CC BY
16
УДК 681.2.084-1
РО!: 10.25206/1813-8225-2018-160-134-139
Е. В. ЛЕУН
В. И. ЛЕУН
АО «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки
Омский государственный технический университет, г. Омск
ОСОБЕННОСТИ КОНТАКТИРОВАНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ И ВЫСОКОПРОЧНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ НАКОНЕЧНИКОВ ПРИБОРОВ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ РАЗМЕРОВ С ИЗДЕЛИЯМИ В ПРОЦЕССЕ ИХ ШЛИФОВАНИЯ
Статья посвящена анализу нагрузочной способности измерительных наконечников приборов активного контроля (ПАК) размеров с изделиями при их механическом контактировании. Рассчитывается значение глубины вдавливания в изделие измерительных наконечников, приводящее к образованию погрешности измерения. Рассмотрены прозрачные и высокопрочные материалы для изготовления измерительных наконечников.
Определен режим механического взаимодействия для экспериментальных исследований особенностей контактирования сапфирового наконечника и фрезы из быстрорежущей стали и рассчитано значение удельной энергии при таком контактировании. Показано, что возникающие при этом нагрузки, имея »40 кратный запас прочности и соответствуя режиму квазипластичности, не приводят к хрупкому разрушению.
Ключевые слова: активный контроль, контактные измерения, бесконтактные измерения, размер изделия, корунд, сапфир, наконечник.
Введение. Современные тенденции автоматизации производства [1—5] в ракетно-космической отрасли и приборо-, станко-, машиностроении обусловливают использование приборов активного контроля (ПАК) [1—4] размеров изделий, и в частности гибридных лазерных ПАК, повышающих производительность измерительных операций на металлорежущих станках до 2 — 5 раз. Такие ПАК могут работать как с механическим контактированием, так и бесконтактно [5, 6] за счет использования измерительных наконечников (в дальнейшем — наконечники) из прозрачных и высокопрочных материалов. Их первые экземпляры были разработаны в 2013 году для измерения размеров сложных изделий, например, с прерывистой поверхностью, такие как сверла, фрезы, развертки и т.п.
Процесс механического контактирования является центральным для контактных измерений ПАК. Изучение всех его особенностей содержит потенциальные возможности улучшения тактико-технических характеристик ПАК. Этот вопрос не до конца рассмотрен в научной литературе, и данная статья призвана устранить этот пробел.
1. Прозрачные и высокопрочные материалы для наконечников ПАк. Наконечники ПАК могут быть изготовлены из следующих материалов: алмаз,
эльбор (боразон, кубонит, кингсонгит, киборит), стишовит, карбид кремния (карборунд, муассанит), фианит, корунды (сапфир, рубин), оксинитрид алюминия. В табл. 1 для этих материалов, а также быстрорежущих и инструментальных сталей, используемых для изготовления инструмента, указаны основные данные, используемые в последующих расчетах: химическая формула, модуль упругости Е, коэффициент Пуассона V, микротвердость Н.
2. Определение режима механического взаимодействия наконечника и изделия. Ранее в контактных ПАК использовались твердосплавные непрозрачные наконечники, в основном из непрозрачного эльбора, зарекомендовавшие себя, в соответствии с механическими характеристиками, очень хорошо. Однако для гибридных ПАК требуются наконечники не только из высокопрочных, но и прозрачных материалов для работы без хрупкого разрушения в режиме длительного ударного контактирования с изделием, имеющим прерывистую поверхность. Поиск таких материалов с выполнением таких требований предполагает описание природы механического контактирования. Так, расчет и анализ последствий ударного механического контактирования прозрачных наконечников с выступами изделия с прерывистой поверхностью можно сделать, допустив близость характера этого
Таблица 1
Прочностные параметры материалов для изготовления наконечников, а также быстрорежущих и инструментальных сталей
№ Материал Химическая формула Модуль упругости Е, ГПа Коэффициент Пуассона V Микротвердость Н„, ГПа
1 Алмаз С 950 0,07 84-98
2 Эльбор БК 720 0,14 80-90
3 Стишовит 5102 450 0,22 32-33
4 Карбид кремния Б1С 375 0,15 33-36
5 Фианит 2Ю2 (2Г0,8Са012О1192)) 200-370 0,26-0,36 12
6 Корунды Л>203 350 0,18 20-23
7 Оксинитрид алюминия А10К (А123027К5) 323 0,24 18
8 Быстрорежущие стали Бе с добавками 220 0,23 8,5-9,0
9 Инструментальные стали Бе с добавками 200 0,3 8,5
Таблица 2
Режимы и граничные условия механического взаимодействия наконечника и изделия
№ Режимы механического взаимодействия наконечника и изделия Граничные условия
1 Режим упругого деформирования материала Шупр ы уер ач
2 Режим хрупкого разрушения Шхр ыхр у -Ч хр ач
3 Режим квазипластичности Шкв Ш < Ш < Ш упр кв хр
процесса к шлифованию хрупких изделий, подробно рассмотренных в [7, 8]. При этом можно принять, что выступы изделия эквивалентны зернам шлифовального круга. С учетом этого допущения и в зависимости от удельной энергии контактирования Ш^ возможны три состояния поверхностного слоя материалов, включающее два крайних и одно промежуточное с соответствующими энергиями: упругое деформирование материала Шупр, режимы хрупкого разрушения Шхр и квазипластичности Ш .
