CC BY
14
DOI 10.25987/VSTU.2019.15.2.021 УДК 621.923
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И КАЧЕСТВО АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ПЛАСТИН ИЗ КАРБИДА КРЕМНИЯ
С.Г. Бишутин, С.С. Алехин Брянский государственный технический университет, г. Брянск, Россия
Аннотация: статья посвящена исследованию производительности и качества алмазно-абразивной обработки карбидокремниевых пластин для обоснования направлений совершенствования рассматриваемого процесса механической обработки. Установлено, что с уменьшением зернистости алмазно-абразивной пасты (с 60/40 до 28/20 мкм) шероховатость обработанной поверхности уменьшается в 2,5.. .3 раза. Меньшая шероховатость поверхности ^а=0,5.. .0,6 мкм) достигается при использовании стеклянного притира. Исследования показали, что производительность процесса составляет 5.10 мкм/ч при использовании алмазной пасты АСМ 60/40 и АСМ 40/28, 4.7 мкм/ч при использовании алмазной пасты АСМ 28/20. Производительность алмазно-абразивной обработки карбидокремниевых пластин возрастает с увеличением скорости вращения инструмента и усилия его прижатия к заготовке. Кроме того, на скорость съема материала с заготовки существенно влияет режущая способность инструмента (притира), размеры, форма и количество обрабатываемых пластин. Получена зависимость для расчета скорости съема материала с заготовки, учитывающая основные факторы алмазно-абразивной обработки. Показано, что изменение схемы обработки добавлением осциллирующих движений планшайбы, применение стальных или чугунных притиров, повышение концентрации в пасте сверхтвердых режущих материалов являются наиболее эффективными путями совершенствования данной алмазно-абразивной обработки
Ключевые слова: алмазно-абразивная обработка, керамические материалы
Введение
Обработка деталей из керамических материалов, например, карбидокремниевых пластин, вызывает известные трудности вследствие повышенной твердости и хрупкости этих материалов, высоких требований к качеству и форме обработанной поверхности [1]. Финишным этапом механической обработки керамических пластин является алмазно-абразивная обработка [2, 3]. Однако такая обработка, в силу указанных особенностей, характеризуется высоким уровнем брака пластин (до 20%) и малой производительностью, что приводит к возрастанию себестоимости указанных изделий. Поэтому данная работа, направленная на преодоление указанных недостатков исследуемого процесса, является актуальной.
Постановка задачи
Исследование производительности и качества алмазно-абразивной обработки карбидо-кремниевых пластин для обоснования направлений совершенствования рассматриваемого процесса механической обработки.
Применяемое технологическое оборудование
Алмазно-абразивное шлифование пластин осуществлялось на специальном технологиче-
© Бишутин С.Г., Алехин С.С., 2019
ском оборудовании (рис. 1), на каркасе 1 которого смонтирован корпус 4. На корпусе крепится притир 6, контактирующий с обрабатываемыми заготовками.
Рис. 1. Схема технологического оборудования
Данное оборудование имеет плиту с двигателем и редуктором 2. С помощью блока управления 5 изменяется частота вращения притира при обработке керамических пластин. Держатель 3 имеет на конце ролики, с которыми контактирует алюминиевая планшайба с закрепленными на ней обрабатываемыми заго-
товками. Рабочая зона данного технологического оборудования (рис. 2) имеет прозрачное ограждение для наблюдения за ходом процесса обработки.
Рис. 2. Рабочая зона установки для алмазно-абразивной обработки пластин из карбида кремния
Исследование формирования шероховатости обработанной поверхности
Исследования включали несколько серий экспериментов. Обработке подвергались как цельные пластины, так и части пластин на различных режимах резания (рис. 3), с варьированием количества этапов обработки, использованием алмазных паст разной зернистости и двумя типами притиров. Данные о параметрах шероховатости обработанной поверхности, а также профиль образцов в виде профилограм-мы, были получены с помощью профилографа-профилометра «Mahr GmbH».
Условия проведения первой серии экспери
Рис. 3. Карбидокремниевые пластины, наклеенные на планшайбу и покрытые алмазно-абразивной пастой
На первом этапе была проведена одновременная обработка двух цельных пластин и нескольких их частей. Целью данного расположения пластин на планшайбе служит исключение биения карбидокремниевых заготовок о притир в процессе финишной абразивной обработки. Условия алмазно-абразивной обработки и параметры шероховатости представлены в табл. 1.
На втором этапе было проведено шлифование четырех карбидокремниевых заготовок и четырех частей кремниевой пластины на одной планшайбе. Измерение параметров шероховатости осуществлялось в продольном и поперечном направлениях. Результаты исследований представлены в табл. 2.
