Анализ процесса шлифования с позиций микроразрушения взаимодействующих поверхностей

При производительном алмазном шлифовании СТМ отделение объе­мов материала, составляющего припуск под обработку, от собственно детали происходит путем преимущественно хрупкого микроразрушения как СТМ, так и алмазных зерен [36, 67, 77, 78, 141, 173, 176]. Поэтому поверхности первичного разделения формируются при довлеющем механизме хрупкого разрушения в процессе зарождения, развития и вскрытия трещин. Особенно­стям движения последних в ковалентных кристаллах, в том числе в алмазе, посвящен ряд работ [127, 138, 169, 204, 220]. При ударном нагружении появ­ление трещины в алмазе вызывается прямой или отраженной продольной упругой волной. Начальная скорость зависит от силы удара и температуры испытания. При повышенных температурах она меньше. Среднее значение равно 2800 м/с, рассчитанное значение скорости по константам упругости поперечных упругих волн 12040 м/с, т. е. отношение скорости раскола к ско­рости поперечных упругих волн составляет 0.6 [87]. По мнению

В. М. Финкеля [205], в первые моменты разрушения вскрытие трещины в моно — и поликристаллах незначительное. Силы связи между стенками мик­ротрещин, предшествующих макротрещине, возрастают вследствие моно­тонного убывания расстояния между ними до межатомного. Это вытекает из положения П. А. Ребиндера [157, 158] о клиновидной трещине с устьем, схо­дящим до межатомного расстояния. Отсюда же следует принципиальная возможность исчезновения трещины при определенных условиях, ее захло­пывания и восстановления сплошности материала. В наших опытах по реза­

нию единичным зерном СТМ на основе алмаза неоднократно наблюдалась полная релаксация следа алмазного зерна (царапины).

При развитии микротрещин возможно их ветвление. Последнее обу­словлено встречей фронта трещины и отраженных от границ тела упругих импульсов, внутренними напряжениями и нестабильностью трещин, насту­пающей при достижении критических скоростей. Нестабильность магист­ральной трещины вызывает ее искривление, возникает элементарный акт ветвления. Оно бывает при статическом и динамическом нагружении, одна­ко, в последнем случае могут появиться две магистральные трещины. Ус­ложнению образующегося рельефа способствуют поверхностные волны, распространяющиеся по полостям трещины [87]. Обладая малой кинетиче­ской энергией, они распространяются лишь по одной плоскости спайности. С увеличением запаса кинетической энергии (ростом скорости) возрастает интенсивность излучения поверхностных волн на фронте трещины, которая получает способность перескакивать с одной плоскости спайности на дру­гую. Для алмаза, по-видимому, картина упрощается, поскольку сопутствую­щая пластическая деформация чрезвычайно мала, к тому же структура поли­кристаллов имеет значительные искажения. Развиваясь от кристаллита к кристаллиту, трещины меняют направление в силу анизотропии их упругих свойств.

Изложенные представления объясняют тот факт, что по морфологии поверхность первичного раздела объемов поликристаллов СТМ сложна и в общем случае близка к поверхности, образованной при хрупком изломе по­ликристалла в условиях шлифования, предотвращающих приспосабливае — мость кругов, но в общем случае поверхность раздела подвергается даль­нейшему воздействию перемещающихся алмазных зерен круга, его связки, осколков алмазных кристаллитов, изнашиваемых зерен. При этом тонкие приповерхностные объемы поликристалла разогреваются, возможны графи — тизация и окислительное влияние среды. Естественно, что на этапе проявле­ния структурно-топографической приспосабливаемости взаимодействующих поверхностей микрообъемы хрупко удаляемого материала уменьшаются, преобладает влияние процессов трения. Высокая интенсивность протекания последних обусловлена равной твердостью контактирующих тел, а также высокими модулями упругости. В этот момент усиливается и пластическая деформация в тончайших приповерхностных слоях. Подтверждением этому служат результаты определения плотности дислокации в приповерхностных слоях в результате разрушения изломом и после шлифования (разрезки) [66, 182].