кв
Полный диапазон значений удельной энергии упругой деформации Ш имеет три поддиапазона для трех режимов работы и состояний поверхностного соя наконечника [7, 8] при механическом воздействии (табл. 2).
Примечание: тп — предел Пайерлса согласно соответствует началу движения дислокаций материала и определяет границу перехода от упругого дефор-мировамия мачериала к режиму квазипластичности, рассчитываемый как тп = 3,640-6Е, с учетом чего
дробь —г' преобразуется к виду (3,640
ач
« 6,5 10-12Е.
'•Е)2/2Е
Расчеты параметров по нагрузочной способности наконечников маиболее удобно провасои для корундов, а именно, для сапф и0а ка кн амого распространенного кристабла с превосходно отработанной технологией ега искусственного производства. Этот материаа з аииаает поз. 6, почти самое низкое положение среди выбранных высокопрочных прозрачный матартауов, превосходя только оксинитрид алюминия. В [7] длн сапфира уже определены прбдел Пайерлса тп = 126 кПа, значения удельной энергии упруного деформирования Шупр = 0,223 Джм-3 и хрумво го р азрушения Шхр =1,625408 Ыхчм3. Соответсмвенно, дад расчета удельной энергии контактированая Ш можно использовать формулу, выведуннуо для чежима шлифования сапфировой заготовки [7, 8]:
м у ^вктукВлвв! ,
а 5ср-5
(1)
где а — эмпириченкио коэфИинвент раонреде-ления энергии трения междризделием и шлифовальным инструментом принимается равным ОМ, кшр= коэффициент .адаамичеспаиотроаия, ^ —
а
усилие прижима за цикл обработки, v — скорость перемещения шлифовального инструмента относительно поверхности обрабатываемого изделия, t — время контакта обрабатываемой заготовки и шлифовального инструмента за цикл обработки, Sср — средняя площадь контакта обрабатываемой заготовки и шлифовального инструмента за цикл обработки, 5 — глубина резания за цикл обработки.
Допустив близость характера воздействия шлифовальным инструментом и фрезой, использованной в экспериментальных исследованиях (рис. 1) [9] с учетом заложенной более 50-кратной перегрузки, можно оценить значение нагрузок W и их последствия на корундовый наконечник. Итак, имеем а = 0,5; средняя площадь контакта наконечника с резцом фрезы определяется шириной ленточки » 1 мм и шириной торца сапфирового стержня 5 мм и в итоге равна 540-6 м. Коэффициент трения между апфиром и нержавеющей сталью 0,15, линейная скорость перемещения резка фрезы диаметром 15 мм при числе оборотов 1000 об/мин составляет » 0,8 м/с и, соответственно, время прохождения резца фрезы по линии контакта наконечника длиной в 66м мкм [9] соответствует » 0,8240-3 с. Глубину дефектов структуры кристаллической решетки можно о це нить, как минимум, в 3 — 4 раза больше, чем в [7], из-за существенно большей нагрузки, так что 5»4-10-4 м.
