Совершенствование процесса абразивно-струйной обработки деталей машино- и приборостроения путем воздействия на основу ориентированных ультразвуковых колебаний для повышения качества плазмонапыленных покрытий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Приходько, Сергей Викторович

• Приходько, Сергей Викторович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Приходько, Сергей Викторович

Введение.

Глава

Анализ современных методов повышения адгезионной прочности плазмонапылённых покрытий

1.1 Вопросы повышения качества покрытий, получаемых электроплазменным напылением.

1.2 Технологические методы регулирования свойств покрытий.

1.3 Влияние методов модифицирования поверхности основы на механические и физико-химические свойства покрытий.

1.4 Кинетика формирования микрорельефа и структуры поверхностного слоя механическими методами.

1.4.1 Дробеструйная обработка.

1.4.2 Виброобкатывание и вибровыглаживание.

1.4.3Ультразвуковая размерная обработка основы.

1.4.4 Ультразвуковая обработка нежестко закреплённым инструментом.

1.4.5 Абразивно-струйная обработка поверхностей.

1.4.6 Виброабразивная обработка поверхностей.

1.4.7 Абразивная обработка в планетарных барабанах.

Глава

Влияние ультразвуковых колебаний основы при её абразивно-струйной обработке на микрорельеф поверхности

2.1 Влияние ультразвуковых колебаний основы на параметры её микрорельефа при воздушно - абразивной обработке.

2.2 Модель формирования элементов микрорельефа поверхности основы при её воздушно - абразивной обработке с воздействием ультразвука.

2.3 Энергетическая активировка поверхности.

Глава

Экспериментальные исследования влияния метода подготовки поверхности на адгезионную прочность покрытий

3.1 Общий порядок исследования и планирование эксперимента.

3.1.1 Разработка плана эксперимента. Методы обработки результатов.

3.1.2 Оборудование и материалы.

3.2 Исследование влияния технологических режимов абразивно-струйной обработки на величину и однородность элементов микрорельефа.

3.3 Исследование морфологии и адгезионной прочности титановых электроплазменных покрытий при обычной и ультразвуковой подготовки поверхности.

Глава

Разработка технологии подготовки поверхности свободным абразивом в ультразвуковом поле под электроплазменное напыление титановых покрытий на примере дентальных имплантатов 4.1 Типовой маршрутный процесс изготовления дентальных имплантатов.

4.2 Технологические рекомендации по формированию микрорельефа.

4.3 Технологические рекомендации по плазменному напылению титана на поверхность, подготовленную ультразвуковой обработкой.

4.4 Технологическая схема изготовления плазмонапылённых внутрикостных дентальных имплантатов.

Глава

Практическое использование результатов исследований

5.1 Предложения по созданию устройства для абразивно-струйной подготовки поверхности с воздействием ультразвука.

5.2 Оценка технико-экономической эффективности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процесса абразивно-струйной обработки деталей машино- и приборостроения путем воздействия на основу ориентированных ультразвуковых колебаний для повышения качества плазмонапыленных покрытий»

Актуальность. Развитие современной техники характеризуется созданием и применением новых материалов, свойства которых отвечают в наибольшей степени служебному назначению изделия. При этом, в большинстве случаев, оказывается целесообразным (в основном по технологическим и экономическим причинам) изготавливать основу из обычного конструкционного материала, а на поверхности изделия формировать специальное покрытие, обладающее заданным комплексом механических, физико-химических и других свойств. При этом необязательно, чтобы сам материал детали обладал данными свойствами.

В зависимости от назначения изделий применяемые покрытия делятся на несколько групп: износостойкие, защитные, декоративные, покрытия со специальными газодиффузионными, СВЧ, биологическими и другими свойствами. Требуемые эксплутационные характеристики изделий с покрытиями обеспечиваются, с одной стороны механическими и физико-химическими свойствами материалов покрытий, а с другой стороны - параметрами структуры, микрорельефом поверхности и прочностью (адгезинно-когезионными характеристиками). При этом адгезия - прочность сцепления покрытий с основой, является основным их качеством, поскольку при малой адгезии, когда возможно осыпание покрытия, все другие его характеристики теряют практический смысл.

Вторым важным параметром покрытия является удельная поверхность, определяемая пористой структурой и микрорельефом поверхности. Для износостойких, защитных и декоративных покрытий требуется высокая плотность и, как правило, малая шероховатость. Для других упомянутых выше групп покрытий необходимы вполне определенная пористость и характер микрорельефа поверхности. Например, для газопоглощающих и эмиссионных покрытий важна высокая удельная поверхность, обеспечиваемая высокой пористостью при небольших размерах пор. Для биопокрытий, контактирующих с тканями организма при использовании в имплантатах, наряду с пористостью необходимо обеспечить значительные размеры большинства пор в структуре для стабильного прорастания костной ткани и создания упруго - демпфирующих характеристик.

На сегодняшний день получение таких разнообразных характеристик покрытия с приемлемой для практики точностью наиболее эффективно осуществимо методом электроплазменного напыления.

Однако, часть научных и практических вопросов остались не до конца проработанными. В частности, практически сложно обеспечить требуемую пористость покрытий и сохранить их высокую адгезию путем подбора режимов электроплазменного напыления. Равномерность адгезии, зависящая от равномерности подготовки исходной поверхности основы также весьма затруднительно повысить воздействием на процесс напыления, который отличается значительным разбросом параметров. В покрытии наблюдается присутствие нежелательных химических элементов, входящих в состав материалов анода и катода плазмотрона и аппарата абразивно - струйной подготовки поверхности.

