Исследование механизма разрушения поверхностного слоя оптических деталей при шлифовании Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.923.

Л.А. Канушина, А.Н. Соснов СГГ А, Новосибирск

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ШЛИФОВАНИИ

L.A. Kanushina, A.N. Sosnov

Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)

10 Plakhotnogo UI., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

INVESTIGATION OF FRACTURE MECHANISM OF OPTICAL DETAILS SURFACE LAYER IN GRINDIN

The article deals with different factors ( strains, thermoelastic stresses, disjoining pressure of cilicic- acid colloid gel) affecting the process of glass grinding with loose and fixed abrasive. The authors present the limiting values of some factors influencing the character of the fracture.

Стекло является хрупким материалом, поэтому основным способом его обработки является абразивный - шлифование свободным и связанным абразивом. Разрушение поверхностного слоя при шлифовании происходит под действием нескольких факторов: механических и термоупругих

деформаций, а также за счет расклинивающего действия геля кремниевой кислоты, возникающего вследствие химических реакций и термического расширения.

Процесс абразивного разрушения поверхностного слоя стекла подробно изучен и описан Престоном, Поляковым Н.И., Качаловым Н.Н и др. Большинство закономерностей получено ими эмпирически, а проведение опытов носит описательный характер [1]. Позже Балыковым А.В. [2] установлено - разрушение хрупких материалов происходит, когда напряжение под зерном достигает предела прочности на сжатие, затем при некотором критическом значении Рсж за контуром поверхности давления развиваются круговые трещины, обусловленные возникновением растягивающих напряжений. Так как разрушение не может происходить при меньших нагрузках, а в период трещинообразования энергия реализуется на разрушение, то величина разрушенного слоя постоянна и зависит от свойств материала и величины зерна. Произведя работу хрупкого разрушения, растягивающие напряжения релаксируются, поэтому глубина разрушенного слоя стекла не может быть меньше или больше некоторого предела, связанного с началом хрупкого разрушения под действием нормальной силы.

В процессе шлифования, возникающее в зоне контакта зерна со стеклом внешнее и внутреннее трение сопровождается выделением тепла. Исследования Бессонова Н.А. [3] показало, что при относительных скоростях 0,2 - 0,12м/с и

л

давлении 1000 г/см выделения тепла при шлифовании кварца составляет 8470 % от всей затраченной работы, а энергия, идущая непосредственно на

2 3

диспергирование составляет ничтожную часть 10" - 10" %. Остальные 30-16 % расходуются на классическую деформацию кристаллической решетки. В последствие эти результаты подтвердились Головиной М.Н. Сергеевой О.А.[4]и при шлифовании различных марок стекол. Известно, что температура в зоне трения пропорциональна скорости относительного перемещения и усилию трущихся пар. При шлифовании свободным абразивом относительная скорость обработки вычисляется по формуле (1): Уотн =Ь-ю/2=Ь-7гп/2-60«0,055Ь-п м/с, (1)

где Ь - размах качания верхнего звена; со - частота качания верхнего звена; п - частота вращения нижнего звена.

По паспортным данным станка 6ШП-200М при Ь = 100мм,п = 200об/мин относительная скорость не превышает 0,0198м/с, а давление Р= 300Н, так как дальнейшее повышения усилия на поводке приводит к раздавливанию зерен. Таким образом, при режимах, характерных для шлифования свободным абразивом выделение тепла незначительно [1], нагрев всего поверхностного слоя не превышает нескольких градусов, что существенно не влияет на тепловое расширение геля кремниевой кислоты и термические напряжения стекла.

Скорость образования пленок геля кремниевой кислоты на поверхности

-5

стекла высока, и по данным [6] составляет порядка 5*10" мкм/с. При относительной скорости - 0,0198 м/с в каждой трещине образуется пленка, соизмеримая с толщиной трещин, а так как объем геля больше, чем воды, возможно расклинивающее действие.

В случае алмазно-абразивной обработки процесс разрушения поверхностного слоя стекла усложняется большими скоростями обработки, более продолжительным контактом зерна с обрабатываемым материалом, наличием тангенциальной силы резания и возникновением нескольких очагов трения: зерен об обрабатываемый материал, продуктов диспергирования о связку и обрабатываемый материал и внутреннее трение при пластическом деформировании материала зернами с малым вылетом.

