Обеспечение качества поверхностей оптических деталей путем регулирования теплового состояния зоны обработки при шлифовании алмазно-абразивным инструментом

Канушина Лариса Александровна; Соснов Александр Николаевич; Соснова Наталья Кирилловна

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ПУТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЗОНЫ ОБРАБОТКИ ПРИ ШЛИФОВАНИИ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

Лариса Александровна Канушина

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия»; 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10; доцент кафедры технологии оптического производства; телефон (383)-361-07-79; e-mail: [email protected]

Александр Николаевич Соснов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия»; 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10; кандидат технических наук, профессор кафедры технологии оптического производства; телефон (383)-361-07-79; e-mail: [email protected]

Наталья Кирилловна Соснова

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия»; 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10; кандидат технических наук, профессор кафедры технологии оптического производства; телефон (383)-361-07-79; e-mail: [email protected]

В статье анализируются условия обработки оптических деталей с учетом механических и термических факторов разрушения поверхностного слоя заготовки с целью получения поверхностей заданного качества и сохранения работоспособности инструмента.

Ключевые слова: качество поверхности оптических деталей; регулирование

термического состояния; алмазно-абразивная обработка; тепловой баланс.

ASSURANCE OF QUALITY FOR OPTICAL DETAIL SURFACES BY REGULATING THERMAL CONDITIONS FOR THE AREA UNDER TREATMENT IN PROCESS OF DIAMOND-ABRASIVE GRINDING

Larisa A. Kanushina

Assoc. Prof., department of optical production technology, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108, Novosibirsk, phone: +7(383)344-40-58, fax +7(383) 344-40-58, E-mail: [email protected]

Alexander N. Sosnov

Prof., department of optical production technologies, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108, Novosibirsk, phone: +7(383) 344-40-58, e-mail: [email protected]

Natalya K. Sosnova

Prof., department of optical production technologies, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108, Novosibirsk, phone: +7(383) 344-40-58, e-mail: [email protected]

The paper deals with the conditions for optical details treatment with regard to the mechanical and thermal factors, causing destruction of the blank surface layer, in order to produce the preset quality surfaces and preserve instruments operability.

Key words: to assure surface quality, regulation of thermal conditions of area under treatment, thermal conditions, diamond-abrasive grinding, thermal balance.

Определение температуры в зоне обработки, возникающей при шлифовании, затрудняется из-за краткого времени и высокой частоты контактирования зерен с обрабатываемой поверхностью заготовки. Применяя доступные методы измерения температуры при различных режимах шлифования, и используя, литературные данные, был установлен диапазон фактических температур от 60 до 1200° С.

Температурные ограничения при алмазно-абразивном шлифовании обусловлены следующими факторами. Алмазные зерна окисляются на воздухе при температуре свыше 8000 С. Стекла имеют температуру размягчения в пределах 600 - 8000С, а часто используемая медно-оловяная связка М1 - 8600 С, поэтому работоспособность алмазно-абразивного инструмента попадает в зону риска из-за засаливания рабочей поверхности.

Из этого следует, что нельзя допускать нагрев в зоне обработки более чем 600 - 8000 С. Для этого необходимо определить источники нагрева рабочей зоны, выяснить допустимые значения параметров обработки, после которых температуры поднимаются выше указанных, и решить задачи отвода тепла.

Количество теплоты, выделившееся в процессе шлифования, определяется по формуле:

Q = k Pz Укр / 0,427 = k N3 J,

где k - 0,80 - 0,95 - коэффициент, показывающий какая доля механической энергии переходит в тепло, для стекла k = 0,80;

Укр. - окружная скорость резания;

PZ - сила резания;

N3 - эффективная мощность;

J - механический эквивалент теплоты.

Часть теплоты воспринимается заготовкой, часть уходит в инструмент через алмазные зерна, часть отводится через стружку и смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ). Каждый из этих компонентов имеет определенные теплофизические свойства, поэтому доля тепла в каждом случае будет различна.

Общее количество теплоты распределяется между контактируемыми поверхностями.

Q = Qд + Qkp + Qс + Qж

Qд - часть тепла, идущая в деталь;

Qkp - часть тепла, идущая в круг;

Qc; - часть тепла, идущая в связку;

Qж - часть тепла, нагревающаяся СОЖ.

Многими авторами отмечается, что СОЖ нагревается не из зоны резания, а с поверхности нагретого после шлифования материала, что позволяет исключить последнее слагаемое из уравнения.

Формулы для расчета баланса температур приведены в [1]. Результаты расчета показывают, что в заготовку уходит 60 - 85% общего количества выделившегося тепла, в стружку 1-30%, в круг 9-18% .

Существует зависимость между режимами обработки и количеством тепла, выделившимся в зоне обработки.

В качестве ограничительных параметров целесообразно принять элементы режимов резания: скорость вращения инструмента Уин, скорость перемещения изделия Уд, подачу S, давление Р. Аналитических выражений, связывающих все параметры качества поверхностей с режимами обработки, пока не создано ввиду сложности их взаимодействия. Экспериментальные исследования [2, 3, 4] и производственный опыт показывают, что режимы обработки влияют на форму и качество поверхностей следующим образом:

шероховатость поверхности с увеличением скорости обработки уменьшается, причем нелинейно и незначительно. Это объясняется двумя причинами:

- Во-первых, увеличение скорости приводит к увеличению температуры на контакте инструмент - обрабатываемая заготовка, но одновременно уменьшает время воздействия, то есть уменьшает глубину прогреваемого и напряженного слоев;

- Во-вторых, увеличение скорости обработки увеличивает деформирующее напряжение, но при этом глубина напряженного слоя уменьшается.

