3D процессы алмазно-абразивной обработки. Монография

Alea iacta est — Жребий брошен.

Чем больше человек будет становиться человеком, тем меньше он согласится на что-либо иное, кроме бесконечного и неистребимого движения к новому.

Пьер Тейяр де Шарден

Современные тенденции создания наукоемкой продукции характери­зуются резким расширением приложений математики, во многом связанным с созданием и развитием средств вычислительной техники. Суть математи­зации состоит в построении математических моделей явлений и процессов и разработке методов их исследования. В физике и механике, являющихся ба­зой при разработке рабочих процессов алмазно-абразивной обработки мате­риалов, построение математических моделей для описания различных явле­ний и изучение этих моделей с целью объяснения старых или предсказания новых эффектов являются общепринятыми. Это положение должно быть хо­рошо усвоено студентами.

В настоящее время в мировой практике при изучении процессов обра­ботки материалов резанием наблюдается тенденция перехода от 2D к 3D представлениям. Предпосылкой такого перехода является развитие методов статистического моделирования и конечных элементов, аппаратных возмож­ностей вычислительной техники и программного обеспечения на базе визу­альных объектно-ориентированных языков программирования. Все это по­вышает адекватность и информационность применяемых 3D моделей. Трех­мерный подход существенно повышает достоверность результатов по срав­нению с решением плоских задач, но главное — доказывает обучающемуся необходимость и эффективность трёхмерного представления объектов и процессов.

Создание систем 3D моделирования абразивно-алмазных инструмен­тов позволяет существенно сократить объем экспериментальных исследова­ний для определения рациональных конструктивных параметров, оптималь­ных условий их изготовления и использования.

Предлагаемая методология 3D моделирования основана на научных положениях теории резания материалов, формообразования поверхностей, проектирования режущих инструментов, теоретической и прикладной стати­стике, методе конечных элементов, изложенных в работах отечественных и зарубежных ученых. При изучении процесса алмазного шлифования исполь­зована комплексная методология исследования единой 3D системы «обраба­тываемый материал-зерно-связка», включающая 3D моделирование и экс­периментальное изучение 3D параметров взаимодействующих поверхностей, изучение 3D напряженно-деформированного состояния (НДС) зоны шлифо­вания и методики исследования процесса приспосабливаемости при алмаз­ном шлифовании сверхтвердых материалов. Использованная методология позволяет оценивать 3D НДС всех элементов системы одновременно, что важно при определении области оптимальных сочетаний их физико­механических свойств и режимов взаимодействия.

Монография составлена таким образом, что каждая глава представляет собой самостоятельный шаг в последовательном переходе к трёхмерным представлениям объектов и процессов.

Глава 1. Предпосылки изучения процесса алмазного шлифования в трехмерном (3D) представлении.

В главе излагается анализ путей повышения эффективности шлифова­ния, прежде всего сверхтвердых материалов (СТМ), оцениваются тенденции в решении проблемы управления процессами контактного взаимодействия в предельных условиях, когда отсутствует требуемое теорией шлифования превышение твердости материала инструмента над твердостью обрабаты­ваемого материала.

Глава 2. Методологические основы изучения процесса шлифования в трехмерном (3D) представлении.

В главе изложена методология и методики исследования процесса приспосабливаемости при алмазном шлифовании сверхтвердых материалов. Разработанная методология комплексного исследования 3D единой системы «СТМ-зерно-связка» включает 3D моделирование и экспериментальное изучение 3D параметров взаимодействующих поверхностей, изучение 3D напряженно-деформированного состояния (НДС) зоны шлифования. Приве­дено описание ряда разработанных оригинальных методик, основанных на 3D теоретическом и экспериментальном изучении изменений параметров рабочей поверхности круга и обрабатываемого СТМ: определения динами­ческой прочности алмазных зерен, оценки уровня приспосабливаемости, изучения усталостно-циклического разрушения СТМ и зерен с наложением ультразвуковых колебаний, оценки коэффициента использования алмазных зерен, определения фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ», компьютерного цветометрического определения параметров РПК и дефектов на поверхности СТМ путем сканирования цветных фотографий, полученных в поляризованном свете. Показаны впервые преимущества примененного 3D моделирования напряженно-деформированного состояния единой системы «СТМ-зерно-связка» методом конечных элементов, а для изучения пара­метров топографии рабочей поверхности круга и СТМ использован метод лазерного сканирования.

