Юрчук А.А, студент, Сохань С.В., д.т.н., доцент

НТУУ «Київський політехнічний інститут», м. Київ, Україна

ШЛЯХИ ВИГОТОВЛЕННЯ СФЕРИЧНИХ КЛАПАНІВ З КЕРАМІКИ

У статті розглядаються шляхи виготовлення кульових клапанів з кераміки прецизійним алмазним шліфуванням на сучасному верстаті з ЧПК.

Конструкційні керамічні матеріали все більш широко використовуються в машинобудівній, хімічній і інших галузях промисловості, де експлуатуються в значній кількості підшипники кочення, вимірювальні механізми, насоси, гідродвигуни й інші механізми, ресурс і надійність роботи яких в основному визначається працездатністю і якістю виготовлення прецизійних сферичних виробів типу "кулька" чи "кульовий клапан". До властивостей, які надають перевагу керамічним матеріалам, відносяться: низькі щільність і коефіцієнт теплового розширення, висока твердість, жорсткість, міцність, термостійкість, унікальна зносостійкість в умовах впливу агресивних середовищ і абразивів, нечутливість до магнітного поля й ін.

Особливе місце серед них займають карбідокремнієві кераміки, як спечені, так і реакційно зв'язані, що відрізняються твердістю, зносостійкістю, низьким температурним коефіцієнтом лінійного руйнування й стійкістю на повітрі при високих температурах. Подальше поліпшення властивостей SiС-керамік іде шляхом їхнього армування, наприклад, нитковидними кристалами й волокнами. Одним з найкращих армуючих матеріалів для них є алмаз. Він має відмінні механічні й теплофізичні властивості, що помітно перевершують карбід кремнію. Саме тому армування SiС-керамік алмазними частками призводить до одержання композиційних матеріалів з унікальним сполученням пружності, теплопровідності, жорсткості й зносостійкості.

Виходячи з фізико-механічних характеристик керамічних матеріалів, єдиним шляхом виготовлення виробів з них є алмазна обробка. Рівень оброблюваності керамічних матеріалів, у тому числі композиційних, у порівнянні з іншими матеріалами показаний на рис. 1.

1. Загартована сталь ШХ-15

2. Загартована сталь 8Х4В9Ф2

3. Твердий сплав ВК-8

4. Кераміка з нітриду кремнію

5. Композит SiC/алмаз

Рисунок 1 – Оброблюваність керамічних матеріалів алмазною обробкою у порівнянні із загартованими сталями й твердим сплавом.

Розглянемо застосування кераміки у кулькових кранах. Для звичайного крана герметизація забезпечується за рахунок щільного прилягання полімерних кілець 2 до сфери 1 (рис. 2). У керамічному крані обидва компоненти пари тертя виготовлені з кераміки, що вимагає принципово нових підходів забезпечення герметичності пари сферичних поверхонь. Сферичні поверхні виробів потрібно виготовляти з точністю форми ≤ 1 мкм при забезпеченні шорсткості поверхні, яка характеризується параметром Ra 0,010 ... 0,020 мкм (рис. 3).

Рисунок 2 – Кран кульовий: 1 – кульовий клапан; 2 – ущільнюючі кільця; 3 – корпус; 4 – гайка; 5 – ущільнення; 6, 7 – резинове і мідне кільця; 8, 9 – гвинти; 10 – гайка; 11 – ручка.	а б
	Рисунок 3 – Кульовий клапан з діоксиду цирконію (а) і карбіду кремнію (б)

Застосування сферичних виробів з конструкційної кераміки дозволяє істотно розширити область застосування клапанів цього типу і збільшити термін їх служби. Наприклад, пару матеріалів сапфір/діоксид цирконію доцільно використати в запірній арматурі у системах транспортування рідких продуктів харчування (молока й рідких продуктів його переробки, вина, вапняного розчину, який використовується при виготовленні цукру й т.і. ).

Одним із шляхів досягнення потрібних показників точності форми й шорсткості сферичної поверхні керамічних виробів є прецизійне шліфування кільцевим алмазним інструментом (рис. 4) з використанням сферошліфувальних верстатів з ЧПК (рис. 5).

Рисунок 4 – Кільцевій алмазний шліфувальний інструмент.	Рисунок 5 – Сферошліфовальний верстат з ЧПК мод. SMG32H

Висновок: за наявності цих умов можна забезпечити виготовлення нового конкуренто спроможного продукту – кульового клапану з кераміки прецизійним алмазним шліфуванням.