Особенности механической обработки деталей из керамических материалов

Аннотация

В статье показаны особенности алмазного шлифования деталей из керамических материалов и предложены новые направления исследования повышения качества поверхности деталей из керамики.

Полный текст

На современном этапе производства при создании авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) повышаются требования к теплонагруженности основных конструктивных элементов двигателя. Так, температура рабочего газа перед турбиной достигает 1850 – 2100 К, к тому же значительно повышаются требования по надежности и сроку службы. Столь большие температурные нагрузки в окислительной среде с одновременным воздействием знакопеременных силовых нагрузок приводят к тому, что большинство общепринятых и широко используемых в авиационной технике высокопрочных легированных сплавов неработоспособны из-за значительной деградации их физико-механических характеристик. Поэтому материалами, которые могут широко использоваться в ГТД, являются керамические композиционные материалы. Применение керамических материалов (КМ) обусловлено следующими преимуществами: сохранением механических свойств при высоких температурах, высокой износостойкостью и антикорозийностью. Из недостатков КМ основным считается хрупкость, обусловленная жесткостью связей в кристаллической решетке. В настоящее время основные усилия исследователей при разработке КМ направлены на преодоление хрупкости, повышение уровня прочности, термостойкости и ударной вязкости. Высокая твердость, отсутствие пластичности, низкая стойкость к тепловым ударам, склонность к растрескиванию создают трудности при механической обработке, особенно при получении изделий сложной геометрической формы с высокой точностью и качеством обработки. Создание высокоэффективных методов обработки КМ представляет одну из сложнейших задач современного машиностроения. Основным методом получения высокоточных поверхностей деталей из КМ является шлифование. Обрабатываемость КМ определяется следующими факторами: механическими свойствами керамики (зависящими от условий и параметров спекания), жесткостью технологической системы и режимами резания. Шлифование деталей из КМ в основном ведут алмазными кругами. Съем материала в процессе алмазного шлифования осуществляется в результате создания в поверхностном слое керамической заготовки напряжений, превышающих напряжение разрушения ее материала. В результате абразивная обработка может оставлять на обрабатываемой заготовке слой, включающий микротрещины и определенную макро- и микро- геометрию поверхности. Поскольку рост поверхностных микротрещин требует значительно меньшей энергии, чем рост внутренних, а также вследствие их близости к зонам концентрации контактных напряжений при эксплуатации, наличие поверхностных микротрещин оказывает преимущественное влияние на долговечность деталей из КМ. [1, 2] Влияние процесса шлифования на качество деталей проявляется также через геометрические погрешности обработанной поверхности. Отклонения макро- и микро- геометрии детали действуют как концентраторы контактных напряжений при ее эксплуатации [3] и приводят к увеличению рассеяния показателей долговечности деталей из КМ. По ранее проведенным исследованиям [3] известно, что наибольшее влияние на рост микротрещин в керамической детали при шлифовании оказывает скорость резания, в то же время увеличение скорости резания способствует повышению качества деталей из КМ. Существенное влияние на качество детали оказывает материал связки шлифовального круга. Для повышения качества деталей из КМ ряд зарубежных авторов [3, 4] рекомендуют отказаться от использования шлифовальных кругов на металлической связке, т.е. производить всю механическую обработку таких деталей шлифовальными кругами на органических связках различной твердости. Проведенные в работе [5] исследования характера излома керамических образцов после механической обработки на различных режимах показали, что с увеличением производительности обработки доля образцов, разрушившихся от роста микротрещин, возрастала с 11 до 92%. В работе [6] проведены экспериментальные исследования влияния алмазного шлифования на сопротивление разрыву (4-х точечный изгиб) горячепресcованной керамики Si3N4. Исследовалось влияние технологических схем шлифования, зернистости алмазного круга, глубины шлифования и типа связки круга. При исследовании различных кинематических схем шлифования: с подачей вдоль, поперек оси образца и с переменным направлением подачи относительно координат обрабатываемой поверхности образца – получены наиболее прочные образцы при обработке с продольной подачей вдоль оси. Зернистость алмазного круга в пределах от 150 до 600 мкм практически не влияет на прочность образцов из нитридной керамики. Значительное снижение прочности получено лишь при шлифовании кругами с зернистостью 1200 мкм. Глубина шлифования, которая варьировалась в пределах от 0.025 до 0.75 мм/дв.