Анализ вышеперечисленных вопросов позволяет предположить, что наиболее эффективно воздействовать на адгезию покрытий, не изменяя при этом их пористую структуру, можно путем изменения параметров микрогеометрии поверхности основы в процессе её подготовки под напыление. Эффективным методом такой подготовки можно считать введение ультразвуковой энергии в зону обработки, в частности - свободным абразивом. Основы таких методов были заложены А.И. Марковым и М.С. Нерубаем. Однако теория таких процессов касалась обработки детали, находящейся в прямом контакте с инструментом, что неприемлемо, например, в случае подготовки поверхности ряда изделий приборостроения и медицинского назначения, имеющих сложную форму и выполненных из относительно мягких материалов (например - титана), что может способствовать шаржированию абразивных частиц в его поверхность. Метод ультразвукового микрорезания также нельзя считать оптимальным по причине технической сложности осуществления для изделий сложной формы.

Наиболее простым и распространенным методом подготовки поверхности под напыление покрытий остается абразивно - струйная обработка. Теоретически и экспериментально этот метод подробно изучен в работах А. Е. Про-волоцкого [19], У. А. Икрамова [32, 37] и С. Г. Мчедлова [86]. Однако в них не рассматриваются особенности формирования микрорельефа при сообщении изделию ультразвуковых колебаний, что не позволяет однозначно рекомендовать этот метод для обработки поверхности различных деталей перед напылением. Использование стимулированного ультразвуком электрохимического травления образованного абразивно-струйной обработкой микрорельефа нельзя признать оптимальным вследствие экологической небезопасности и увеличения трудоемкости процесса, а также отсутствия возможности воздействовать непосредственно на процесс формирования микронеровностей [10].

Таким образом, можно сделать выводы, во-первых, в настоящее время существующий процесс электроплазменного напыления покрытий, в частности титановых, не позволяет существенно увеличить адгезию покрытий при сохранении требуемых по условиям работы данного покрытия параметров пористой структуры, а также не обеспечивает в полной мере требуемой чистоты их химического состава. Во-вторых, увеличение адгезионной прочности покрытий путем изменения поверхности основы воздействием ультразвука в процессе ее абразивно-струйной обработки малоизучено.

С учетом изложенного, а также, принимая во внимание растущую потребность повышения качества рабочих характеристик получаемых покрытий и приближение их качества к зарубежным аналогам, тема диссертационной работы является актуальной. Исследования по данной работе проводились в рамках Ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» по теме «Разработка научных основ формирования наноструктур на поверхности плазменно-дуговых биопокрытий дентальных имплантатов».

Таким образом, основная научная задача, решаемая в настоящей работе, заключается в установлении закономерностей влияния ультразвука в процессе абразивно - струйной обработки поверхности на адгезионную прочность высокопористых титановых покрытий через увеличение параметров микрорельефа поверхности и повышение её энергетического потенциала.

Цель работы в соответствии с вышеизложенным состоит в совершенствовании технологии абразивно - струйной обработки деталей машино - и приборостроения за счёт разработки процесса подготовки поверхности основы свободным абразивом с воздействием ультразвуковых колебаний под последующее электроплазменное напыление покрытий. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научно - практические задачи:

1) Разработаны процесс абразивно-струйной обработки поверхности с воздействием ультразвука и технология электроплазменного напыления титановых покрытий с высокой адгезией и чистотой фазового состава.

2) Разработаны модели возможных процессов регулирования параметров микрорельефа при помощи ультразвукового воздействия и микродеформирования поверхности потоком абразива, в зависимости от параметров воздействия ультразвука на обрабатываемую поверхность.

3) Выполнены экспериментальные исследования кинетики формирования микрорельефа потоком абразива в ультразвуковом поле и установлены зависимости размеров элементов микрорельефа и их однородности от акустических параметров, потока частиц и времени обработки. Определены возможности формирования ориентированной текстуры рельефа путём регулирования направления ультразвуковых колебаний.

4) Разработаны технические предложения по созданию установки для абразивной обработки поверхности в ультразвуковом поле под плазменное напыление титановых покрытий.

5) Определены технологические режимы электроплазменного напыления титановых покрытий, обеспечивающие высокую адгезию покрытия при уменьшении эрозии элементов плазмотрона, уменьшающие загрязнение покрытия его продуктами.

6) Исследованы механические и физико-химические свойства титановых покрытий, напыляемых на подготовленную потоком абразива в ультразвуковом поле поверхность.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

1. Метод формирования покрытий на деталях машино- и приборостроения с увеличенной адгезией и заданными пористостью и морфологией, как комплекс технологий абразивно-струйной обработки поверхности с воздействием ультразвука на основу перпендикулярно потоку частиц и плазменного напыления покрытий на пониженных электрических режимах.

2. Математические модели, адекватно описывающие процесс деформирования поверхности в зависимости от параметров абразивной струи, амплитуды и частоты ультразвука, времени обработки и свойств материалов.

3. Результаты экспериментальных исследований кинетики формирования микрорельефа потоком абразива в ультразвуковом поле в зависимости от направления колебаний, акустических параметров, давления и времени обработки, а также физико-механических свойств титановых покрытий, напыляемых на подготовленную потоком абразива в ультразвуковом поле поверхность. Эмпирические зависимости, полученные в ходе обработки результатов полнофакторного эксперимента.

4. Наиболее целесообразные режимы абразивно - струйной обработки и ультразвукового воздействия, полученные в результате обработки результатов эксперимента по критерию наибольшей контактной поверхности под напыление и уменьшение размерного износа.

5. Эмпирические зависимости адгезии покрытий от времени предварительной обработки поверхности, метода обработки и тока дуги, показывающее ее увеличение при воздействии ультразвука и повышение равномерности, а также позволяющее установить наилучшее время абразивно-струйной обработки.

Научная новизна. В ходе выполнения работы получены следующие новые теоретические и экспериментальные результаты, характеризующие процесс обработки поверхности изделий абразивно-струйным методом с воздействием ультразвука с формированием на ней заданного микрорельефа.

1. Разработан метод обеспечения заданных свойств поверхности точных деталей машино- и приборостроения сложной формы путем комплексного применения электрофизических процессов, заключающийся в предварительной абразивно-струйной обработке с воздействием ориентированных ультразвуковых колебаний, обеспечивающей формирование равномерного микрорельефа с наиболее рациональной величиной контактной поверхности, и последующем плазменном напылении покрытий с увеличенной адгезией и требуемым микрорельефом, величина которых определяется условиями ультразвукового воздействия.