В реальном процессе шлифования рельеф поверхности первичного раздела претерпевает указанные изменения не по всей площади. Значит, об­работанная поверхность СТМ содержит участки, сформированные при пер­вичном разделе, и те, которые подвергались вторичным изменениям. Все это и является причиной крайне неоднородного характера окончательного рель­ефа [229, 234, 240, 253, 254]. Такая поверхность имеет четко выраженные: границу зон с отличающимся субмикрорельефом, где отражены различные механизмы микроразрушения материала при шлифовании, зоны хрупкого разрушения и с признаками пластической деформации, микрополости и т. д. Исследование поверхности синтетических поликристаллов алмаза и нитри­дов бора после шлифования позволило установить общие особенности фор­мирования и состояния поверхности, характерные для всех изучаемых типов СТМ, и частные, обусловленные индивидуальностью структуры и физико­механических свойств поликристаллов каждой группы [233, 236, 245, 249]. При оптических исследованиях наблюдалось общее внешнее сходство обра­ботанных поверхностей СТМ и твердых сплавов, минералокерамики: орга­низованные следы, т. е. риски микрокромок алмазных зерен кругов и много­численные бесформенные (при малых увеличениях) вырывы, сколы и поры в виде темных пятен. Это сходство больше выражено у поликристаллов вто­рой группы, в меньшей степени — первой группы.

Следы воздействия алмазных зерен круга представляют собой отдель­ные борозды с неровными краями и неодинаковые по частоте повторяемости на поверхности, глубине, ширине и протяженности, интенсивности измене­ния. В основе изменения следов лежит интенсивное разрушение алмазных зерен круга при обработке АСБ, АСПК, диамета.

Особенность обработанной поверхности алмазов — наличие большого количества крупных (десятая микрометров) дефектов. Последние могут быть бесформенными и в виде ярко выраженных треугольников (углубления, об­разовавшиеся в результате выбивания отдельных микрочастиц, микробло­ков). Треугольники — это след выбивания блоков, имевших форму октаэдра. Большое количество дефектов такой формы свидетельствует, что в микро­объеме разрушение поверхности АСБ и АСПК происходит по кристаллогра­фическим плоскостным сеткам октаэдра [49, 68, 180, 184, 223]. Следует лишь добавить, что дефекты обработанной поверхности являются в большой мере наследственными и определяются особенностями структуры СТМ.

Электронно-микроскопическое исследование шлифованной поверхно­сти АСБ и АСПК подтверждает, что формирование поверхности раздела происходит преимущественно в результате хрупкого разрушения. При этом разрушение кристаллита синтетического алмаза аналогично разрушению природного, т. е. оно происходит или начинает происходить преимущест­венно по кристаллографическим плоскостям [202]. Об этом свидетельствуют характерные для этой плоскости направления следов сколов.

Однако при недостаточной развитости рельефа рабочей поверхности значительная часть обработанной поверхности АСБ и АСПК формируется в результате вторичного воздействия уплощенных зерен круга, т. е. в условиях преобладающего трения после образования поверхности первичного раздела. На этих участках структура поликристалла не просматривается. Электрон­ные микрофотографии позволяют сделать вывод о формировании вторичной структуры в результате пластической деформации в тончайшем слое, что свидетельствует о наличии в зоне контакта высоких локальных температур, приводящих к снижению микротвердости тончайшего слоя обрабатываемого алмаза. Пластическая деформация носит локальный характер, чередуясь со сколами [173]. Анализ большого количества образцов поликристаллических алмазов с обработанной поверхностью подтвердил наличие отдельных уча­стков, где следы обработки выражены слабо либо вообще не выражены. Они составляют значительную часть обработанной площади. Учитывая поликри­сталлическое строение АСБ и АСПК, отмеченные участки можно трактовать как зерна поликристалла или их скопления, ориентированные таким обра­зом, что их наиболее трудно обрабатываемая плоскость параллельна поверх­ности шлифования либо близка к этому. Первое подтверждается практиче­ски отсутствием вырывов, имеющих форму треугольника, второе тем, что треугольники, если они встречаются, не равносторонние, а равнобедренные.