ход, не оказывает заметного влияния на прочность образцов. Прочность образцов, обработанных кругом на органической связке по сравнению с кругом на металлической связке, оказалась существенно выше. Таким образом, из полученных результатов [6] можно сделать выводы, что наибольшее влияние на прочность образцов из КМ оказывает сам материал, точнее технология его получения, связка применяемого круга и кинематическая схема шлифования. Глубина шлифования и зернистость круга в пределах допустимых режимов шлифования не влияет на прочность образцов. Свойства керамики изучены недостаточно, она непредсказуемо разрушается под нагрузкой из-за хрупкости, большого разброса характеристик, внутренних напряжений, низкой термостойкости. Исследованиями физико-химических свойств нитридной керамики в работе [7] установлено, что: · разброс модуля упругости заготовок может достигать 20%; · величина анизотропии модуля упругости в пределах заготовки составляет 12%; · локальная плотность керамики в пределах одной заготовки меняется до 15%. Таким образом, при алмазном шлифовании изделий из КМ имеют место нестационарные процессы, обусловленные переменными механическими свойствами обрабатываемых материалов, переменным фактическим пятном контакта рабочей поверхности круга с обрабатываемой поверхностью, неравномерным износом алмазного инструмента, вибрациями технологической системы «станок-приспособление-инструмент-деталь» и т.д.. В этих условиях проблема повышения надежности и долговечности изделий из КМ может быть решена при использовании методов и средств технологической диагностики. Получение в каждый момент времени оперативной и точной информации о динамических процессах в зоне обработки заготовок является одной из основных задач технологической диагностики. Наибольшее распространение в практике технологической диагностики процессов механической обработки наряду с термодинамическими методами получил метод акустической эмиссии (АЭ) Акустическая эмиссия при абразивном изнашивании в силу дискретности и локальности актов разрушения представляет собой последовательность колебаний, возникающих в материале с дефектами под воздействием внешней нагрузки [8]. Совместный анализ дефектности материала и возникновения дефектов в процессе обработки можно провести, используя понятие поврежденности [8]. При этом общую поврежденность детали после обработки можно представить в виде: где: – исходная поврежденность материала заготовки; – технологическая поврежденность в результате обработки заготовки. Вероятность разрушения шлифованной детали при прочностных испытаниях на изгиб задается распределением Вейбулла [8]: , где: – объем образца; – пороговое напряжение; – остаточное напряжение m – коэффициент распределения. Распределение Вейбулла характеризует суммарную поврежденность образцов после шлифования. Поврежденность материала после обработки обусловлена возникновением новых дефектов, а также развитием (подрастанием) уже имеющихся трещиноподобных дефектов материала. Критерием перехода от возникновения к развитию дефектов является меньшее значение изгибающего разрушающего напряжения. При составлении математической зависимости диагностики поврежденности после обработки необходимо учитывать геометрию абразивных зерен шлифовального круга, свойства обрабатываемого материала и условия шлифования. Кроме алмазного шлифования, КМ можно обрабатывать следующими методами: лазерная обработка, струйная гидроабразивная обработка, электрохимическая и электроэрозионная обработка. Вышеперечисленные методы недостаточно апробированы в обработке КМ и, в отличие от алмазного шлифования, имеют некоторые особенности. Например, струйная гидроабразивная обработка позволяет производить процесс «холодного» резания материала (практически не разогревая деталь). Электрохимическая и электроэрозионная обработка ведется преимущественно на токопроводящей керамике. Так как керамика все больше начинает использоваться в качестве конструкционного материала для ответственных деталей, то возникает необходимость ее качественной обработки. При дополнительном исследовании механических и физико-химических методов обработки керамики можно составить качественные модели поврежденности материала, которые позволят рационально подбирать режимы обработки и тем самым увеличивать долговечность деталей и надежность конструкции в целом.