Принципиальные особенности процесса алмазного шлифования сверхтвердых материалов

Изложенное свидетельствует о важном народно-хозяйственном значе­нии задачи повышения эффективности обработки большой группы синтети­ческих сверхтвердых материалов.

Важные результаты в предметной области алмазно-абразивной обра­ботки сверхтвердых материалов получены научной школой НТУ «Харьков­ский политехнический университет» и отражены в работах авторов и их кол­лег И. Н. Пыжова [154], М. Г. Ходоревского [208], Н. Ф. Наконечного [117], В. В. Русанова [162], Е. В. Островерха [140], В. Л. Доброскока [56], М. Г. Магазеева [37] и др.

К настоящему времени выявлено много свидетельств тому, что про­цесс алмазного шлифования СТМ следует рассматривать с точки зрения приспосабливаемости 3D взаимодействующих поверхностей и решения про­блемы управления ею во всем диапазоне, используя достоинства и устраняя недостатки каждого из них. Именно на этой основе следует решать основное технологическое противоречие, связанное с проблемой повышения произво­дительности алмазного шлифования СТМ с одной стороны и сокращения ра­схода дорогостоящих алмазных зерен, повышения качества обработанной поверхности и надежности заточенного лезвийного инструмента из СТМ с другой стороны. Предложенные ранее способы шлифования СТМ с управле­нием режущим рельефом круга, явившееся значительным шагом вперед, все же не позволяют в полной мере реализовать высокие потенциальные режу­щие свойства дорогостоящих алмазных зерен вследствие неполного решения проблемы устранения отрицательного влияния площадок износа на них и периодичности процесса шлифования.

Отсутствует обобщенная пространственная модель процесса шлифо­вания в условиях, когда практически не существенно внедрение инструмен­тального материала в обрабатываемые, которые имеют предельную в приро­де твердость, присущую алмазным структурам. Применявшийся ранее диф­ференцированный подход к процессам шлифования и разрушения отдельных алмазных зерен, определения критической величины их заделки в связке и глубины внедрения в обрабатываемый материал не позволял учитывать взаимовлияние геометрических параметров и физико-механических свойств зерен, обрабатываемого материала и связки на эффективность их взаимного микроразрушения. Решение плоской задачи (по сравнению с 3D моделиро­ванием) снижало достоверность получаемых результатов. Только изучение зоны шлифования как единой системы «СТМ-зерно-связка» с применением 3D моделирования позволит учесть взаимовлияние элементов этой системы, использовать закономерности, разработанные для процессов трения и изно­са, учесть упругое демпфирование металлической связки, анизотропии свойств алмазных структур, оценить величину фактической площади кон­такта в системе «РПК-СТМ», повысить достоверность результатов и разра­ботать теоретический и экспериментальный модули экспертной системы процесса алмазного шлифования СТМ.

Более реалистичному описанию процесса шлифования СТМ также бу­дет способствовать применение последних достижений теории механики ко­нтактного разрушения (МКР), пакетов прикладных программ по различным расчетным методам, прежде всего конечных элементов (МКЭ). Практичес­кий расчет созданных математических моделей с получением количествен­ных результатов возможен с использованием современных ЭВМ.

В настоящее время задачи поверхностного диспергирования при ал­мазном шлифовании сверхтвердых поликристаллических материалов, яв­ляющиеся исключительно сложными и многообразными, решаются в основ­ном эмпирическим путем с большими затратами и не всегда оптимально. Следует исходить из установленных особенностей процесса алмазного шли­фования СТМ [38]:

1. Соотношение твердостей обрабатываемого (ОМ) и инструменталь­ного (ИМ) материалов существенно не отличается от единицы, а, значит, нет традиционного углубления режущего клина в обрабатываемый материал, нет понятия сечения среза, стружка представляет собой микроскопическую пыль. Кроме того, ОМ и ИМ имеют самые высокие в природе физико­механические свойства, присущие алмазным структурам.

2. Одно из контактирующих практически равнотвердых тел (алмазное зерно) находится в упругой среде (металлической связке).

3. Топография контактирующих поверхностей существенно различает­ся — одна СТМ — квазисплошная, другая поверхность круга — дискретная.

4. Контактирование следует рассматривать на макроуровне — «СТМ — РПК» и микроуровне «СТМ-субмикрорельеф алмазных зерен».

Предложенная Б. И. Костецким [89] (для трибологии и процессов фи­нишной алмазной обработки) теория поверхностной прочности и разруше­ния как отражение фундаментального универсального явления приспосабли — ваемости материалов при контактном нагружении и ее инверсии может быть использована при разработке научных основ и эффективных технологиче­ских процессов алмазного шлифования СТМ. Известно понятие приработки поверхностей в деталях машин. Классические этапы износа — «приработка — нормальный износ-катастрофический износ». Однако своеобразие традици­онного процесса алмазного шлифования СТМ кругами на металлических связках состоит в том, что здесь первый этап — аналогичен этапу катастро­фического износа (процесс производительного съема после правки круга), который через переходной этап за 1-2 минуты самопроизвольно трансфор­мируется в стабильный процесс истирания пары «алмаз-алмаз», где ответст­венными за износ становятся термоактивируемые процессы (графитизация,

окисление и т. д.).

