ГЛАВА 2
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА АЛМАЗНОЙ ДОВОДКИ ДЕТАЛИ ТИПА УСЕЧЕННЫЙ ШАР ИЗ КЕРАМИКИ И САПФИРА
Для решения поставленных в работе задач использовались теоретико-экспери-ментальные методы исследований с применением известных и специально разработанных методик. Исследования проводились на оборудовании для механической обработки, широко применяющемся в механообработке, оптико-механической промышленности при обработке широкого круга керамических, оптических деталей.
Методический подход к решению поставленных в работе задач иллюстрируется схемой (рис. 2.1), показывающей логическую связь основных направлений исследования при формализации процесса алмазной доводки деталей типа усеченный шар из керамики и искусственного сапфира (постановка и решение прикладной контактной задачи, модифицированной учетом явлений трения и изнашивания, в условиях равновесия притира под воздействием приложенных сил и моментов сил, возникающих при взаимном скольжении притирающихся поверхностей по несогласованной или согласованной поверхности контакта, площадь и радиус которой изменяются) и пути достижения конечной цели, поставленной в работе.
Исследование механики контактного взаимодействия поверхностей, скорости съёма обрабатываемого материала (изнашивания притира) осуществлялось в три этапа.
Первый этап исследований заключался в проведении некоторых базовых экспериментов для математического моделирования кинематики процесса, разработке кинематической модели процесса алмазной доводки деталей типа усеченный шар, что позволило установить направление векторов сил резания в кольцевой зоне притирки, а также в теоретических исследованиях наилучших условий входа алмазных зерен в зону притирки, в том числе с учетом траекторий алмазных зерен.
В ходе второго этапа на основе решения численным методом прикладной 3-хмерной контактной задачи в условиях равновесия притира под воздействием приложенных сил и моментов сил, возникающих при взаимном скольжении притирающихся поверхностей для процесса алмазной доводки деталей типа усеченный шар из керамики и искусственного сапфира, а также проведения базовых экспериментов для математического моделирования контактного взаимодействия притирающихся тел, была разработана теория кинематически подвижного притира, алгоритм и программы расчета на ПЭВМ основных показателей процесса.
Рис. 2.1. Методическая схема решения задач, поставленных в диссертационной работе.
На третьем этапе установлены скорости притирки исследованных керамических материалов и относительной износостойкости притиров из серого чугуна исследованных марок и на их основе при помощи разработанных алгоритмов и программ расчета на ПЭВМ исследованы основные закономерности процесса, кинетика притирки поверхностей, определены коэффициенты влияния геометрических, режимных параметров на показатели процесса доводки, а также проведена опытно-промышленная проверка разработанного технологического процесса алмазной доводки деталей типа усеченный шар из керамики и искусственного сапфира в лабораторных и производственных условиях.
2.1. Условия проведения экспериментальных исследований
2.1.1. Исследованные материалы и размеры образцов.
Для исследований основных закономерностей процесса доводки использованы макеты (заготовки) головок эндопротезов из Al2О3-, ZrО2-керамики, искусственного сапфира диаметром 32,0; 28,0; 22,2 мм.
Между тем, прочность на изгиб ZrО2-керамики примерно в 2 раза, а критическая интенсивность напряжений (коэффициент трещиностойкости) в 2,0-2,5 раза выше, чем Al2О3-керамики. В настоящий момент заканчивается этап научных исследований в разработке композиционного материала на основе ZrО2 медицинского назначения. Благодаря разработкам Института сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля и Института монокристаллов НАН Украины для изготовления головок эндопротезов также используется синтетический сапфир (рис. 2.1). Особенности кристаллического строения, а также некоторые физико-механические характеристики сапфира и оксидов, составляющих основу керамических материалов приведены в табл. 2.1.
Рис. 2.1. Головки эндопротезов тазобедренного сустава из сапфира и оксидной керамики.
Таблица 2.1.
Особенности кристаллического строения и физико-механические свойства
сапфира и оксидов алюминия и циркония, стандартных керамических композитов
ХарактеристикаСапфир*Оксиды алюминия и цирконияAl2O3Al2O3ZrO2Кристаллическая сингония, параметры решетки, нмгексагональная,
а=0,4759 с=1,299гексагональная,
а=0,4759 с=1,299моноклинная,
а=0,517 b=0,526
c=0,530 ?=80?10?Плотность ??10-3, кг/м33,9923,9905,561Твердость по
минералогической шкале997Модуль Юнга, ГПа400400168Коэффициент Пуассона0,270,270,33Размер зерна, мкм-<7,0<0,6Предел прочности при сжатии, МПa30003000 (20?)2100 (20?)Предел прочности на изгиб, МПa>400>400>800-950Критическая интенсивность напряжений, MПa?м-1/23,53,57,5-9,5* Сапфир производит Институт монокристаллов НАН Украины (г. Харьков)
На рис. 2.2 представлены фотографии структуры пяти видов композиционных керамических материалов на основе двуокиси циркония, армированных добавками оксида алюминия, оксидов других металлов, обрабатываемость которых также исследована в работе, в табл. 2.2 - их некоторые физико-механические характеристики. Указанные композиционные керамические материалы разработаны в Корейском институте науки и технологий (КИСТ), г. Сеул, Южная Корея.
Для исследований обрабатываемости композиционных керамических материалов на основе двуокиси циркония, армированных добавками оксида алюминия, оксидов других металлов, использованы плоские образцы размерами 12?8?0,7 мм.
абвгд Рис. 2.2. Структура композиционных керамических материалов на основе ZrO2 : а - 3Y-TZP, б - AKP30/20vol%mono, в - AKP30/90vol%mono, г - 310N/3.6Ce /Al2O3(ALM-43) и д - mono/Al2O3(ALM43).
Таблица 2.2.
Физико-механические характеристики ко