И при подстано вке всех этих исходных данных в формулу (4) получаем
W -
0,5 • 0,15 • 150 • 0,8 • 0,82 • 10"
= 3,7 • 10в Па.
Полученное значение меньше максимально допустимого значения W = 1,625408 Джм-3, и это означает^, что характер ударного механического контактирования сапфирового, и вообще корундовых наконечников с выступами изделия, соответствует режиму квазипластичности, не приводя к хрупкому разрушению. При этом отношение W/Wк=44 и свидетельствует о наличие более чем 40-кратного запаиа прочности при использовании корундовых наконечникон при контактных измерениях. Такой результат близок к рассчитанному ранее в работе [6] по (альтернативной независимой методике 29-к]катно му запасу прочности. Различие составляет всего около 35 %, подтверждая корректность принятых допущений и достоверность расчетов.
Полчченный результат частично можно распространить и са но вый высокопрочный и оптически прозрачный керамический материал оксинитрид алюминия (ALON-керамика). По прочностным параметр ам ALON-керамика, созданная и запатентованная в начале 2000-х годах в США, и выпускаемый под торговой маркйн ALON™, немного уступает корундам и всем остальным материалам, располчж енным в поз. 1—5 (табл.1).
К сом алению, н а данной м име йт этот материал остается пока еще малораспространенным и экзотическим для многих исследователей и д я него пока не получены экспериментальные данные, подобно проведенным ранее в [9]. Это не позволяет сформировать окончательное суждение со стопроцентной уверенностью о возможности использования ALON-керамики для наконечников ПАК. Однако превышение прочностных свойств корундов над оксинитридом алюминия является небольшим (табл. 1), поэтому можно допу-
Рис. 1. Эксперимент по определению возможности использования сапфирового наконечника для контактных измерений в ПАК [9]
стить, что для нее также будет выполняться режим квазипластичности при механическом контактировании с изделиями в процессе активного контроля с некоторым уменьшением запаса прочности.
3. Расчет погрешмости механического контактирования наконечника и контролируемого изделия в режиме квмзипиастичности. Значение погрешности механичмспого контактирования Д, вызванной вдавливанием изаконечника в изделие для разных сочетаним ии мптериалов (табл. 1), можно рассчитать на основе методики, приведенной в [10].
3.1. Особенности методиди расвета погрешности механического контактирования. Итак, погрешность механического кднтактлфования будет определяться сиедукщим обр азом:
для одноконтактнмго иетода пзмерения Д/ок
АИи и Ымз (2)
для двухконтадтпого иеиодм измерения Д/дк
0В и ио . (3)
Ои ми у '
Для расчета значрниз Д/ принимается, что характер контактных деИирмацзйшероховатыи поверхностей (иа М 0,16 мкм) наконечника и изделия является пластическим и допууеающим использование следующ его вмирбжения:
ехмк ч т,4 • 0,95 • Ra
T,CTRJM,
икОм
(4)
где R =R, +R
^ a 1a
- ооидкее арифметическое отклонение профиля шероховетых поверхностей, P[ — давление в предеиах площадб контакта, Pc — давление (отношпние усизия к; оронтуршшплощади контакта), опиедедармое как
М - 0,36
R )
сум в f
дн„.
