Ирина Владимировна -

ассистент кафедры «Техническая механика и детали машин» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Петровский Алексей Петрович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая механика и детали машин» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Nikolaj V. Bekrenev -

Dr. Sc., Professor

Head: Department of Technical Mechanics and Machine Parts,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Irina V. Zlobina -

Assistant Lecturer,

Department of Technical Mechanics

and Machine Parts,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Petrovsky Aleksey. P. -

Ph. D., Associate Professor Department of Technical Mechanics and Machine Parts,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 17.11.14, принята к опубликованию 25.12.14