книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов.-1

Если в течение полного цикла правки не обеспечивается требуемая точность (плоскостность) притиров, то цикл правки следует повторить. Если притиры изношены незначительно, то требуемую плоскостность можно получить, не производя всех шести правок.

Методы абразивной доводки. Доводочные операции отличаются друг от друга способом нанесения абразивных зерен, методом их закрепления и характером осуществления процесса резания. В зависимости от этих условий различают следующие виды абразивной доводки:

1)с непрерывной подачей абразивной смеси;

2)с нанесением (намазкой) абразивной смеси на притир;

3)шаржированными притирами;

4)притирами со связанным абразивом в виде специальных мелкозернистых кругов.

Доводка с непрерывной подачей абразивной смеси. В этом слу-

чае смесь, представляющая суспензию с различной концентрацией абразива (от 5–10 до 30–45 %), заливается в специальный бак, где непрерывно перемешивается специальным устройством. Из бака по системе трубопроводов смесь с помощью насоса подается на рабочую поверхность притира и обрабатываемую поверхность детали. Оттуда, пройдя предварительную очистку от частиц металла с помощью магнитного фильтра или сепаратора, смесь снова возвращается в бак.

Работа с непрерывной подачей абразивной смеси, как правило, применяется на предварительных доводочных операциях, так как точность и качество поверхности при этом способе доводки невысоки. Кроме того, при непрерывной подаче смеси требуется частая очистка (промывка) трубопроводов, а также предохранение трущихся частей станка от повышенного износа вследствие попадания на них абразивных зерен.

Преимуществами этого способа доводки являются возможность работы по автоматическому циклу без частого вмешательства рабочего,

121

а также высокая и почти постоянная в течение значительного времени производительность.

Доводка с нанесением (намазкой) абразивной смеси на притир.

При этом виде доводки используются густые смеси с повышенной концентрацией абразива, а также специально приготовленные пасты. Нанесение смеси на притир может производиться либо кистью или тампоном, либо непосредственно насыпкой абразивного порошка и поливкой его жидкостью в строго дозированных количествах. После нанесения смеси производится ее разравнивание на рабочей поверхности притира до получения тонкого слоя. По окончании цикла доводки отработанная смесь тщательно удаляется с поверхности притира, затем наносится свежая доза смеси, и цикл повторяется.

Такой способ доводки менее производителен, так как вследствие измельчения и затупления зерен и накопления металлических частиц абразив в течение цикла доводки теряет свои режущие свойства. Однако доводка с намазкой абразивной смеси по сравнению с непрерывной ее подачей обеспечивает более высокуюточностьразмеров иформы деталей.

При доводке как с непрерывной подачей, так и с намазкой притиров большая часть абразивных зерен находится в свободном, незакрепленном состоянии в зазоре между притиром и деталью, совершая независимые друг от друга перемещения: качение, скольжение и вращение.

Доводка шаржированными притирами. Такой способ доводки заключается в следующем: вначале производится шаржирование рабочей поверхности притира абразивом, то есть в поверхностном слое материала притира закрепляются абразивные зерна, а затем – обработка поверхности детали.

Притиры, на рабочих поверхностях которых закрепляются абразивные зерна, изготавливаются из чугуна на перлитной или перлитоферритной основе. Внедрение абразивных зерен большей частью происходит в ферритные участки металлической основы чугуна. Опыт работы показывает, что каждую операцию шаржирования притира следует производить не более 2,5–3 мин, после чего необходимо нанести определенную дозу свежей абразивной смеси и повторить операцию. После нескольких операций достигается полное насыщение поверхности притира абразивом. Когда шаржирование окончено, притир тщательно очищается.

Доводка деталей шаржированным притиром производится с нанесением на него лишь тонкого слоя смазки. В этом случае обработка по-

122

верхностей деталей производится закрепленными абразивными зернами подобно тому, как она осуществляется при использовании абразивных брусков или кругов. Доводка шаржированными притирами наименее производительна, однако она обеспечивает наиболее высокую точность (плоскостность и плоскопараллельность в пределах 0,1–0,2 мкм) и малую шероховатость (Ra = 0,02…0,008 мкм) поверхности.