Глава 3. Моделирование процесса спекания алмазных кругов.

Анализируются теоретические исследования процесса изготовления алмазных шлифовальных кругов на металлической связке с целью определе­ния условий снижения количества разрушенных зерен в инструменте после спекания. Приводятся результаты теоретических исследований, проведенных путем 3D моделирования напряженно-деформированного состояния зоны спекания алмазоносного слоя круга, в частности установлены влияние тех­нологических параметров процесса и характеристик алмазоносного слоя на целостность зерен в круге. Формулируются практические рекомендации по составам алмазно-металлических композиций.

Глава 4. Процесс приспосабливаемости при алмазном шлифовании.

В главе рассмотрен процесс алмазного шлифования с позиций приспо — сабливаемости двух существенно различных по топографии поверхностей: дискретной рабочей поверхности круга (РПК) и квазисплошной обрабаты­ваемой поверхности сверхтвердого материала (СТМ). Определена роль ос­новных составляющих процесса приспосабливаемости: топографической, структурно-фазовой и энергетической в трех основных ее этапах. Установ­лено влияние составляющих приспосабливаемости при традиционном ал­мазном шлифовании СТМ кругами на металлических связках на выходные показатели процесса обработки. Вскрыта определяющая роль относительной величины фактической площади контакта элементов системы «РПК-СТМ» в эффективности процесса алмазного шлифования. Приводится разработанная систематика составляющих процесса приспосабливаемости. Исследовано влияние анизотропии физико-механических свойств СТМ и алмазных зерен на процесс приспосабливаемости. Развито положение о возможности инвер­сии процесса приспосабливаемости и на этой основе выдвинута гипотеза о высоком потенциале управления приспосабливаемостью с целью использо­вания положительных эффектов всего ее диапазона для повышения эффек­тивности процесса алмазного шлифования СТМ.

Глава 5. Микроразрушение элементов системы «СТМ-зерно-связка» в процессе шлифования.

Глава посвящена анализу теоретических исследований микро­разрушения системы «СТМ-зерно-связка» в процессе алмазного шлифова­ния. Теоретические исследования проведены путем 3D моделирования на­пряженно-деформированного состояния (НДС) зоны шлифования и разру­шения элементов системы «зерно-СТМ-связка». Определены условия, обес­печивающие рациональное распределение энергии, подводимой в зону шли­фования, между элементами системы, при которых наиболее эффективно будет разрушаться объём припуска либо съём будет минимизироваться до атомно-молекулярного уровня, обеспечивая прецизионность обработки. По­лучены исходные данные для разработки теоретического модуля экспертной системы процесса алмазного шлифования СТМ.

Глава 6. Топографическая приспосабливаемости рабочих поверхно­стей в зоне шлифования.

В главе приводится теоретико-экспериментальный анализ топографи­ческой приспосабливаемости 3D параметров топографии рабочей поверхно­сти круга (РПК) и обрабатываемой поверхности сверхтвердого материала (СТМ) при алмазном шлифовании. Подчеркивается определяющая роль то­пографической составляющей процесса приспосабливаемости. Излагается методология теоретико-экспериментального определения фактической пло­щади контакта в системе «РПК-СТМ», влияния анизотропии физико­механических свойств алмазных зерен на интенсивность их износа и изме­нение параметров РПК. Рассмотрены вопросы теоретического обоснования возможности управления величиной фактической площади контакта. Анали­зируются теоретические зависимости, описывающие взаимосвязь и измене­ние топографических параметров приспосабливаемости.