Приспосабливаемость — более широкое понятие, чем прирабатывае — мость, поскольку охватывает весь комплекс физических явлений, происхо­дящих в зоне контакта, а не только интенсивность взаимного износа контак­тирующих поверхностей. В трибологии процесс приработки рассматривает­ся как явление — положительное, а в алмазном шлифовании (как будет пока­зано ниже) приспосабливаемость имеет двоякий характер. Для производи­тельного шлифования СТМ — это отрицательное явление и с ним надо бо­роться, а для прецизионного — положительное. Следовательно, в рамках еди­ной технической системы, первый и второй этапы приспосабливаемости при алмазной обработке СТМ необходимо рассматривать с позиций теории шлифования хрупких материалов, а третий этап — с позиции трибологии. Границы второго переходного этапа не столь четко определены.

Поскольку алмазное шлифование СТМ по своей физико-механической природе во многом аналогично процессам трения и износа, процесс взаимо­действия системы элементов «СТМ-зерно-связка» рассматриваем с исполь­зованием закономерностей трибологии.

С позиций трибологии рассматривал процесс шлифования и Г. В. Бокучава [17]. Но поскольку исследовалась обработка других групп ма­териалов, в основном более мягких, то и исследовались такие виды износа, как адгезионный и диффузионный. Изучаемый нами процесс — это микро­разрушение элементов системы «СТМ-алмазное зерно-связка» при высоко­скоростном контактном взаимодействии, что и предопределяет специфику приспосабливаемости поверхностей тел с алмазной структурой, от которой зависит уровень выходных показателей.

Таким образом, методология изучения процесса алмазного шлифова­ния СТМ может базироваться на законах трибологии и шлифования и долж­на обеспечить вскрытие природы приспосабливаемости, закономерностей ее развития и определение путей управления ею с целью повышения эффектив­ности обработки.

Рассмотрим процесс алмазного шлифования СТМ как замкнутую тех­ническую систему. Это означает, что необходимо исследовать не только

влияние параметров РПК на выходные показатели, но одновременно и влия­ние физико-механических свойств топографии поверхности СТМ на РПК. Замкнуть эту систему можно через параметры приспосабливаемости: 1) топографической — изменение различных параметров топографии рабочей поверхности круга (РПК) и СТМ; 2) энергетической — изменение сил реза­ния, мощности и коэффициента шлифования (Кш), энергоемкости процесса; 3) структурно-фазовой — изменение соотношения в контакте «твердых» и «мягких» граней кристаллитов СТМ и алмазных зерен, миграция к поверх­ности металлофазы, графитизация и окисление взаимодействующих поверх­ностей и др.

Большие значения удельной энергии атомарной связи в кристалличе­ской решетке алмаза следует рассматривать как физическую основу высокой энергоемкости процессов обработки этих материалов, а самую высокую твердость как фактор, не позволяющий обеспечить необходимое соотноше­ние ее твердости и твердости инструментального материала. Это требует но­вого подхода к созданию процессов обработки сверхтвердых материалов на базе новой методологии исследования их обрабатываемости.

Предлагаемая методология базируется на нескольких принципах и прежде всего на физическом представлении о том, что интенсивность съема шлифуемого сверхтвердого материала различна для различных этапов структурно-топографической приспосабливаемости взаимодействующих по­верхностей — рабочей поверхности алмазного круга и СТМ. На первом (по­сле правки круга), когда рабочая поверхность круга имеет исходные харак­теристики, основной съем шлифуемого СТМ осуществляется не в результате внедрения в него алмазных зерен и их относительного перемещения, а пре­имущественно вследствие хрупкого микроразрушения в процессе массового высокоскоростного воздействия субмикрокромок алмазных зерен круга и создания высоких напряжений в локальных объемах, примыкающих к пятну хрупкого контакта, а также вследствие волновых процессов и циклических нагрузок [173]. Острые элементы субмикрорельефа в условиях дискретного контакта порождают «очаги» сосредоточенной нагрузки в пределах отдель­ных кристаллитов и обуславливают в результате хрупкого микроразрушения отделение от поликристалла весьма малых объемов с высокой степенью их дисперсности. На втором, переходном этапе структурно-топографической приспосабливаемости, когда на выступающих зернах сформировались пло­щадки износа, картина усложняется: уплощенные зерна играют роль своеоб­разных опорных элементов, воспринимают на себя все большую и большую нагрузку, препятствуя острым менее выступающим зернам производить съем материала с исходной интенсивностью. Согласно Д. Муру [235], коэф­фициент трения алмаза по алмазу с увеличением давления падает и описыва-

-1/3

ется в диапазоне нагрузок Рн = 0.5^0.7 Н зависимостью f = КРн, а при

дальнейшем повышении начинает расти (описывается обратной зависимо­стью), что связывают предположительно с растрескиванием поверхности алмаза, которое увеличивает сопротивление скольжению. Таким образом, на втором этапе структурно-топографической приспосабливаемости интенсив­ность съема подчиняется законам механики микроразрушения и трибологии.