2. Получена математическая модель, адекватно описывающая временную зависимость формирования элементов микрорельефа при воздействии на изделие ультразвуковых колебаний, ориентированных перпендикулярно струе абразива, и учитывающая влияние физико-механических свойств материала, скорости абразивных частиц и угла атаки их потока.

3. На основе проведения полнофакторного эксперимента получены экспериментально - аналитические зависимости формирования микрорельефа, на основе которых установлено определяющее влияние на величину элементов микрорельефа амплитуды ультразвуковых колебаний основы. Также определены наиболее целесообразные технологические режимы абразивно-струйной обработки, обеспечивающие минимальное изменение предварительно полученного размера изделия и параметры микрорельефа с распределением величин, близким к нормальному закону, и с максимальной длиной растянутого профиля, обеспечивающей увеличение адгезии покрытий при последующем плазменном напылении.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Разработан технологический процесс абразивно-струйной подготовки поверхности деталей под электроплазменное напыление титана с сообщением ей ультразвуковых колебаний перпендикулярно потоку частиц абразива, обеспечивающий при давлении воздуха в системе 0,6 МРа, амплитуде ультразвуковых колебаний 13 мкм, частоте ультразвука 44 кГц, времени обработки 18-20 с, величину элементов микрорельефа не менее Rz=4 мкм, Rmax =7,5 мкм, Sm=10 мкм. Разброс их значений по поверхности сокращается до 40% по сравнению с обычной абразивно-струйной обработкой. Также это обеспечивает увеличение адгезии покрытия по сравнению с существующим процессом на 25 - 30% при сохранении пористости покрытия на уровне 40 - 50%, о чем свидетельствует акт внедрения.

2. Предложена принципиальная схема устройства для абразивно-струйной обработки поверхности имплантатов с воздействием ультразвука, обеспечивающая заданный микрорельеф поверхности.

Методы и средства исследований. В работе использованы основные положения теории абразивной обработки, физики ультразвука, теории деформации материалов и теплопроводности, а также электроплазменного напыления.

Экспериментальные исследования выполнялись с использованием аппарата абразивно-струйной обработки «Чайка-20», ультразвукового генератора ГЗ-ЗЗ, УГТ-902, установки электроплазменного напыления ВРЕС 744.3227.001.

Микрорельеф основы и поверхности покрытия исследовали при помощи профилографа - профилометра «Калибр 170011» и цифрового комплекса 107622, морфологию поверхности и пористую структуру покрытия изучали на компьютерном анализаторе изображений микроструктур АГПМ-6М. Адгезию покрытия определяли методом среза на специально созданной установке, имеющей динамометр с пределом измерений +ЗН.

Апробация. Результаты работы были представлены в виде докладов на научно - технических конференциях: «Современная электротехнология в машиностроении» (Тула, 2004 г.), «Композиты XXI века» (Саратов, 2005 г.), «Современная электротехнология в промышленности России» (Тула, 2005 г.), «Современные проблемы имплантологии» (Саратов, 2004 г, 2006 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, включает список использованной литературы в количестве 124 наименований и приложения. Содержание работы изложено на 158 страницах машинописного текста и включает в себя также 39 рисунков и 21 таблицу.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Приходько, Сергей Викторович

Выводы:

1. Предложен технологический процесс абразивно - струйной обработки поверхности изделий из титана с воздействием ультразвука, обеспечивающий формирование развитого текстурированного рельефа повышенной однородности и определены технологические режимы.

2. Предложена технологическая схема электроплазменного напыления титанового подслоя на внутрикостные дентальные имплантаты, особенностями которой являются формирование на поверхности основы ориентированного микрорельефа повышенной однородности за счёт сообщения последней ультразвуковых колебаний перпендикулярно потоку абразивных частиц и плазменное напыление титана дисперсностью 70 - 80 мкм при малых токах дуги плазмотрона.

3. Реализация предложенной технологии позволяет формировать покрытия с высокой пористостью при сохранении требуемой адгезии, регулировать величину пористости, практически влияя на адгезию покрытия, снизить содержание в покрытии посторонних примесей и повысить ресурс плазмотрона за счёт снижения эрозии его анода и катода.

Глава 5

Практическое использование результатов исследований

5.1 Предложения по созданию устройства для абразивно - струйной подготовки поверхности с воздействием ультразвука

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований процессов формирования микрорельефа поверхности в ультразвуковом поле использованы при создании комплекса технологического оснащения, обеспечивающего управляемое воздействие ультразвуковой энергии на поверхность во время её абразивно - струйной обработки.

Источники ультразвука (преобразователи и генераторы) являются основным элементом технологического ультразвукового оборудования. В настоящее время признано [60], что для целей механической обработки, особенно там, где не требуются большие акустические мощности, наиболее целесообразным является применение преобразователей на основе пьезокерамических пластин, которые отличаются от магнитострикционных технической простотой, легкостью, компактностью и более высоким к.п.д. Различают клееные пакеты пьезокерамических преобразователей и собранные при помощи болтов и шпилек.

Выполненный объем экспериментальных исследований и анализ опыта разработки и эксплуатации пьезокерамических преобразователей позволили выработать следующие требования к конструированию этих узлов для применения в процессе подготовки поверхности к напылению с учетом требований к стабильности величины образующихся лунок при обработке:

1) крепление элементов преобразователя должно быть надежным, исключающим разрушение от знакопеременных нагрузок;

2) масса элементов преобразователя должна быть незначительной для уменьшения подводимой акустической мощности, габариты также должны быть минимальными;

3) накладки преобразователя должны быть изготовлены из однородных материалов;

4) преобразователь должен быть устойчив в работе в условиях термических и механических нагрузок и сохранять минимальное отклонение амплитуды колебаний выходного рабочего торца от задаваемого значения;

5) должно быть обеспечено максимальное совпадение амплитудно-частотных характеристик преобразователя с расчетными параметрами;

6) преобразователь должен быть максимально защищен от действия абразивных зерен в процессе обработки;

7) конструкция должна быть технологичной в изготовлении и просто встраиваемой в различное технологическое оборудование.