Доводка притирами со связанным абразивом в виде мелкозер-

нистых кругов. Такой вид доводки осуществляется абразивными притирами, изготовляемыми в виде мелкозернистых кругов на керамической, бакелитовой или вулканитовой связках. Рабочие торцы кругов-притиров при работе быстро засаливаются, обрабатываемая поверхность перегревается, что приводит к появлению дефектов. В связи с этим этот вид обработки применяют для предварительной доводки. Производительность доводки связанным абразивом ниже, чем при доводке притирами с намазкой абразивной смеси. Объясняется это более полным использованием режущих свойств зерен при доводке с намазкой вследствие их перекатывания и введения в работу большего числа вершин и кромок.

Влияние технологических факторов на качественные показатели процессадоводк

Материал абразива. Различные абразивные материалы, применяемые при доводке в виде порошков и паст, отличаются по своим фи- зико-механическим свойствам и работоспособности. Известно, что при прочих одинаковых условиях применение более твердых абразивных материалов позволяет повысить производительность доводки, но шероховатость поверхности при этом ухудшается. При сравнительном испытании в одинаковых условиях микропорошков из электрокорунда белого ЭБМ20, карбида кремния зеленого КЗМ20 и синтетического алмаза АСМ20 наибольшая производительность получена при доводке микропорошком АСМ20.

Эффективность алмазных микропорошков наиболее ярко проявляется при обработке твердых материалов. Так, при доводке закаленной стали ШХ15 микропорошком АСМ20 съем металла в 2–2,5 раза больше по сравнению с ЭБМ20 и КЗМ20.

Наименьшая величина шероховатости поверхности при испытаниях получена при использовании наименее твердого материала ЭБМ20.

Таким образом, доводку мягких материалов следует производить микропорошками из электрокорунда или карбида кремния зеленого. При доводке твердых материалов (закаленных сталей, твердых сплавов) целесообразно применение алмазных микропорошков и паст.

123

На плоскостность доведенной поверхности материал абразива влияния не оказывает.

Зернистость абразива. С изменением зернистости абразивных (алмазных) микропорошков и паст при прочих равных условиях изменяются размеры и количество абразивных зерен, участвующих в работе, соответственно изменяется нагрузка на отдельное зерно. Поэтому изменение зернистости отражается на условиях микрорезания и влияет на производительность доводки и шероховатость обработанной поверхности.

Съем материала зависит не только от глубины рисок (размеров срезаемых стружек), но и от их количества, приходящегося на единицу площади. Конечный результат зависит от того, какой из этих факторов преобладает. При оптимальном количестве абразива преобладает первый фактор, при уменьшении зернистости величина съема металла снижается. Соответственно уменьшается шероховатость доведенной поверхности. Это объясняется тем, что по мере уменьшения размеров зерен возрастает их общее количество, снижается нагрузка на каждое зерно, оно меньше проникает в обрабатываемый материал и срезает стружки значительно меньшего сечения.

При применении количества абразива меньше оптимального крупные зернистости показывают не больший, а меньший съем материала по сравнению с мелкими зернистостями. Это может быть объяснено преобладанием второго фактора.

Для снижения шероховатости поверхности предпочтение следует отдавать мелкозернистостым микропорошкам и пастам.

Количество абразивного микропорошка, нанесенного на по-

верхность притира, оказывает влияние на результаты процесса доводки и, в первую очередь, на удельный расход абразива и производительность процесса.

По мере увеличения количества абразивного микропорошка возрастает производительность доводки (величина съема материала). Причем производительность растет значительно медленнее, чем увеличение количества абразива. Так, при увеличении количества абразива в 6 раз производительность возрастает лишь в 1,25–1,7 раза. Такое отставание съема можно объяснить тем, что с увеличением количества абразивных зерен снижается нагрузка на каждое зерно, следовательно, уменьшается интенсивность резания. Кроме того, при слишком большом количестве абразива происходит пересыщение рабочей зоны, абразивные зерна начинают свободно перемещаться, не производя полезную работу.

124

Оптимальное количество абразива в рабочей зоне определяется условием, при котором абразивные зерна располагаются на рабочей поверхности притира в один слой достаточно близко друг к другу без касания. Следовательно, количество абразива зависит от размеров притира и зернистости применяемого микропорошка. Изменение количества абразива незначительно влияет на шероховатость, плоскостность обработанной поверхности.

Контактное давление. Абразивные зерна при доводке подвергаются воздействию больших динамических нагрузок, превосходящих их сопротивляемость раздавливанию. Процесс съема материала сопровождается разрушением зерен абразива. В этих условиях максимальные усилия, передаваемые зернами обрабатываемой поверхности определяются только прочностью самих зерен. Поэтому шероховатость обработанной поверхности с изменением давления изменяется незначительно. Однако при уменьшении контактного давления шероховатость поверхности несколько улучшается, уменьшаются случаи образования отдельных грубых рисок.