Вместе с тем появление площадок на кристаллитах алмазов можно рассматривать как свидетельство процессов окисления и графитизации, вы­званных высокой локальной температурой при трении алмаза по алмазу. Об этом же свидетельствует и наличие пустот между металлом-катализатором и алмазной матрицей [176].

Общим для всех алмазных поликристаллов при активированном со­стоянии рабочего рельефа круга является преобладание участков поверхно­сти, сформированных в результате хрупкого микроразрушения СТМ, о чем свидетельствуют количественная оценка удельных значений длины микро­полостей и площади участков хрупкого разрушения в различные периоды работы круга, которая для ДАП, например, в 3 раза больше, чем при шлифо­вании ДПНБ. Продолжительность шлифования и связанное с ней изменение режущего рельефа алмазного круга существенно влияет на характер субмик­рорельефа поверхности СТП, вызывают изменения численных значений его параметров.

Удельная площадь участков поверхности первичного раздела как про­явление механизма хрупкого разрушения максимальна в начальный период шлифования, когда режущий рельеф круга и субмикрорельеф его алмазных зерен хорошо развиты. По мере усиления приспосабливаемости и сглажива­ния режущего рельефа доля этих участков падает, а через 10-15 мин умень­шается в два-три раза. Возрастание участков поверхности с признаками пла­стической деформации, а также их преобладание в завершающий период шлифования количественно подтверждают исключительно большую роль процессов трения при алмазном шлифовании СТМ [4, 33, 237].

Таким образом, количественная оценка параметров субмикрорельефа обработанной поверхности подтверждает влияние интенсификации шлифо­вания на реализацию механизмов хрупкого разрушения СТМ под влиянием режущих зерен алмазного круга. Эта закономерность проявляет себя неиз­менно при варьировании такими условиями обработки, как нормальное дав­ление, скорость круга, зернистость и т. д. Количественный анализ субмикро­рельефа по удельной площади участков хрупкого разрушения и суммарной длине микрополостей на единице обработанной поверхности доказал пря­мую их связь с режимом шлифования и характеристиками кругов, степенью активации рабочей поверхности кругов, т. е. условиями разрушающего воз­действия на поликристалл в процессе обработки.

Поверхность СТМ на основе нитрида бора имеет более четкие следы обработки [173]. Их характер, поперечный и продольный микропрофиль по­зволяют утверждать, что формирование поверхности этих материалов также происходит в результате хрупкого разрушения путем растрескивания и ска­лывания микроблоков. Однако, размеры скалываемых частиц значительно меньше, чем у алмазов. Наблюдаемые на шлифованной поверхности дефек­ты бесформенные, а их количество и размеры меньше, чем на обработанной поверхности поликристаллических алмазов [25, 76, 79, 230].

Различия между эльбором-Р, ПТНБ и гексанитом-Р более существен­ны, чем между СКМ, АСБ, АСПК. Поликристаллы на основе нитрида бора имеют более низкую теплопроводность и меньшую исходную твердость, чем алмазы. Поэтому при их алмазном шлифовании реализуется превышение твердости инструмента над твердостью обрабатываемого материала и про­цесс приближается к процессу шлифования керамики [21, 71, 222, 246, 247, 252].

Высокая, по сравнению с алмазами, интенсивность шлифования поли­кристаллов на основе нитрида бора обусловлена большей глубиной внедре­ния зерен круга в обрабатываемый материал. Это, в свою очередь, вызывает рост сил резания из-за увеличения площади единичного среза и большой аб­солютный износ круга в результате истирания связки об обрабатываемую поверхность. В отличие от алмазов на обработанной поверхности нитрида бора наблюдаются сплошные гладкие полосы, ширина и протяженность ко­торых соизмеримы с аналогичными параметрами борозд от единичных зе­рен. Однако это не противоречит утверждению о преимущественно хрупком первичном разрушении данных материалов. Более высокая чистота обработ­ки поликристаллов нитрида бора обусловлена меньшими размерами скалы­ваемых блоков, что, в свою очередь, объясняется более высокой степенью диспергирования. Высокая твердость алмаза исключает возможность ощу­тимого внедрения зерен круга, съем припуска осуществляется путем скалы­вания более крупных частиц и, как следствие этого, обработанная поверх­ность должна иметь большую шероховатость.