Глава 7. Разработка методологии управления процессом приспосабли — ваемости и способов ее реализации.

В главе излагается разработанная методология комплексного управле­ния процессом приспосабливаемости и способов ее реализации. Процесс управления приспосабливаемостью основан на принудительном регулирова­нии величины фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ» путем одновременного дозируемого удаления связки (макроуровень) и принуди­тельного формирования субмикрорельефа на алмазных зернах введением в зону шлифования и/или управления энергии ультразвуковых колебаний (микроуровень).

Глава 8. Разработка экспертной системы процесса алмазного шлифо­вания СТМ.

Глава посвящена разработке экспертной системы процесса алмазного шлифования СТМ. Система состоит из двух взаимосвязвнных модулей — теоретического и экспериментального, которые решают как самостоятель­ные задачи, так и дополняют друг друга.

Теоретический модуль экспертной системы базируется на аналитиче­ском описании процессов взаимного микроразрушения элементов 3D систе­мы «СТМ-зерно-связка» в различных условиях их взаимодействия. Он по­зволяет в компьютерном режиме прогнозировать количественные выходные показатели процесса и область оптимальных условий обработки СТМ раз­личных марок, в том числе и вновь создаваемых. Достоинством этого модуля экспертной системы является возможность без длительных, трудоемких и дорогостоящих экспериментов анализировать широкий спектр взаимосвя­занных факторов, влияющих на эффективность функционирования единой системы «СТМ-зерно-связка» в процессе шлифования.

Экспериментальный модуль экспертной системы создан на базе ком­пьютерной обработки широкой гаммы экспертных исследований процесса алмазного шлифования различных марок СТМ и позволяет определять оп­тимальные условия процесса при конкретных ограничивающих факторах, т. е, при определенных реальных возможностях производства.

В монографии приводятся примеры использования таких пакетов про­грамм, как объектно-ориентированная среда управления базами данных и создания приложений Visual FoxPro; математические пакеты MathCad и Maple; пакет для статистической обработки данных Statistica; пакеты для мо­делирования методом конечных элементов Cosmos и Third Wave AdvandEdge.

Авторы выражают глубокую благодарность всем помощникам, кон­сультантам и рецензентам, обеспечившим выпуск настоящей монографии.

Адрес для переписки: 61002, г. Харьков, ул. Фрунзе, 21, НТУ «Харь­ковский политехнический институт», кафедра «Резание материалов и режу­щие инструменты» (E-mail: grabchenko @kpi. kharkov. ua).

В современных условиях развития рыночной экономики в Украине важнейшим фактором успешной деятельности предприятий является повы­шение качества и снижение себестоимости выпускаемой продукции. В ма­шиностроительных отраслях промышленности эти факторы неразрывно свя­заны с интенсификацией механической обработки, которая в свою очередь во многом определяется работоспособностью режущего инструмента. Таким образом, повышение ресурса работы инструмента является необходимым условием эффективного функционирования современного машинострои­тельного предприятия. Далеко не раскрытыми возможностями реализации этих условий обладают синтетические сверхтвердые материалы (СТМ) на основе алмаза и плотных модификаций нитрида бора. Широкое применение СТМ и организация массового производства из них режущего, выглажи­вающего, волочильного, бурового и мерительного инструмента потребовало разработки высокопроизводительных и прецизионных методов современной технологии их обработки.

В монографии излагается методология результатов комплексного тео­ретико-экспериментального изучения процесса шлифования как проявления приспосабливаемости взаимодействующих поверхностей, и разработанным на этой базе высокоэффективных рабочих процессов, а также экспертной системы исследуемого процесса. Методологической основой работы являет­ся трехмерное (3D) теоретическое и экспериментальное исследование топо­графических, структурно-фазовых и энергетических аспектов приспосабли — ваемости взаимодействующих элементов, базирующееся на методах лазер­ного сканирования рабочей поверхности круга и обрабатываемого материа­ла, и теоретическом изучении 3D напряженно-деформированного состояние зоны шлифования.