Производительность доводки возрастает пропорционально увеличению контактного давления, но до определенного предела (для закаленной стали – 60 кПа (6 кг/см2)). Дальнейшее увеличение давления не приводит кувеличению производительности, так как затрудняется доступ абразивных зерен в рабочую зону (увеличивается сближение притира с обрабатываемой поверхностью).

Рост производительности доводки с увеличением контактного давления объясняется тем, что по мере увеличения давления, благодаря упругим деформациям притира и детали, возрастает количество абразивных зерен, активно участвующих в работе. Оптимальное давление определяется в каждом конкретном случае экспериментально, так как существенно зависит от материала обрабатываемой детали, притира и характеристики абразива.

Время обработки. С увеличением времени доводки (без замены абразива) суммарный съем материала возрастает: в начальный период интенсивно, а затем с отставанием от времени. Производительность доводки (минутный съем) с увеличением времени снижается. Это объясняется постепенным затуплением и разрушением абразивных зерен, появлением шлама, испарением жидкой среды.

Характер изменения минутного съема во времени зависит от материала применяемого абразива. При использовании мягких абрази-

125

вов минутный съем снижается значительно быстрее, чем при твердых абразивах.

Шероховатость доведенной поверхности по мере увеличения времени обработки снижается, что также связано с постоянным измельчением абразивных зерен.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К РАЗДЕЛУ II

1.Охарактеризуйте принцип действия лазера.

2.Назовите основные типы лазеров и принципы их работы.

3.Какова рабочая схема плазменной наплавки.

4.Дайте описание процесса SLS-технологии.

5.Опишите процесс DMD (LENS)-технологии.

6.Назовите преимущества метода ЭЭО (ЭЭО – электроэрозионная обработка) перед другими методами обработки металлов.

7.Укажите недостатки метода ЭЭО.

8.Опишите процессы в межэлектродном промежутке.

9.Какие процессы происходят в единичной лунке.

10.Что показывает коэффициент Палатника.

11.От каких параметров ЭЭО зависят производительность и качество обработки.

12.Опишите сущность процесса абразивной доводки.

13.Назовите общие признаки, характеризующие процесс абразивной доводки.

14.Назовите области применения процесса абразивной доводки

иполировки в нанометровом диапазоне.

15.Дайте классификацию абразивных материалов.

16.Назовите методы финишной абразивной доводки и полировки.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ К РАЗДЕЛУ II

1.Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н. Технические процессы лазерной обработки: учеб. пособие для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006.

2.Технология лазерной обработки конструкционных и инструментальных материалов в авиадвигателестроении: учеб. пособие / Р.Р. Лапытов, Н.Г. Терегулов [и др.]. – М.: Машиностроение, 2007.

126

3. Абляз Т.Р. Современные подходы к технолоии электроэрозионной обработки материалов: учеб. пособие / Т.Р. Абляз, А.М. Ханов, О.Г. Хурматулин. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та,

2012. – 121 с.

4.Елисеев Ю.С. Электроэрозионная обработка изделий авиацион- но-космической техники / Ю.С. Елисеев, Б.П. Саушкин; под ред. Б.П. Саушкина. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 437 с.

5.Серебреницкий П.П. Современные электроэрозионные технологии и оборудование: учеб. пособие; Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2007. –

228с.

6.Денисова Н.Е. Триботехническое материаловедение и триботехнология: учеб. пособие. – Пенза: Изд-во Пензен. ун-та, 2006. – 248 с.

7.Никифоров А.Д., Ковшов А.Н., Назаров Ю.Ф. Высокие технологии размерной обработки в машиностроении: учеб. для вузов. – М.: Высшая школа, 2007. – 326 с.

8.Григорьев С.Н., Грибков А.А., Алешин С.В. Технология нанообработки: учеб. пособие. – Старый Оскол, 2008. – 319 с.

127

Раздел III СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ

ЛЕКЦИЯ 7. СКАНИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

7.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СЭМ

Под микроскопией подразумевается изучение объектов, которые настолько малы, что их невозможно исследовать невооруженным глазом. Электронный микроскоп расширил предел разрешения от длины световой волны до атомных размеров, а точнее, до межплоскостных расстояний величиной порядка 0,15 нм.