Шероховатость обрабатываемой поверхности непосредственно зависит от того, какие механизмы разрушения СТМ реализуются в тех или иных ус­ловиях шлифования. Следовательно, состояние рабочей поверхности круга является определяющим для получаемой шероховатости обработанной по­верхности. Если не предотвращать структурно-топографическую приспосаб — ливаемость режущей поверхности, то шероховатость обработанной поверх­ности по критерию Ra в первый период меняется в пределах 0.5—0.3 мкм, а после 30 мин шлифования в пределах 0.3-0.15 мкм соответственно. Наи­большему значению нормального давления соответствовала наименьшая шероховатость. Когда усилие прижима детали к кругу большое, он быстрее прирабатывается, но одновременно снижается вероятность отрыва шлифуе­мого образца от его режущей поверхности, что ослабляет ударные нагрузки на поликристалл. Эти две причины и определяют существо влияния нор­мального давления на формирование шероховатости обработанной поверх­ности и значение ее параметров. Поверхность сверхтвердых материалов на основе нитрида бора имеет меньшую шероховатость, чем у алмазов. Общая причина столь небольшого изменения шероховатости — постоянство меха­низмов разрушения, преобладающих для данного диапазона условий. Пло­щадь участков первичной хрупкой повреждаемости практически изменяется мало. Условия обработки влияют на интенсивность, характер действия этих явлений и, следовательно, на показатели процесса (производительность Q,

усилия Pz, температура Т), а не на механизм разрушения объемов СТМ, со­ставляющих припуск под обработку [1, 15, 159, 216].

Управляя рабочей поверхностью круга с различной интенсивностью, можно изменять шероховатость всех обрабатываемых СТМ в пределах, оп­ределяемых структурой и свойствами поликристаллов. Снижению шерохо­ватости способствует увеличение зернистости, скорости круга, концентра­ции алмазов. Рост нормального давления и тока цепи управления ухудшают шероховатость [173]. Эти тенденции справедливы для всех марок обрабаты­ваемых материалов, однако абсолютные значения шероховатости безусловно связаны со структурой СТМ — для однородных мелкозернистых они ниже. Оптимизация процесса шлифования по критерию шероховатости будет из­ложена ниже. Здесь же рассмотрим изменения структуры материала поверх­ностного слоя СТМ, которые вместе с шероховатостью и тонким рельефом является важными составляющими обеспечения качества обработки сверх­твердых поликристаллов.

С учетом важности такой характеристики поверхностного слоя, как макро и микронапряжения, были выполнены соответствующие исследова­ния. Данные расчета температурных полей [140], в частности, в плоскости XOZ использованы для оценки уровня термонапряжений в шлифуемых СТМ. Для этого применен метод конечных элементов.

Распределение термонапряжений, соответствующих максимальным градиентам температуры, свидетельствуют о том, что в алмазной фазе вбли­зи шлифуемой поверхности СТМ термонапряжения достигают предела прочности на сжатие алмазных монокристаллов. При выходе поликристалла из контакта с кругом и его охлаждении знак термонапряжений изменяется на противоположный [64, 113, 186]. Следовательно, локальное циклическое из­менение термического режима порождает цикличность термонапряжений, что с учетом изменения их знака может стать причиной растрескивания по­ликристаллов. Эта вероятность усиливается тем, что СТМ — многофазные структуры с выраженной анизотропией кристаллитов. Учитывая многофаз — ность алмазных поликристаллов, различие коэффициентов теплового расши­рения металлических включений и алмазной матрицы, следует ожидать про­явления межфазных микронапряжений. Новиков Н. В [127] расчетным путем показал, что пороговая температура, при которой возможно объемное раз­рушение (растрескивание) композиционных СТМ, не превышает 676°К.

Updated: 28.03.2016 — 18:44