(5)
где ДРу — изменении измееибельного усииия наконечника , пв — коиичиство оонтактирующих волн в зоне контакта (для сферическаге иплоскоио нака-нечников при актишом контроле 6 процессе шли-
фования n = 1), Q
упругая постоянная контак-
тирующих мате°иалпв, спределяемая как
5 • 10"в • 4 • 10"4
n
в
Таблица 3
Значения погрешности механического контактирования от измерительного усилия ^ наконечников из высокопрочных и оптически прозрачных материалов на изделие из быстрорежущей стали
№ Измерит-ное усилие Риу, Н Погрешность механического контактирования / мкм
Алмаз Эльбор Стишовит Карбид кремния Фианит Корунды Оксинитрид алюминия
1 0,5 1,190 1,175 1,142 1,148 1,132 1,120 1,113
2 1 1,285 1,269 1,233 1,240 1,223 1,210 1,202
3 1,5 1,344 1,327 1,290 1,297 1,279 1,266 1,257
4 2 1,388 1,371 1,332 1,339 1,321 1,307 1,298
5 2,5 1,423 1,405 1,365 1,373 1,354 1,340 1,331
6 3 1,452 1,434 1,393 1,401 1,382 1,367 1,358
7 3,5 1,477 1,459 1,417 1,425 1,406 1,391 1,382
8 4 1,499 1,480 1,438 1,446 1,427 1,412 1,402
9 4,5 1,519 1,500 1,457 1,466 1,445 1,430 1,421
10 5 1,537 1,517 1,474 1,483 1,462 1,447 1,437
Таблица 4
Значения погрешности механического контактирования 1мк от измерительного усилия ^ наконечников из высокопрочных иоптически прозрачных материалов
на изделие из инструментальной стали
№ Измерит-ное усилие Ииу, Н Погрешность механического контактирования / мкм
Алмаз Эльбор Стишовит Карбид кремния Фианит Корунды Оксинитрид алюминия
1 0,5 1,178 1,164 1,132 1,113 1,120 1,109 1,105
2 1 1,272 1,257 1,223 1,202 1,210 1,198 1,193
3 1,5 1,331 1,315 1,279 1,257 1,266 1,253 1,248
4 2 1,374 1,358 1,321 1,298 1,307 1,294 1,289
5 2,5 1,408 1,392 1,354 1,331 1,340 1,326 1,321
6 3 1,437 1,420 1,382 1,358 1,367 1,354 1,348
7 3,5 1,462 1,445 1,406 1,382 1,391 1,377 1,371
8 4 1,484 1,466 1,427 1,402 1,412 1,398 1,392
9 4,5 1,503 1,486 1,445 1,421 1,430 1,416 1,410
10 5 1,521 1,503 1,462 1,437 1,447 1,433 1,427
ЫуУМ £
1 -аО„а , 1 " аизд ,
ч,,
(6)
где Е , Е и V
' ' иъгг ИПК И(
. , е и ^ , V — модули упругосты и коэф-
изд нак нак* изд J L J ^
В • в
фициенты Пуассона материалов, Вь у —~-~ —
В1Ь л Ваь
средний радиуи мелны контактирующих вверхно-стей.
В зависимости от соотношения Р и —ме зна-
с 0
чение Рг рассчитывается по разным фоомулам из системы урнв нений:
Ит, при условии ы -
и,.
н - н,а ¡°ме, " , ы
при условии ы -
и,.
о
(7)
где Нмт — меньшее значение микротвердости контактирующих материалов, как правило, соответствующее контролируемой детали.
3.2. Расчет погрешности механического контактирования. Итак, в соответствии с формулами (4) - (7) были рассчитаны значения механического контактирования Д для одноконтактного метода
о
Рис. 2. Зависимости погрешности механического контактирования 1 от измерительного усилия Биу наконечников из высокопрочных и оптически прозрачных материалов на изделие из быстрорежущей стали
Рис. 3. Зависимости погрешности механического контактирования 1 от измерительного усилия Биу наконечников из высокопрочных и оптически прозрачных материалов на изделие из быстрорежущей стали
измерения при условии Ка» 1 мкм при изменении измерительного усилия Гцу на поверхность в диапазоне от 0,5 до 5 Н для наконечников, изготовленных из алмаза, эльбора, стишовита, карбида кремния, фианита, корунда и оксинитрида алюминия, контактирующих с изделиями из быстрорежущей и инструментальной стали соответственно. Результаты расчетов представлены в табл. 3, 4 и изображены графически на рис. 2, 3.
Как видно из данных в этих таблицах и построенных графиков, их положение достаточно кучное. Для максимального измерительного усилия для контактных измерений в 3 Н [6] диапазон изменения погрешности механического контактирования Д1мк наконечников из разных материалов: алмаза, эльбо-ра, стишовита, карбида кремния, фианита, корунда не превышает » 0,1 мкм.
Заключение.
1. Подтвержден режим квазипластичности с отсутствием хрупкого разрушения наконечников, изготовленных из таких прозрачных и высокопрочных материалов, как алмаз, эльбор, стишовит, карбид кремния, фианит и корунд, в процессе активного контроля размеров изделий с измерительным усилием » 3 Н.