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) является одним из наиболее универсальных приборов для исследования и анализа микроструктурных характеристик твердых тел. Основной причиной широкого использования СЭМ является высокое разрешение при исследовании массивных объектов, достигающее в серийных приборах разрешение 10 нм.

Другой важной чертой получаемых с помощью СЭМ изображений является их объемность, обусловленная большой глубиной фокуса прибора. СЭМ также позволяет получать изображения при малых увеличениях, что особенно важно в самых различных задачах исследований и для диагностики материалов и изделий на их основе.

Физические принципы взаимодействия электронного пучка с образцом

Как правило, исследование структуры веществ основано на взаимодействии некоторой формы излучения с образцом. Обычно для этого используют видимый свет, рентгеновское излучение или пучок высокоэнергетических электронов. Эти формы излучения соответствуют методам оптической микроскопии, рентгеновской дифракции и электронной микроскопии. Появившийся в результате взаимодействия сигнал обрабатывают для получения качественной или количественной информа-

128

ции. Как правило, микроскоп создает двумерное изображение образца, а методы микроанализа позволяют получить спектр, в которм интенсивность сигнала представлена в виде зависимости от энергии или длины волны. Сигнал может также иметь вид дифракционной картины или дифракционного спектра.

Формы взаимодействия излучения с исследуемым материалом можно представить какупругоеинеупругое видырассеяния (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Формы взаимодействия излучения с исследуемым объектом

Упругорассеянный сигнал может быть собран оптической системой для формирования реального трехмерного изображения, однако можно анализировать и дифракционные максимумы в обратном пространстве. Процессы неупругого рассеяния позволяют анализировать энергетические спектры первичных электронов, а также сигналы возбуждения вторичных электронов и рентгеновского излучения.

Появление максимумов интенсивности на рентгеновских дифракционных картинах, характеризующих отдельные фазы и их ориентацию в пространстве, обусловлено именно упругим взаимодействием. Кроме того, благодаря упругому взаимодействию строится изображение в просвечивающем электронном микроскопе. Этот метод позволяет обнаружить дефекты в кристаллах (границы зерен, дислокации и т.д.). При неупругом взаимодействии излучение теряет часть энергии и приводит к возбуждению материала.

129

Воптическом микроскопе изображение создается за счет различного отражения «видимого» света различными точками образца, причем степень отражения может зависеть от длины падающей волны света. Таким образом, изображение в нем обусловлено как упругим, так и неупругим взаимодействием. Например, золото и медь поглощают короткие волны (синий и зеленый свет), но отражают более длинные (красный и желтый). Отражение является упругим процессом, а поглощение – неупругим.

Вэлектронном микроскопе высокоэнергетические электроны постепенно теряют свою энергию по мере движения в образце. Потери энергии характеризуют электронные уровни атомов, и анализ спектров энергетических потерь позволяет определить химический состав образца. В результате взаимодействия первичных электронов с исследуемым материалом излучается рентгеновский сигнал, который анализируют спектроскопическими методами.

Упругое рассеяние используется в оптических и электрооптических системах, формирующих изображение в реальном пространстве. Кроме того, упругое рассеяние может приводить к дифракционным явлениям, которые обычно анализируют в обратном пространстве. В реальном пространстве, прежде всего, интересен размер и форма особенностей структуры, а также расстояние между ними, а в обратном пространстве объект характеризуется углами рассеяния. Эти углы обратно пропорциональны расстоянию между изучаемыми деталями, и из-за этого появляются дифракционные пики, которые в оптике называют максимумами, а в рентгеноскопии – рефлексами.

Попадая на образец, электронный пучок вызывает появление нескольких продуктов взаимодействия, регистрация которых позволяет получить необходимуюинформациюобобразце. Зона, илипо-другому«груша», взаимодействия электронного пучка с образцом называется также зоной возбужденияивпоперечномсеченииимеетвид, представленныйнарис. 7.2.

Зона возбуждения в свою очередь может быть разделена на области в зависимости от основного продукта взаимодействия. Каждую из указанных на рис. 7.2 областей характеризует один из основных сигналов, который может быть зарегистрирован специальными детекторами.

К основным регистрируемым сигналам относятся:

– электронные, в этом случае регистрируются электроны, образовавшиеся в зоне возбуждения;

– фотонные, регистрируются кванты испущенного из зоны возбуждения излучения: в рентгеновском (характеристическое и тормозное излучения) и оптическом (катодолюминисценция).

130