Увеличение скорости вращения инструмента, закрепленного на нижнем шпинделе, значительно ускоряет срабатывание материала в краевой зоне по сравнению с центральной, что приводит к погрешности формы заготовки. При обработке деталей методом притира существует ограничение скорости вращения инструмента вследствие возникновения гидродинамического эффекта при больших скоростях[2]. Практически, при обработке стекла и других хрупких неметаллических материалов, скорость резания выбирается в пределах 10 - 30 м/с.

Увеличение продольной подачи (числа двойных ходов в мин.) также приводит к уменьшению времени контакта инструмента и заготовки, однако при этом повышаются динамические нагрузки, уменьшается стабильность процесса, происходит неравномерное срабатывание инструмента. Возвратнопоступательное движение верхнего звена в процессе обработки приводит к непрерывному изменению действующих напряжений в поверхностных слоях заготовки и инструмента. С ростом ускорения, в поверхностном слое заготовке растёт количество и неоднородность распределения очагов зарождения микротрещин. Повышенная дефектность поверхностного слоя способствует ускорению съема обрабатываемого материала.

С увеличением давления возрастает глубина внедрения зерен, возрастает количество работающих зерен (количество источников тепла) и площадь контакта, уменьшается зазор между заготовкой и инструментом, происходит интенсивное трение продуктов разрушения о связку, ухудшаются условия циркуляции СОЖ, то есть возрастает теплонапряженно сть.

Удельное давление на зерно ограничивается сохранением условий самозатачивания. Для своевременного удаления затупившихся зерен необходимо постоянное продвижение осколков стекла в зазоре между инструментом и заготовкой для срабатывания связки. Это происходит если глубина внедрения Ьз зерна равна: Ьз = 0,12 dз [5]. В этом случае зазор полностью заполнен осколками стекла, которые свободно по нему перемещаются.

Влияние поперечной подачи (глубины внедрения алмазных зерен в стекло) на тепловое состояние в зоне обработки имеет сложный характер. Как показано в работах [6], взаимодействие алмазных зерен со стеклом различно в зависимости от глубины внедрения. При глубине внедрения зерен размером до 5 мкм в силу упругих свойств стекла, стружка не снимается, но выделяется значительное количество теплоты за счет внешнего и внутреннего трения. В этом случае отсутствует отвод тепла за счет стружки, а небольшой зазор между инструментом и заготовкой затрудняет циркуляцию СОЖ, что уменьшает её теплоемкость. При шлифовании стекла зернами в интервале размеров 5 - 14 мкм происходит пластическое оттеснение стекла. Здесь наблюдается самое большое выделение тепла за счет внешнего и внутреннего трения, так как увеличивается площадь контактирующих поверхностей, а отвод тепла минимален.

При шлифовании полированного стекла зернами малых размеров, поверхность инструмента быстро теряет свою работоспособность[6], а на поверхности заготовки остаются следы расплавленной связки. Алмазные зерна размером менее 14 мкм применяются только на финишных операциях (тонком алмазном шлифовании), В этом случае шлифование проводится по разрушенному предыдущей обработкой слою и припуск на обработку должен лишь не намного превышать разрушенный слой. Шлифование стекла крупными зернами размером более 20мкм приводит к хрупкому разрушению стекла. В этом случае кинетическая энергия переходит в тепловую и затрачивается на хрупкую разрушение. Баланс между количеством образованного тепла и отведенного достигается выбором оптимальных скоростей инструмента и заготовки, соблюдений условий самозатачивания и правильного подбора концентрации зерен и типа связки.

Тепловые процессы, сопровождающие механическую обработку стекла, делают невозможным получение качественных поверхностей без применения смазочно-охлаждающих жидкостей. Их назначение заключается не только в отводе тепла и продуктов разрушения из зоны контакта инструмента с обрабатываемой заготовкой, но и в участии в разрушении материала, путем уменьшения трения и за счет физико-химического воздействия. Последнее обстоятельство вынуждает подходить к выбору СОЖ индивидуально в зависимости от свойств материала.

Сказанное выше показывает, что для улучшения качества поверхности при изготовлении оптических деталей и сохранения работоспособности инструмента следует выбирать оптимальную скорость и давление обработки, максимально стабилизировать их, применять СОЖ, обладающую

поверхностно-активными свойствами, чтобы выделяющееся тепло не приводило к плавлению стекла и связки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Исаев А.И., Методика расчета температур при шлифовании./ А.И.Исаев, Силин С.С.// Вестник машиностроения - 1957.- №4.- С. 54 -59.

2. Перерозин М.А. Справочник по алмазной обработке стекла./ М.А. Перерозин.- М.: Машиностроение. 1987.- 224 с.

3. Лепитова Н.М. Алмазная обработка стекла./ Н.М. Лепитова // Синтетические алмазы в промышленности.- Киев: Наук. думка.- 1974. -С. 288-290.

4. Рогов В.В. Финишная алмазно-абразивная обработка неметаллических деталей./В.В.Рогов.- Киев: Наук. думка. - 1985. - 264 с.

5. Ардамацкий А.Л. Алмазная обработка оптических деталей./А.Л. Ардамацкий.- Л.: Машиностроение. -1978. -232 с.

6. Альтшулер В. М., Ашкеров Ю.В. Изменение работоспособности алмазного инструмента в процесс тонкого алмазного шлифования оптического стекла./ В.М. Альтшулер, Ю.В. Ашкеров // ОМП, -1976. -№5, -С. 67-68.