Механизм образования и структуру царапин описал Казанский в своей диссертации [1]. Им было показано, что в зависимости от глубины внедрения зерна в стекло характер разрушения различен. При малых нагрузках происходит пластическое оттеснение стекла. С увеличением нагрузки и глубины внедрения зерна образуются гладкие неглубокие царапины, что является микрорезанием. Крупные зерна (более 40 мкм) глубоко внедряются в материал и образуют так называемые вибрационные трещины, производя хрупкое разрушение.

Как уже указывалось, в результате нескольких очагов трения происходит значительный нагрев обрабатываемой поверхности и подповерхностного слоя. Температуры, возникающие при шлифовании стекла можно разделить на три вида по степени их влияния на сопутствующие явления:

- Средняя температура детали Тсрд. влияет на макрогеометрическую точность обработки поверхности [1] - коробление деталей.

- Средняя температура подповерхностного слоя Тсрп. проявляется отрицательно в засаливании инструмента. Если Тсрп превышает температуры размягчения стекла или связки, то пластичная масса заполняет межзерновое пространство, лишая инструмент работоспособности.

- Контактная мгновенная температура на зерне влияет на термическое разрушение алмаза и стекла, а так же на его структуру.

По данным [5] среднеинтегральная температура контакта в зависимости от условий обработки достигает 250 - 5500С, а по результатам измерений контактных температур [1] колеблется от 1300 до 3100 для различных видов обработки. Сравнивая эти температуры с термопрочностью стекла, достигающей 100-200°, можно предположить теермоупругую составляющую разрушения стекла.

В области движущего теплового источника кривые изменения температуры можно разделить на три характерные зоны: 1) незначительного повышения температуры перед приближающимся тепловым источником; 2)интенсивного роста ее под тепловым источником; 3) резкого снижения температуры после прохождения источника. Последнюю зону можно считать предельно напряженной и ответственной за образование шлифовочных трещин, ибо здесь особенно резко проявляется роль температурного градиента. В этой зоне поверхностный слой, подвергаясь интенсивному охлаждению, уменьшается в объеме. Глубинные слои, препятствуя этому, вызывают большие временные термоупругие напряжения, величина которых может превышать предел прочности материала. Деление некоторого объема материала, прилегающего к пятну контакта, на зоны позволяет определить общую схему напряженного состояния поверхностного слоя шлифуемой детали.

Алмазно-абразивная обработка невозможна безСОЖ - водных растворов эмульсий, глицерина, масел. Этирастворы соприкасаясь с нагретой поверхностью детали превращаются в пар. Обычно влияние парообразования не учитывается при описании механизма разрушения стекла, в частности из-за того, что эти процессы мало изучены, а моделью шлифования служит одиночное зерно, при которой тепловые явления мало выражены.

В реальных условиях, по нашему мнению, происходят следующие физические процессы. Во-первых, снижение теплонапряженности в зоне обработки происходит не только за счет теплообмена нагретой поверхности и СОЖ, но и за счет перехода водного раствора в парообразное состояние. Во-вторых, на месте контакта СОЖ и нагретой поверхности образуется паровая подушка, которая вследствие высоких скоростей обработки сдвигается следом идущими зернами и над рабочей зоной всегда заметно паровое облако. В-третьих, СОЖ заполняет трещины, полученные в результате предыдущей обработки. При прохождении зерен

вблизи этих трещин СОЖ нагревается и за счет термического расширения производит их расклинивание, способствуя процессу разрушения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Формообразование оптических поверхностей: сб. ст. / под ред. Куманина К.Т. - М.: Оборонгиз, 1962.

2. Попов, С.А. Состояние поверхностного слоя кварца при алмазном шлифовании / С.А. Попов, А.В. Балыков // Вестник машиностроения. - 1970. - № 2. - С. 73-76.

3. Кузнецов, В.Д. Поверхностная энергия твердых тел / В.Д. Кузнецов М.: Гостехиздат,

1954.

4. Голованова, М.И. Исследование прочности удержания алмазных зерен в органической связке / М.И. Голованова, О.А. Сергеев // ОМП. - 1959. - № 8. - С. 56-59.

5. Маградзе, Д.В. Исследование зависимости среднеинтегральной температуры контакта от условий обработки оптического стекла / Д.В. Маградзе // ОМП. - 1989. - № 3. - С. 13-14.

6. Ходаков, Г.С. Физико-химические процессы полирования оптического стекла / Г.С. Ходаков. - М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.

7. Сипайлов, В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности / В.А. Сипайлов. - М.: Машиностроение, 1978. - 168 с.

© Л.А. Канушина, А.Н. Соснов, 2008