Таблица 1
и шероховатость поверхности пластины
Наименование параметра или элемента режима обработки Обозначение или величина
Алмазно-абразивный материал Паста АСМ 60/40 ПОМ ГОСТ 22593-83
Частота вращения инструмента, мин-1 48
Материал притира Сталь 45
Этапы и время обработки, нагрузка на планшайбу I этап: 30 минут без груза II этап: 105 минут с грузом 4,8 кг
Параметры шероховатости обработанной поверхности по ГОСТ 2789-73 Поперечная шероховатость
Rа, мкм 0,9...1,6
Яг, мкм 6,0...7,5
Яшах, мкм 6,5.9,0
Базовая длина шероховатости, мм 5,6
Таблица 2
Условия проведения второй серии экспериментов и параметры шероховатости поверхности
Наименование параметра или элемента ре- Обозначение или величина
жима обработки
Абразивный материал Паста АСМ 40/28 ПОМ ГОСТ 22593-83
Частота вращения инструмента, мин-1 30
Материал притира Стекло листовое, бесцветное ГОСТ 111-2014
Время обработки и нагрузка на планшайбу 120 минут с грузом 4,8 кг на планшайбе
Параметры шероховатости поверхности по ГОСТ2789-73 Продольная шероховатость Поперечная шероховатость
Яа, мкм 0,5.0,6 0,4.0,6
Я^, мкм 4,3.5,0 3,4.4,4
Ятах, мкм 4,7.5,9 5,3.5,5
Далее проводилась одновременная алмазно-абразивная обработка двух частей карбидо-кремниевых пластин и трех целых заготовок (рис. 4) следующим образом: обработка пастой АСМ 60/40 при частоте вращения планшайбы 30 мин-1 в течение 5 часов (четыре из которых с грузом 4,8 кг на планшайбе); обработка пастой АСМ 40/28 при частоте вращения планшайбы 35 мин-1 в течение 3-х часов с грузом; обработка пастой АСМ 28/20 при частоте вращения планшайбы 35 мин-1 в течение 2-х часов без нагрузки на планшайбу. Шероховатость обработанных керамических пластин в продольном направлении составила Ra= 1,0.. .1,1 мкм, Rz=6,0...6,2 мкм, Rmax=7,7...8,0 мкм в поперечном - Ra=0,95.. .0,98 мкм, Rz=6,5...6,7 мкм, Rmax=7,5.. .7,7 мкм.
Рис. 4. Планшайба с тремя целыми пластинами и двумя их четвертинами
Растрескивание пластин в ходе экспериментальных исследований не наблюдалось.
Анализ полученных результатов экспериментальных исследований показывает, что с уменьшением зернистости алмазно-абразивной пасты (с 60/40 до 28/20 мкм) шероховатость обработанной поверхности уменьшается в 2,5...3 раза. С увеличением количества этапов механической обработки поверхности снижается шероховатость поверхности и глубина дефектного слоя.
Меньшая шероховатость обработанной поверхности достигается при использовании стеклянного притира. Это объясняется тем, что абразивные зерна практически не шаржируются в стеклянные притиры и их количество не уменьшается.
Соотношения между высотными параметрами шероховатости поверхности карбидо-кремниевых пластин после алмазно-абразивной обработки следующие: Ятах/Яа=8.10, Я^/Яа=6.8.
Шероховатая поверхность пластин после рассмотренной обработки изотропна. Значения параметров шероховатости поверхности, при измерениях в различных направлениях, существенно не меняются.
Исследования производительности процесса алмазно-абразивной обработки
Исследования состояли из следующих этапов:
1. Подбор заготовок пластин таким образом, чтобы отклонение по толщине было не более 3-5 мкм.
2. Отрезание алмазным кругом требуемой части от целой пластины-заготовки.
3. Нанесение адгезионной пленки на одну сторону пластины-заготовки. Вторая сторона заготовки будет подвергнута обработке.
4. Нанесение на планшайбу смеси парафина и воска (толщина смеси - 5-8 мкм) и размещение на ней заготовок пластин. Суммарная толщина заготовки, состоящая из толщин пластины, пленки и клеевой смеси, находилась в пределах от 472 до 476 мкм.
5. Приклеивание заготовок к планшайбе путем их нагрева и охлаждения при комнатной температуре в течение 3-4 минут.
6. Установка планшайбы с заготовками на технологическом оборудовании и нанесение на притир (стеклянный диск) алмазной пасты.
7. Алмазно-абразивная обработка керамических заготовок на технологических режимах, представленных в табл. 3.