2. Ввиду близости прочностных характеристик оксинитрида алюминия к корунду сделано допущение о высокой степени вероятности существования
режима квазипластичности с отсутствием хрупкого разрушения для наконечников из этого материала.
3. Погрешность механического контактирования Д1 нелинейно зависит от измерительного
мк А
усилия F . Максимальное значение Д1 при изме-
-' иу мк 1
рительном усилии < 3 Н для наконечников, изготовленных из алмаза, эльбора, стишовита, карбида кремния, фианита, корунда и оксинитрида алюминия, не превышает 1,5 мкм.
4. Для измерительных усилий в диапазоне < 3 Н, являющемся рекомендуемым для контактных измерений, диапазон изменения погрешности механического контактирования Д1мк для изделия из быстрорежущей и инструментальной стали и наконечников из алмаза, эльбора, стишовита, карбида кремния, фианита, корунда и оксинитри-да алюминия < 0,1 мкм. Это значение, как правило, до 10 раз меньше основной погрешности измерений гибридных ПАК, поэтому ею можно пренебречь, фактически подтверждая независимость точности контактных измерений ПАК от материала наконечника.
Библиографический список
1. Волосов С. С., Педь Е. И. Приборы для автоматического контроля в машиностроении. М.: Машиностроение, 1970. 310 с.
2. Кондашевский В. В., Лотце В. Активный контроль размеров деталей на металлорежущих станках. Омск: Зап.-Сиб. кн. изд-во, Омское отд-ние, 1976. 431 с.
3. Высоцкий А. В., Соболев М. П., Этингоф М. И. Активный контроль в металлообработке. М.: Изд-во стандартов, 1979. 175 с.
4. Сайт АО «НИИизмерения». URL: http://www.micron. ru/production/active_instruments/bv-4304/ (дата обращения: 10.02.2018).
5. Пат. 2557381 Российская Федерация, МПК В 24 B49/00, G01 B7/12. Способ активного контроля линейных размеров в процессе обработки изделия и устройство для его реализации / Леун Е. В., Леун А. В.; заявл. 28.11.2013; опубл. 20.07.2015, Бюл. № 20.
6. Леун Е. В. Разработка приборов активного контроля размерных параметров изделий с использованием сапфировых измерительных наконечников // Омский научный вестник. 2016. № 4 (148). С. 123-127.
7. Пат. 2418669 Российская Федерация, МПК B 24B 1/00, B 24B 51/00. Способ шлифования изделий из сверхтвердых и хрупких материалов / Гридин О. М., Теплова Т. Б.; № 2009145164/02; заявл., 07.12.09; опубл. 20.05.11, Бюл. № 14.
8. Соловьев В. В. Повышение эффективности прецизионной обработки заготовок из лейкосапфира: дис. ... канд. тех. наук: 05.02.07. Брянск, 2012. 68 с.
9. Леун Е. В., Шулепов А. В. Исследование и разработка сапфировых измерительных наконечников для приборов активного контроля размерных параметров изделий // Омский научный вестник. 2017. № 3 (153). С. 91-95.
10. Леун В. И. Повышение эффективности технологии изготовления и точности измерения линейных размеров прецизи-
онных деталей приборов, машин и изделий инструментального производства средствами автоматического контроля: дис. ... д-ра техн. наук: 05.11.14, 05.11.01. СПб., 1994. 420 с.
ЛЕУН Евгений Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер АО «НПО Лавочкина».
SPIN-код: 6060-8056
AuthorlD (РИНЦ): 367560
AuthorlD (SCOPUS): 57200722184
ЛЕУН Владимир Исидорович, доктор технических
наук, профессор секции «Метрология и приборостроение» кафедры «Нефтегазовое дело, стандартизация и метрология» Омского государственного технического университета. AuthorlD (РИНЦ): 684649 AuthorlD (SCOPUS): 56556954500 Адрес для переписки: [email protected]
Для цитирования
Леун Е. В.,| Леун В. И.| Особенности контактирования прозрачных и высокопрочных измерительных наконечников приборов активного контроля размеров с изделиями в процессе их шлифования // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С. 134-139. Б01: 10.25206/1813-8225-2018-160-134-139.
Статья поступила в редакцию 21.06.2018 г. © Е. В. Леун, |В. И. Леун]