Применительно к обработке СТМ актуальность решаемой проблемы диктуется высокой трудоемкостью и низкой производительностью процесса их шлифования, большим расходом дорогостоящих алмазных зерен и, как

следствие, высокой себестоимостью. Требуется повышение надежности и качества инструмента из СТМ, без чего невозможно применение его в авто­матизированном производстве.

Работа выполнена на основе фундаментальных положений теории ре­зания материалов и трибологии, предложенных новых методологических подходов к изучению процесса взаимодействия двух поверхностей и разра­ботанных оригинальных методиках исследования процесса алмазного шли­фования. Использованы экспериментально-теоретические методы механики контактного разрушения, современные физические методы исследования материалов — электронно-микроскопического, рентгеноструктурного, ме­таллографического, а также оригинальные, разработанные авторами методи­ки: определения динамической прочности алмазных зерен, оценки уровня приспосабливаемости, изучения усталостно-циклического разрушения СТМ и зерен с наложением ультразвуковых колебаний, оценки коэффициента ис­пользования алмазных зерен, определения фактической площади контакта в системе «рабочая поверхность круга-СТМ», компьютерного цветометриче­ского определения параметров РПК и дефектов на поверхности СТМ путем сканирования цветных фотографий, полученных в поляризованном свете. В работе использованы пакеты прикладных программ для метода конечных элементов (МКЭ) и др. Впервые применено 3D моделирование напряженно­деформированного состояния единой системы «СТМ-зерно-связка» мето­дом конечных элементов, а для изучения параметров 3D топографии рабочей поверхности круга использован метод лазерного сканирования. Эксперимен­тальные исследования проводились на модернизированных станках, специ­ально разработанных стендах и установках с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры.

Впервые на основе 3D моделирования напряженно-деформированного состояния системы «обрабатываемый сверхтвердый материал-зерно-связка» предложена научно-обоснованная систематика механизмов разрушения ее элементов и определены пути направленного регулируемого воздействия на систему абразивного микрорезания, обеспечивающего управление взаимной приспосабливаемостью элементов «обрабатываемый материал-рабочая по­верхность абразивно-алмазного инструмента». Систематика включает в себя типы взаимодействия элементов и виды их разрушения. Деление на типы взаимодействия определяется наличием или отсутствием контактирования связки алмазного инструмента с обрабатываемым материалом. Систематика разрушения элементов системы включает в себя 20 основных механизмов, определяемых типом взаимодействия. Анализ механизмов разрушения по­зволил выявить и обосновать положение о необходимости и возможности управления приспосабливаемостью в процессе шлифования.

Сформулировано и доказано научное положение о специфике топо­графического, структурно-фазового и энергетического аспектов приспосаб — ливаемости взаимодействующих равнотвердых поверхностей при алмазном шлифовании сверхтвердых материалов как эволюционном свойстве процес­са, определяющем эффективность обработки. В рамках функционирования единой технической системы «обрабатываемый материал-алмазное зерно­связка» приспосабливаемость характеризуется тремя этапами, отражающими трансформацию механизмов разрушения элементов системы. На этой базе обоснована и доказана возможность в процессе шлифования целенаправлен­но трансформировать и/или стабилизировать процесс приспосабливаемости на любом из трех установленных ее этапов и тем самым осуществлять про­изводительную и/или прецизионную обработку сверхтвердых материалов одним и тем же алмазным кругом заданной характеристики путем комплекс­ного управления макро — и субмикрорельефом взаимодействующих поверх­ностей

Сформулировано положение об определяющей роли динамической прочности СТМ и модуля упругости металлической связки в достижении требуемого уровня интенсивности взаимного микроразрушения элементов системы «СТМ-зерно-связка» за счет увеличения силы соударения в кон­такте «зерно-СТМ» (в зоне шлифования), повышения прочности алмазо­удержания и вероятности отслеживания анизотропии кристаллитов СТМ, что обеспечивает повышение производительности шлифования и сокраще­ние удельного расхода алмазов.