Перечисленным требованиям будет соответствовать преобразователь, накладки которого выполнены из титана, а все элементы собраны при помощи шпильки, и оснащенный датчиком обратной связи по собственной частоте колебаний преобразователя. Согласно резонансной кривой амплитудно-частотной характеристики максимальная амплитуда смещения торца преобразователя обеспечивается при совпадении собственной частоты колебаний его стержневой системы с частотой питающего напряжения. В реальных условиях вследствие изменения рабочих нагрузок (например, при изменении числа зерен абразива одновременно внедряющихся в материал обрабатываемой детали) или температурных условий, приводящих к изменению коэффициентов термического расширения элементов преобразователя, а значит, усилия их стяжки (вследствие разогрева пьезокерамики из-за перехода части акустической энергии колебаний в тепловую) возникает изменение собственной частоты колебаний системы относительно расчетной. К тому же возможно отклонение частоты питающего генератора или изменение напряжения электрической сети. Поэтому в течение рабочего цикла амплитуда колебаний преобразователя претерпевает изменения по величине, доходящие иногда до 25-40% от первоначально заданного значения. В наиболее распространенных случаях ультразвуковой обработки (размерная обработка, сверление, точение, резьбонарезание, сварка, очистка) это отклонение еще допустимо, т.к. приводит к изменению производительности процесса, не сказываясь практически на качестве обработки. В рассматриваемом процессе такое отклонение недопустимо, поскольку при абразивной обработке в ультразвуковом поле формируемые структурные элементы микрорельефа и амплитуда колебаний имеют близкие размеры. Поэтому ее изменение в указанных выше пределах при обычной величине 5-10 мкм вызовут значительные отклонения получаемых параметров от ожидаемых значений. Эти отклонения устраняются датчиками обратной связи, которые обычно представляют собой пьезокерамические пластины, выдающие импульсные сигналы в цепь сравнения частоты генератора с частотой, соответствующей истинной на данный момент частоте преобразователя. В генераторе по сигналу рассогласования формируется питающее напряжение той же частоты. Таким образом, частота питающего напряжения поддерживается постоянно с имеющейся на каждый момент времени собственной частотой преобразователя.

Существующие датчики обычно в виде отдельных конструктивных элементов размещаются либо на выходном рабочем торце преобразователя (что значительно усложняет конструкцию), либо на выходном торце пассивной (отражающей) накладки [60]. Последнее также нерационально, т.к. частота и амплитуда его колебаний могут отличаться от истинных колебаний пьезокерами-ческого пакета преобразователя. К тому же датчики выполняется из керамики иных линейных размеров, (а часто и другой марки), чем рабочие элементы, что вносит определенную погрешность в работу датчика.

Конструктивные особенности разработанного в ходе теоретических и экспериментальных исследований преобразователя (рис. 5.1) следующие.

Преобразователь стержневого типа выполнен на основе пьезокерамиче-ских колец из материала ЦТС-19 или ЦТС-24 диаметром 52 - 56 мм. Рабочая частотопонижающая (активная) накладка 1 выполнена из титана и имеет в узловой зоне фланец для крепления на оборудовании. Перепад диаметров входного и выходного торца обычно составляет 2:1. Пассивная накладка 3 также титаЯ новая и имеет на расстоянии — от выходного торца центрирующии поясок.

Рис. 5.1. Ультразвуковой преобразователь

1 - активная накладка;

2 - шпилька;

3 - пассивная накладка;

4 - токонепроводящая втулка;

5 - пьезоэлектрическое кольцо;

6 - фольга;

7 - электрод;

8 - электропровод;

9 - сегмент пьезокерамического кольца для датчика ОС;

10 - токоизолирующая прокладка;

11 - токосъемный электрод датчика ОС;

12 - кабель датчика ОС; 13- массовый кабель;

Соединены накладки при помощи шпильки 2. Для изоляции пьезокера-мических колец от шпильки на последнюю надета токонепроводящая втулка 4, выполненная из фторопласта Ф4.

Для лучшего электрического контакта между пьезокерамическими кольцами 5 и накладками проложены лепестки из алюминиевой фольги 6 толщиной 0,1 мм. Между двумя кольцами размещен токопроводящий электрод 7 толщиной 1 мм из латуни или меди. Для снятия сигнала обратной связи в качестве датчика используется непосредственно сегмент пьезокерамического кольца 9, отделенный от него токоизолирующей прокладкой (пластина фторопласта или керамики) 10. Такая конструкция не нарушает расчетных габаритов преобразователя, относительно проста и обеспечивает снятие сигнала непосредственно из зоны установки пьезокерамики, при помощи датчика, имеющего те же линейные размеры. Датчик имеет свой токосъемный электрод 11 и кабель 12. Массовый кабель 13 может крепиться непосредственно к пассивной накладке винтом 14. На рабочем торце для крепления инструмента выполняется резьбовое отверстие.

Для питания пьезокерамического преобразователя могут использоваться, например, модели ультразвуковых генераторов УГТ-901 и УГТ-902.

Генераторы выполнены по схеме параллельного инвертора на тиристорах ТЧ-50 и могут работать как в режиме независимого возбуждения, как и с использованием сигнала обратной связи для автоподстройки частоты. Схема электронной защиты обеспечивает надежную работу инвертора при коротком замыкании и при обрыве внешних цепей. Генератор УГТ-902 является дальнейшим развитием УГТ-901 и отличается отсутствием в электрической схеме силового трансформатора. С учетом опыта создания этих генераторов в Научно-исследовательском технологическом институте (НИТИ), г. Саратов были разработаны технические задания на усовершенствованные модели УЗГ-901 и УЗГ-902. Они отличаются выполнением задающего контура на базе интегральных микросхем, а также двумя ступенями резонансной частоты и плавной регулировкой выходной мощности в пределах 50%. Эти отличия позволяют облегчить регулирование акустических параметров в зоне обработки и обеспечить в автоматизированном режиме формирование заданных свойств поверхности покрытий. Техническая характеристика генераторов приведена ниже в табл.5.1.