На третьем этапе приспосабливаемости высота выступания зерен над связкой столь мала, что становится возможным трение обрабатываемого по­ликристалла с алмазными площадками зерен и с участками металлической связки. При этом надо учитывать, что коэффициент трения алмаза по алмазу и алмаза по металлу зависит от скорости скольжения и чистоты контакта [37]:

на воздухе в вакууме

алмаз-алмаз 0.05 0.3-0.5

алмаз-металл 0.4-0.6 1-3

На поверхностях пятен контакта возникают вспышки высокой темпе­ратуры, в условиях которых алмаз может графитизироваться и окисляться, что обуславливает съем шлифуемого поликристалла с интенсивностью, ха­рактерной для процессов полирования.

Таким образом, приспосабливаемость реализуется через смену преоб­ладающих механизмов разрушения СТМ при алмазном шлифовании — от хрупкого микроразрушения с удалением мелкодисперсных частиц до атом­но-молекулярного съема в условиях фрикционного нагрева. Термоактиви­руемые трением процессы графитизации и окисления создают предпосылки для разработки способов прецизионной и ультрапрецизионной обработки.

В силу сказанного изучение структурного аспекта механики и физики микроразрушения сверхтвердых материалов, независимо от того, на какой основе они созданы (алмаз, нитриды, бориды, карбиды), является важней­шим исходным принципом предлагаемой методологии.

Второй принцип основан на положении о том, что совокупность эле­ментов «шлифуемый СТМ-алмазное зерно-связка» функционируют как еди­ная пространственная 3D система. Это предполагает изучение скорости и форм проявления приспосабливаемости рабочей поверхности кругов во взаимосвязи с обрабатываемым материалом и условиями обработки. Цель его реализации — установление закономерностей, позволяющих количест­венно оценить изменения исходного состояния топографии РПК и СТМ на первом, втором и третьем этапах приспосабливаемости: изменение количе­ства зерен на поверхности РПК, контактирующих зерен, зерен с площадка­ми, зерен с развитой поверхностью, относительной опорной площади, раз­меров площадок износа, высоты выступания зерен, субмикрорельефа по­верхности зерен и их площадок и т. д. Особую важность здесь приобретает значение размерного износа зерен на различных этапах приспосабливаемо — сти, т. к. он определяет потенциальную размерную точность изделия, рас­стояние между объектом шлифования и связкой, возможность контактиро­вания связки с обрабатываемым материалом [34, 35].

Третий принцип: протекание физических явлений в зоне шлифования и выходные показатели обработки имеют глубокую взаимосвязь с парамет­рами рабочей поверхности круга и СТМ, а поэтому их динамика является отражением интенсивности этапов структурно-топографической приспосаб — ливаемости. Этому принципу противоречат имеющиеся во многих учебни­ках определения шлифовальных кругов как инструмента с неуправляемой геометрией.

Четвертый принцип: возможность стабилизировать то или иное со­стояние РПК, приостановить процесс приспосабливаемости на требуемом уровне ее интенсивности вплоть до полного предотвращения. Установление трех этапов и сути структурно-топографической приспосабливаемости РПК при шлифовании сверхтвердых материалов, закономерностей, отражающих связь параметров РПК с выходными показателями, создают основу, необхо — димую и достаточную для разработки способов управления интенсивностью и этапами приспосабливаемости и оптимизации процесса обработки по лю­бому из выходных показателей шлифования. Для достижения максимально­го эффекта управление РПК необходимо осуществлять как на микроуровне

(высота выступания зерен над связкой (hp), относительная опорная площадь

поверхности (tps) и т. д.) путем дозируемого удаления связки [34], так и на микроуровне — путем целенаправленного, принудительного формирования субмикрорельефа рабочей поверхности алмазных зерен.

Пятый принцип: связку алмазных кругов необходимо рассматривать как элемент многоцелевого назначения. Это прочность удержания зерен, прину­дительное формирование макропрофиля РПК, упругое или пластическое де­формирование под влиянием силы на единичном зерне, характер явлений в непосредственном контакте зерна с обрабатываемым поликристаллом.

Шестой принцип: при изучении процессов взаимного микроразруше­ния элементов системы «СТМ-зерно-связка» следует учитывать анизотро­пию свойств кристаллитов СТМ и алмазных зерен. Учет анизотропии, как известно [62], положен в основу обработки природных алмазов в бриллиан­ты. Это обусловлено тем, что величина пятна упругого контакта зерен с СТМ на несколько порядков меньше размеров их кристаллитов, что дает ос­нование учитывать обработку отдельно взятого из них [173].

Седьмой принцип: широкое применение моделирования. Прямой экс­перимент в настоящее время весьма дорогостоящий и трудновоспроизводи­мый. Моделирование в значительной мере облегчает процесс исследования, сокращает время, позволяет в большом диапазоне варьировать условия. Применение 3D моделирования открывает новые возможности в изучении процесса алмазного шлифования СТМ.