8. Оценка величины съема материала через каждые 40-50 минут путем измерения с помощью индикатора толщины пластин. Расчет скорости съема карбида кремния при алмазно-абразивной обработке.
9. Визуальный и инструментальный контроль качества обработанной поверхности. Удаление адгезионной пленки.
Из табл. 3 следует, что производительность процесса составляет 5.10 мкм/ч при использовании алмазной пасты АСМ 60/40 и АСМ 40/28, 4.7 мкм/ч - использовании алмазной пасты АСМ 28/20.
Обоснование направлений совершенствования процесса алмазно-абразивной обработки
Для обоснования направлений совершенствования проведем математическое моделирование процесса съема материала с пластин из карбида кремния (рис. 5).
Рис. 5. Схема алмазно-абразивной обработки
К притиру (инструменту) 1, вращающемуся с частотой п, с силой N прижимается заготовка 2 из карбида кремния и обрабатывается в течение времени t. За это время с пластины удаляется слой материала толщиной q. Формулу для расчета величины q можно получить следующим образом.
Скорость съема материала с заготовки при рассматриваемой алмазно-абразивной обработке можно представить в виде [4]
ш = kpV = кр2лгп, (1)
где к - коэффициент, учитывающий свойства карбида кремния и условия обработки; р - давление в зоне контакта; V - скорость перемещения рассматриваемой точки поверхности заготовки относительно притира; г - радиус, на котором находится рассматриваемая точка поверхности заготовки.
Из формулы (1) следует, что величина давления
р 2тскгп ( )
Таблица 3
Режимы и производительность алмазно-абразивной обработки
Стадия обработки Тип алмазной пасты по ГОСТ 25593-83 Время обработки, ч Толщина удаляемого слоя, мкм Скорость вращения притира, мин-1 Сила прижатия заготовок к притиру, Н
Цельная пластина Часть пластины
I АСМ 60/40 ПОМ 8 6 40.60 30-48 60
II АСМ 40/28 ПОМ 4 3 20.30 30-48 60
III АСМ 28/20 НОМ 4 3 15.20 30-48 35
Примечание. Применялся стеклянный притир (ГОСТ 111-2014).
Из условия равновесия обрабатываемой пластины следует, что
N = Ц pds, (3)
и
где N - усилие прижатия заготовки к инструменту; [8] - поверхность контакта инструмента (притира) и заготовки.
Уравнение (3) можно представить следующим образом:
2
N = | рЕяМг,
(4)
где R2-Rl - размер карбидокремниевой пластины (рис.5); f - коэффициент, зависящий от формы и площади обрабатываемой пластины.
При совместном решении уравнений (2) и (4) получим
N = Н*.
¿кп
Решая это уравнение, можно определить,
что
ш = -
кпК
^2 "
Тогда толщина слоя материала, удаляемого с заготовки при алмазно-абразивной обработке,
knN
а =ш 1 =-1 (5)
-
Для вычислений по формуле (5) требуется определить величину коэффициента к. Применительно к рассмотренным условиям обработки (см. табл. 3) можно получить, что к = (2,5...5,0)-10-8.
Из последней формулы следует, что производительность алмазно-абразивной обработки карбидокремниевых пластин возрастает с увеличением скорости вращения инструмента и усилия его прижатия к заготовке. Кроме того, на скорость съема материала существенно влияет режущая способность инструмента (притира), размеры, форма и количество обрабатываемых пластин.
Заключение
Проведенные исследования показали, что при одновременной алмазно-абразивной обработке нескольких карбидокремниевых пластин,
размещенных на одной планшайбе при большей частоте вращения инструмента, увеличивается производительность технологического процесса (до 50%), снижается шероховатость обработанной поверхности (до Rа=0,5...0,6 мкм), однако существенно возрастает интенсивность изнашивания притира. Если же осуществлять финишную абразивную обработку карбидокремниевых пластин совместно с кремниевыми пластинами на аналогичных режимах резания, то производительность процесса снижается, шероховатость обработанной поверхности возрастает до Яа=0,9.1,1 мкм вследствие загрязнения кремниевой стружкой поверхностей карбидокремниевых пластин. Однако величина износа притира в этом случае незначительна. Повышению производительности способствует увеличение пути трения обрабатываемой поверхности в процессе контактирования с притиром и числа режущих алмазно-абразивных зерен.
Учитывая вышеизложенное, можно утверждать, что изменение схемы обработки добавлением осциллирующих движений планшайбы, применение стальных или чугунных притиров, повышение концентрации в пасте сверхтвердых режущих материалов являются наиболее эффективными путями совершенствования данной алмазно-абразивной обработки.