В качестве модуля установки и вращения деталей типа имплантатов разработаны технические предложения на устройство, обеспечивающее сообщение последним ультразвуковых колебаний.

Кинематическая схема модуля представлена на рис. 5.2.

Заключение

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса формирования микрорельефа абразивно - струйным методом с наложением ультразвуковых колебаний и электроплазменного нанесения на подготовленную данным методом поверхность решена актуальная научно -практическая задача, имеющая важное значение для повышения качества и улучшения рабочих характеристик плазмонапыленных покрытий. Обеспечено увеличение адгезии покрытий при сохранении их высокой пористости и уменьшение содержания посторонних включений в покрытии. Это решается путем формирования однородного микрорельефа на поверхности изделия и придания ему профиля «стоячей волны», получения протяженных, ориентированных преимущественно в одном направлении лунок, дополнительной энергетической активации поверхности путем сообщения ей ультразвуковых колебаний, а также уменьшения тока дуги плазмотрона. В ходе выполнения работы установлены следующие факты:

1. Разработаны технологические процессы абразивно - струйной обработки поверхности титановых изделий с воздействие ультразвука и напыления на них титановых покрытий. Установлено, что сообщение основе ультразвуковых колебаний способствует повышению рельефности поверхности и её однородности, при этом наибольший эффект в процессе обработки оказывает наложение УЗ - колебаний перпендикулярно потоку абразива. При этом лунки имеют ориентированный рельеф и относительно большие размеры.

2. Выявлено, что УЗ - колебания могут интенсифицировать процесс образования лунок. Согласно теоретическим расчётам, пластическая деформация при озвучивании длится больше на 12 - 15%, а упругая деформация снижается. Т. е. абразив при той же кинетической энергии формирует более глубокие лунки. Возрастание тангенциальной составляющей деформации влечет удлинение лунок и увеличение коэффициента их перекрытия при действии УЗ в ходе процесса обработки и получения нового микрорельефа поверхности.

3) При реализации полнофакторного эксперимента получена математическая модель формирования параметров Rmax и Sm микрорельефа от амплитуды УЗ - колебаний, давления и времени обработки, которая описывает процесс с погрешностью не выше 5 - 7%, что позволяет с достаточной достоверностью определить технологические режимы УЗ-обработки.

4 Основным фактором, влияющем на параметры Rmax и Sm является время обработки детали. Амплитуда также является важным фактором и при большом её значении Rmax увеличивается с 6 до 7,5 мкм при времени обработки 20 секунд, a Sm с 10,8 до 13,5 мкм. Количество лунок возрастает лишь на несколько процентов, однако их средний диаметр увеличивается с 5,6 до 7 мкм т. е. поверхность становиться более рельефной, что обеспечивает лучшее сцепление частиц с деталью. Распределение элементов микрорельефа по величине близко к нормальному закону, а величина растянутой длины профиля шероховатости возрастает в 2-3 раза.

5) Разработана конструкция устройства для сообщения УЗ - колебаний обрабатываемым деталям, которое обеспечивает подвод УЗ энергии требуемой амплитуды в зону обработки а также автоматическое поддержание заданной величины амплитуды в процессе обработки.

6) В результате изменения параметров микрорельефа и дополнительной энергетической активации основы возможно сохранение высокой пористости и адгезии биоактивного покрытия при напылении со значением тока дуги на 20 -30% меньшим, чем при стандартных параметрах процесса напыления.

7) Предложен метод формирования на поверхности изделий покрытий электроплазменным напылением, особенностями которого являются формирование на поверхности основы ориентированного микрорельефа повышенной однородности за счёт сообщения изделию ультразвуковых колебаний перпендикулярно потоку абразивных частиц и плазменное напыление порошка титана дисперсностью 70 - 80 мкм при токах дуги плазмотрона 330 - 350 А.

8) Определены наиболее целесообразные величины технологических режимов абразивно-струйной обработки по критериям максимальной длины профиля и минимального изменения размера изделия: А=10-13мкм, Р=6МПа, t=20-25с.

9. Технико - экономический эффект составит экономию 222 рублей на одно напыление, при стоимости базовой детали 973 рубля.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Приходько, Сергей Викторович, 2007 год

1. Абрамов О. В. Ультразвуковая обработка материалов / О. В. Абрамов, И. Г. Хорбенко, Ш. Швегла ; под ред. О. В. Абрамова ; М. : Машиностороение, 1984.-280 с.

2. Основы физики и техники ультразвука : учебное пособие для вузов / Б. А. Агрант, М. Н. Дубровин, Н. Н. Хавский и др. ; М. : Высшая школа, 1987. -352 с.

3. Хорбенко Н. Г. Ультразвук в машиностроении -2-е изд. пераб. и доп. М.: Машиностроение, 1974. - 280 с.

4. Николаев В. Я. Размерная обработка / В. Я. Николаев; Саратов : 1983.66 с.

5. Бржозовский Б. М. Ультразвуковая обработка нежестко закрепленным инструментом : ученое пособие / Б. М. Бржозовский, О. В. Захаров Саратов. -СГТУ, 2002.- 101 с.

6. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки / Г. JI. Амитан, И.А, Байсупов, Ю. М. Барон ; под общ. ред. В. А. Во-лосатова. JI.: Машиностроение, 1988. - 719 с.

7. Одинцов JI. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием / Л. Г. Одинцов Справочник. ; М.: Машиностроение, 1987. 328 с.

8. Полевой С. Н. Упрочнение металлов. / Полевой С. Н., Евдокимов В. Д. : Справочник. М.: Машиностроение, 1986. - 320 с.

9. Конструирование, производство и применение внутрикостных стоматологических имплантатов : учебное пособие 4.1 и 4.2 / Н. В. Бекренев, Н. В. Протасова, И. В. Родионов, А. В. Лясникова ; Под ред. проф. Н. В. Лясникова. -Саратов : СГТУ, 2003. 76 с.