Установлено существенное влияние анизотропии свойств кристалли­тов обрабатываемого сверхтвердого материала и алмазных зерен на степень структурно-фазовой приспосабливаемости. К ним относятся, прежде всего, различие значений микротвердостей, износостойкости, энергии разрушения и прочности контактирующих элементов, обусловленное их ориентацией по отношению к зоне контакта. На базе 3D моделирования напряженно­деформированного состояния системы выявлено, что для повышения точно­сти теоретических расчетов процессов разрушения элементов системы «об­рабатываемый сверхтвердый материал — зерно», следует использовать не ус­редненные физико-механические характеристики, а наиболее характерные их значения с учетом специфики конкретной решаемой задачи. В расчетных схемах 3D моделирования для производительного или доводочного (преци­зионного) шлифования следует учитывать взаимосвязь скорости круга, раз­меры зерен, частоты их собственных или вынужденных колебаний и вели­чину кристаллитов обрабатываемого сверхтвердого материала.

Впервые получены теоретические зависимости, описывающие взаимо­связь и изменение в процессе работы комплекса параметров 3D рабочей по­верхности круга и разработан алгоритм определения оптимальных условий производительного и (или) прецизионного шлифования синтетических сверхтвердых материалов. Его основой является двухэтапный метод 3D экс­периментально-теоретического определения фактической площади контакта, учитывающий субмикрорельеф алмазных зерен и обработанной поверхно­сти, анизотропию свойств кристаллитов и алмазных зерен, упругих свойств связки круга. Определяющим параметром является давление в контакте «единичное зерно-СТМ».

Реализована возможность совмещения термодоводочной и контроль­ной операций при изготовлении лезвийного инструмента из СТМ путем осуществления термоактивируемой доводки при термосиловых нагрузках, превышающих создаваемые в экстремальных условиях его эксплуатации, что существенно повышает надежность лезвийного инструмента из СТМ. Разработан алгоритм и программное обеспечение для определения опти­мальных условий производительного и прецизионного шлифования СТМ. Разработаны методики: определения динамической прочности алмазных зе­рен непосредственно в круге; усталостно-циклического разрушения СТМ и зерен с наложением ультразвуковых колебаний, определения фактической площади контакта в системе «рабочая поверхность круга-СТМ», определе­ния и прогнозирования коэффициента использования потенциальных режу­щих свойств алмазных зерен при шлифовании СТМ (а. с. 1404832); опреде­ления уровня приспосабливаемости при шлифовании СТМ по величине тока электризации, позволяющая значительно сократить объем эксперименталь­ных исследований и использованная в адаптивной системе управления; ком­пьютерного цветометрического определения параметров РПК и дефектов на поверхности СТМ путем сканирования цветных фотографий, полученных в поляризованном свете. Рекомендован к использованию в производстве ком­плекс способов ультразвукового алмазного шлифования с адаптивным ком­бинированным управлением приспосабливаемостью и устройства для их реализации, позволяющих в 1.5-2 раза повысить эффективность обработки СТМ. Предложен состав материала абразивного круга с металлической связ­кой на основе железа или твердого сплава, имеющей максимально возмож­ный модуль упругости для разработанных способов алмазного шлифования СТМ с комбинированным управлением макро — и микрорельефом РПК.

На базе комплексного теоретико-экспериментального изучения 3D то­пографии обрабатываемой поверхности и рабочей поверхности шлифоваль­ного круга методом лазерного сканирования, моделирования напряженно­деформированного состояния 3D системы «обрабатываемый материал­рабочая поверхность абразивно-алмазного инструмента» и динамики износа ее элементов разработана экспертная система процесса шлифования, позво­ляющая прогнозировать и оптимизировать процесс бездефектной обработки как существующих, так и вновь создаваемых сверхтвердых материалов.

Таким образом, предложенная методология исследования процесса алмазного шлифования в трехмерном представлении открывает новые воз­можности в познании физической сущности процесса и определения путей его дальнейшего совершенствования.