Полученные результаты позволяют осуществлять выбор условий и режимов алмазно-абразивной обработки карбидокремниевых пластин, обеспечивающих требуемую скорость съёма материала (производительность) и шероховатость обработанной поверхности.
Литература
1. Влияние механической обработки на структуру поверхности монокристаллов карбида кремния / Н.И. До-лотов и др. // Физика и химия обработки материалов. 1986. № 4. С. 69-71.
2. Душко О.В., Шумячер В.М. Алмазное шлифование карбидокремниевой керамики для машиностроения: монография. Волгоград: ВолгГАСУ, 2009. 80 с.
3. Управление формообразованием прецизионных поверхностей деталей машин и приборов / И.П. Филонов и др. Минск: Дизайн ПРО, 1995. 208 с.
4. Бишутин С.Г., Алехин С.С. Совершенствование технологии финишной абразивной обработки пластин из карбида кремния// Вестник Брянского государственного технического университета. 2018. № 5(66). С. 9-13.
Поступила 26.02.2019; принята к публикации 22.03.2019
Информация об авторах
Бишутин Сергей Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры «Автомобильный транспорт», Брянский государственный технический университет (241035, Россия, г. Брянск, бульвар 50 лет Октября, 7), тел.: 8-483-256-09-95, е-таП: [email protected], ОЯСГО: https://orcid.org/ 0000-0002-9430-2936
Алехин Сергей Сергеевич - аспирант, Брянский государственный технический университет (241035, Россия, г. Брянск, бульвар 50 лет Октября, 7), тел. 8-483-256-09-95, е-таД: [email protected]
PRODUCTIVITY AND QUALITY OF DIAMOND-ABRASIVE PROCESSING OF PLATES FROM
SILICON CARBIDE
S.G. Bishutin, S.S. Alekhin
Bryansk State Technical University, Bryansk, Russia
Abstract: the article is devoted to the study of the productivity and quality of diamond-abrasive machining of silicon carbide plates to substantiate the directions for improving the machining process under consideration. It was established that with a decrease in the grit size of the diamond abrasive paste (from 60/40 to 28/20 ^m), the roughness of the treated surface decreases 2.5...3 times. Smaller surface roughness (Ra=0.5...0.6 ^m) is achieved using glass lapping. Studies have shown that the productivity of the process is 5...10 ^m/h with the use of diamond paste АСМ 60/40 and АСМ 40/28, and it is 4...7 ^m/h - using diamond paste АСМ 28/20. The performance of diamond-abrasive machining of silicon carbide plates increases with an increase in the speed of rotation of the tool and the efforts of its pressing to the workpiece. In addition, the rate of removal of material from the workpiece significantly affects the cutting ability of the tool (lapping tool), the size, shape and number of plates processed. The dependence for calculating the rate of removal of material from the workpiece is shown, taking into account the main factors of diamond abrasive machining. It is shown that changing the processing scheme by adding oscillating movements of the faceplate, using steel or cast iron lap, increasing the concentration of super hard cutting materials in the paste are the most effective ways to improve this diamond abrasive machining
Key words: diamond abrasive processing, ceramic materials
References
1. Dolotov N.I. "Impact of machining on structure of surface of monocrystals of silicon carbide", Physics and Chemistry of Processing of Materials (Fizika i khimiya obrabotki materialov), 1986, no. 4, pp. 69-71.
2. Dushko O.V., Shumyacher V.M. "Diamond grind of silicon carbideceramics for mechanical engineering: monograph" ("Almaznoye shlifovanie karbidokremniyevoy keramiki dlya mashinostroyeniya: monografiya"), Volgograd, VGАSU, 2009, 80 p.
3. Filonov I. P. et al. "Controlling the shaping of precision surfaces of details of machinery and equipment" ("Upravlenie formoobrazovaniem pretsizionnykh poverkhnostey detaley mashin i priborov"), Minsk, Dezain PRO, 1995, 208 p.
4. Bishutin S.G., Alekhin S.S. "Improvement of technology of finishing abrasive processing of plates from silicon carbide", The Messenger of the Bryansk State Technical University (Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2018, no. 5(66), pp. 9-13.
Submitted 26.02.2019; revised 22.03.2019 Information about the authors
Sergey G. Bishutin, Dr. Sc. (Technical), Professor, Bryansk State Technical University (7, Boul. of 50 Let Oktyabrya, Bryansk 241035, Russia), e-mail: [email protected], tel.: 8-483-256-09-95
Sergey S. Alekhin, Graduate student, Bryansk State Technical University (7, Boul. of 50 Let Oktyabrya, Bryansk 241035, Russia), e-mail: [email protected], tel.: 8-483-256-09-95