10. Лясникова А. В. Повышение качества электроплазменного напыления биопокрытий имплантатов на основе модифицирования подложки : автореф. . канд. техн. наук : / Лясникова Александра Владимровна. Саратов, 2002. -20 с.

11. Зимон А. Д. Адгезия пленок и покрытий. М.: Химия, 1977. - 325 с.

12. Козырев С. П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. М.: Машиностроение, 1964. - 137 с.

13. Кутьков А. А. Износостойкие и антифрикционные покрытия. М. : Машиностроение, 1976,- 152с.

14. Евсеев Д. Г. Формирование свойств поверхностных слоев при абразивной обработке. Саратов : СГУ, 1975. - 127 с.

15. Королев А. В. Исследование процесса образования поверхностей инструмента и детали при абразивной обработке. / А. В. Королев. ; Саратов : СГТУ, 1975.- 189 с.

16. Грилихес С. Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов / С. Я. Грилихес 2-е изд., перераб. и доп. ; Под ред. П. М. Вячеславова. - Л. : Машиностроение, 1977. - 112 с.

17. Никитин М. Д. Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей изделий / М. Д. Никитин, А. Я. Кулик, Н. И. Захаров. М.: Машиностроение, 1977.- 168 с.

18. Гаршин А. П. Абразивные материалы / А. П. Гаршин, В. М. Гролянов, Ю. В. Лагунов Захаров. Л.: Машиностроение, 1983. - 231 с.

19. Проволоцкий А. Е. Струйно абразивная обработка деталей машин / А. Е. Проволоцкий ; Киев. - Наукова думка, 1989. - 215 с.

20. Микрогеометрия и эксплутационные свойства машин. Сб. науч. трудов - Рига, 1983.-104 с.

21. Исследования в области измерений геометрических и параметров поверхности. М.: Изд. ВНИИМС, 1985. - 88 с.

22. Бабичев А. П. Основы вибрационной технологии. / А. П. Бабичев. -Ростов на - Дону : Рост. Гос. Тех. Ун-т, 1993.

23. Мартынов А. Н. Основы метода обработки деталей свободным абразивом уплотненным инерционными силами. / А. Н. Мартынов Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 1981. - 212 с.

24. Тарасов В. А. Методы анализа в технологии машиностроения / В. А. Тарасов : учеб. пособие. Москва : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 187 с.

25. Ящерицин П. И. Планирование эксперимента в машиностроении / П. И. Ящерицин, Е. И. Махаринский. Минск : Высшая школа, 286 с.

26. Прикладная техника обработки поверхности металлических материалов. Справ, изд. Симон Г., Тома М. Пер. с нем. ; Под ред. А. М. Пименова. -Челябинск: 1991.-386 с.

27. Бабичев А. П. Вибрационная обработка деталей / А. П. Бабичев 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1974. - 136 с.

28. Эскин Г. И. Ультразвук шагнул в металлургию / Г. И. Эскин изд. пе-раб. и доп. - М. Металлургия, 1975. - 216 с.

29. Крагельский И. В. Трение и износ / И. В. Крагельский 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.

30. Петросов В. В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента. / В. В. Петросов М.: Машиностроение, 1977. - 187 с.

31. Шнейдер Ю. Г. Эксплутационные свойства деталей с регулярным микрорельефом / Ю. Г. Шнейдер 2-е изд., перераб. и доп. - J1. : Машиностроение, 1982.-248 с.

32. Икрамов У. А. Расчет и прогнозирование абразивного износа / У. А. Икрамов, К. X. Махкамов. Ташкент : Фан, 1982. - 148 с.

33. Оценка контактного взаимодействия трущихся деталей машин / А. Е. Андрейкив, М. В. Черенец. Отв. редактор В. М. Голубец ; АН УССР Физико -механич. ин-т. Киев : Наукова думка, 1991. - 160 с.

34. Делюсто А. Г. Абразивно порошковая очистка проката от окалины. / А. Г. Делюсто - М.: Машиностроение, 2002. - 460 с.

35. Королев А. В. Теорико вероятностные основы абразивной обработки / А. В. Королев, Ю. К. Новоселов. - Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 1989. - 160 с.

36. Виноградов В. Н. Абразивное изнашивание / В. Н. Виноградов, Г. М. Сорокин, М. Г. Колокольников. М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.

37. Икрамов У. А. Расчетные методы оценки абразивного износа. М. : Машиностроение, 1987.-288 с.

38. Клячко JT. С. Пневматический транспорт сыпучих тел / J1. С. Клячко, Э. X. Одельский, Б. М. Хрусталев. Минск : Наука и техника, 1983. - 216 с.

39. Теребушко О. И. Основы теории упругости и пластичности. / О. И. Требушко М.: Наука, 1984. - 320 с.

40. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. / Э. Камке М.: Наука, 1976. - 576 с.

41. Жасимов М. М. Управление качеством деталей при поверхностном пластическом деформировании. / М. М. Жасимов Алма-Ата : Наука, 1986. -208 с.

42. Клубович В. В Ультразвуковая обработка материалов / В. В. Клубо-вич, А. В. Степаненко. Мн. : Наука и техника, 1981. - 295 с.

43. Орлов П. Н. Доводка труднообрабатываемых материалов свободным абразивом с наложением УЗ колебаний / П. Н. Орлов, Г. Р. Сачателян. - М. : Машиностроение, 1983. - 180 с.

44. Кильчевский Н. А. Теория соударения твердых тел. / Н. А. Кильчев-ский Киев : Наукова думка, 1969.

45. Виноградов В. Н. Изнашивание при ударе / В. Н. Виноградов, Г. М. Сорокин, А. Ю. Албагачев. М.: Машиностроение, 1982. - 192 с.

46. Клейс И. Р. Износостойкость измельчителей ударного действия / И. Р. Клейс, X. X. Ууэмыйс. М.: Машиностроение, 1986. - 157 с.

47. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. / Я. Б. Фридман М. : Машиностроение, 1974. - 472 с.

48. Хрущев М. М. Абразивное изнашивание / М. М. Хрущев, М. А. Бабичев. М.: Наука, 1970. - 251 с.

49. Таненбаум М. М. Сопротивление абразивному изнашиванию. / М. М. Таненбаум М.: Машиностроение, 1976. - 271 с.

50. Кудинов В. В. Плазменные покрытия. / В. В. Кудинов М. : Наука, 1977.- 184 с.

51. Beyerlein L. Das Plasmaspritzen und seinetechnisehe Anwendung / L. Beyerlein // Hermsedorf techn. 1987 - №. 27, s. 2300-2302.

52. Matehesius H. A. Anwendung des Thermischen Spritzens / A. H. Matehe-sius, R. N Kreisel // Metalloberflache. -1991 №45 s. 125-128.

53. Лясников В. H. Оборудование для плазменного напыления // Обзоры по электронной технике. Сер. Технология, организация производства и оборудование. М.: ЦНИИ «Электроника». - 1981. - Вып. 5 (775). - 47 с.

54. Лоскутов В. С. О возможности управления механическими характеристиками материалов, получаемых методом плазменного напыления // Порошковая металлургия, 1987. №8. - с. 15-19.

55. Лясников В. Н. Плазменное напыление / В. Н. Лясников, А. Ф. Большаков, В. С. Емельянов. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 1992. - 210 с.

56. Gruner Н. Moglichkeiten und Grenzen der Vacuum-Plasma-Spritztech / H. Gruner, A. Wohlen // Metalloberflache. 1986 - №40 s. 12-15.

57. Danzglock S. Vakuum-Plasma-Spritzen / S. Danzglock // Metalloberflache. -1991-№45(10) s.455-458.

58. Костиков В.И., Плазменные покрытия / Костиков В. И., Ю.А. Шестерни М.: Металлургия, 1978. 149 с.

59. Протасова Н.В. Управление формообразованием и свойствами биокомпозиционных покрытий дентальных имплантатов при электроплазменном напылении : дис. . канд. техн. наук : 05.09.10 /Протасова Наталия Владимировна. Саратов, 1999. - 251с.

60. Марков А. И. Ультразвуковая обработка материалов. / А. И. Марков М.: Машиностроение, 1980. - 250 с.

61. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. / А. И. Марков М.: Машиностроение, 1968. - 368 с.

62. Князьков А.А. Плазменное напыление композиционных материалов из титана и гидроксиапатита на имплантаты при воздействии ультразвуковых колебаний : дис.канд. техн. наук: 05.09.10 / Князьков А А Саратов, 2000.- 162с.

63. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева. М. : 1991.-800 с.

64. Таран В. М. Проектирование электроплазменного оборудования и автоматизированного оборудования. / В. М. Таран, С. М. Лисовский, А. В. Лясни-кова. М.: Изд - во МГТУ им. Баумана, 2005. - 256 с.

65. Кудинов В.В. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий / В. В. Куди-нов, В.М. Иванов-М.: Машиностроение, 1981. 192 с.

66. Борисов Ю.С., Влияние ультразвуковой обработки на процессы мас-сопереноса в газотермических покрытиях / А.Г. Ильенко, Г.И. Прокопенко // Металлофизика. 1991. Т. 13. №2 с. 99-103.

67. Крагельский И.В. Расчетные зависимости и методы экспериментального определения износа при трении / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин М. : Машиностроение, 1968. - 345 с.

68. Березин М.И. Низкотемпературная плазма и области ее применения / Обзоры по электронной технике. М., 1973. - Вып.24(167). - Сер. Технология, организация производства и оборудование. - 46с.

69. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник / Ю.С. Борисов, Ю.А. Харламов, СЛ. Сидоренко и др. - Киев : Наукова думка, 1987. - 544 с.

70. Электроплазменное напыление в производстве внутрикостных имплантатов / К. Г. Бутовский, А. В. Лясникова, А. В. Лепилин, Р. В. Пенкин, В. Н. Лясников. Саратов : Сар. гос. тех. ун - т, 2006. - 200 с.

71. Хасуй А. Техника напыления: Пер. с япон. / Под ред. С.Л.Масленникова. М.: Машиностроение, 1975. - 288 с.

72. Лясников В. Н. Комплексные исследования функциональных плазменных покрытий, разработка оборудования, технологии и внедрение их в серийное производство ЭВП : дис.докт. техн. наук: 05.09.10 / Лясников Владимир Николаевич М., 1987. 345 с.

73. Ящерицын П.И. Финишная обработка деталей уплотненным потоком свободного абразива. / П. И. Ящерицын, А. Н. Мартынов, А.Д. Гридин Мн.: Изд-во Наука и техник, 1978. - 205 с.

74. Газодинамическое напыление. Состояние и перспективы / А.П. Алимов, С.В. Клинков, В.Ф. Косарев и др. // Пленки и покрытия-98 : Сб. Ст.-Птб., 1998.- С. 20-25.

75. Интенсификация плазменного напыления при воздействии акустических и электрических колебаний на генераторную струю / Ильюшенко А.Ф., Лизунков Г.П., Шиманович В.Д. и др. // Инженерно- физический журнал, 1984.-т.47.-№5.-с. 812-816.

76. Лясников В. Н. Формирование равномерных по толщине плазменных покрытий / В.Н. Лясников, Т.В.Баландина, О.И.Веселкова и др. Саратов: изд-во Сарат. Ун-та, 1990. - 80 с.

77. Eschnauer Н. Fortschritte beim thermischen Spritcen / H. Eschnauer, E. Lugscheider // Metall, Heft 3, Marz, 1985, s. 218-224.

78. Байбурин В.Б. Модели и методы планируемого эксперимента: уч. пособие / В.Б.Байбурин, Р.П.Куженков: СГТУ. Саратов, 1994. - 52 с.

79. Бромштейн И.Н.Справочник по математике для инженеров и учащихся ВУЗов. / И.Н. Бромштейн, К.А. Семендяев 13-е изд., исправленное.- М. : Наука, 1986.-544 с.

80. Kirner К. Der vierte Aggregatzustand als Werkzeug / К. Kirner // Technik heute, v3,11,1985, s. 21-25.

81. Емельянов B.C. Автоматизация процессов плазменного напыления в крупносерийном производстве /B.C. Емельянов, В.Н. Лясников Саратов : Изд-во Сарат. политех. Ин-та., 1989. - 39 с.

82. Иванов Е.М., Углов А.А. Особенности газотермического нанесения покрытий на подложку / Е.М. Иванов, А.А. Углов // Физика и химия обработки материалов, 1989. № 6. - с. 27 - 31.

83. Лясников В.Н. Адгезия плазменных покрытий / В.Н. Лясников // Физико-химическая механика материалов, 1989. № 2. - с. 100 - 102.

84. Медведев Ю.А., Морозов И.А. О влиянии шероховатости и степени наклепа на прочность сцепления плазменных покрытий / Ю.А. Медведев, И.А. Морозов // Физика и химия обработки материалов, 1975. № 4, с. 27 - 30.

85. Получение покрытий высокотемпературным распылением / Под ред. J1. К. Дружинина, В. В. Кудинова. М.: Атомиздат, 1973. - 312 с.

86. Lyasnicov V.N. Properties of Plasma-sprayed Powder Coatings / V.N. Lyasnicov // Journal of Advanced Materials. vol. 4,1994.

87. Приходько В.М. Физические основы ультразвуковой технологии при ремонте автотракторной техники / В.М. Приходько. М. : "Брандес", 1996. -127 с.

88. Nejedly P. Ultraschall beim galvanischen Abscheiden / P. Nejedly, Ja. Neumann, Ja. Vitek // Metalloberflache -1991 №45 (7) s. 283-286.

89. Бекренев Н.В. Марков А.И. Влияние направления ультразвуковых колебаний на геометрические параметры процесса микрорезания / Н.В. Бекренев, А.И. Марков // Промышленное применение ультразвука : Сб. М. : Мета-лургия, 1985. -с.67-69.

90. Барвинок В. А. Управление напряженным состоянием и свойствами плазменных покрытий / В. А. Барвинок М.: Машиностроение, 1990.- 384 с.

91. Костюкович С. С., Бойков Г. В., Киселев М. Г. К вопросу использования ультразвуковых колебаний при абразивной обработке / С. С. Костюкович, Г. В. Бойков, М. Г. Киселев // Приборостроение, 1979. № 2. - с. 5 - 8.

92. Кравченко Б. А., Нерубай М. С., Штриков Б. J1. Влияние ультразвуковых колебаний на показатели процесса микрорезания алмазным зерном / Б. А. Кравченко, М. С. Нерубай, Б. J1. Штриков // Синтетические алмазы, 1976. -№2.-с. 41-44.

93. Родзянко Е. Д., Либкинд Ф. Я. Формообразование микрогеометрии при алмазной ультразвуковой доводке отверстий с применением крутильных колебаний. / Е. Д. Родзянко, Ф. Я. Либкинд Л.: РИСХМ, ЦНИТА, 1983. - 85 с.

94. Влияние режимов плазменного напыления титана и гидроксиапатита на структуру поверхности внутрикостных имплантатов / В.Н. Лясников, И.В. Фомин, А.В. Лепилин и др. // Новое в стоматологии, 1998. № 4(64). - с.45 - 51.

95. Внутрикостные стоматологические имплантаты. Конструкции, технологии, производство и применение в клинической практике / Лясников В.Н., Верещагина Л.А., Лепилин А.В.и др.: Под ред. Лясникова В.Н., Лепилина А.В. Саратов : Сарат. гос. ун-т, 1997. - 88 с.

96. Оптимизация процесса плазменного напыления при производстве дентальных имплантатов / В.Н. Лясников, А.И. Жбанов, Н.В. Бекренев и др. //

97. Современные проблемы имплантологии : Тез. докл. Саратов, 1998. - с. 92 -94.

98. Сакулевич Ф. Ю. Основы магнитно абразивной обработки / Под ред. П. И. Ящерицина. - Минск.: Наука и техника, 1981. - 327 с.

99. Материалы сайта www.ogbus.ru

100. Кащеев В. Н. Абразивное разрушение твердых тел / В. Н. Кащеев. -М.: Наука, 1970.-240 с.

101. Михин М. Н. Внешнее трение твердых тел / М. Н. Михин . М.: Наука, 1977.-221 с.

102. Бекренев Н. В. Ультразвуковая абразивно струйная подготовка поверхности под электроплазменное напыление биопокрытий дентальных имплантатов / Н. В. Бекренев, А. В. Лясникова, С. В. Приходько // Технология металлов, 2005 - № 11 с. 39 - 43.

103. Приходько С. В. Ультразвуковые процессы и аппараты в биологии и медицине / Н. В. Бекренев, О. А. Дударева, А. В. Лясникова, С. В. Приходько ; Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов : СГТУ, 2005. - 120 с.

104. Приходько С. В. Ультразвуковое модифицирование поверхности дентальных имплантатов в процессе её абразивно-струйной обработки под электроплазменное напыление биопокрытий / Н. В. Бекренев, С. В. Приходько // Вестник СГТУ. 2006. - №1. с.

105. Тамаркин М. А. Теоретические основы оптимизации процессов обработки деталей свободными абразивами / М. А. Тамаркин, А. И. Азарова // Вестник машиностроения. 2002. - № 6. - С. 50 - 54.

106. Сулима А. М. Поверхностный слой и эксплутационные свойства деталей машин / А. М. Сулима, В. А. Шулов, Ю. Д. Ягодкин- М.: Машиностроение, 1988.-240 с.

107. Дёмкин Н. Б. Качество поверхности и контакт деталей машин / Н. Б. Дёмкин, Э. В. Рыжов М.: Машиностроение, 1981. - 244 с.