Характер и интенсивность взаимного микроразрушения элементов системы «СТМ-зерно-связка» в большой степени определяется величиной фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ». Наиболее изучено контактирование шероховатых поверхностей с учетом вероятности встречи выступов, моделированных в виде стержней, сфер и эллипсоидов в работах Н. Б. Демкина, И. В. Крагельского, Э. В. Рыжова, И. Х. Чеповецкого [51, 81, 164].
Принципиальным отличием процесса взаимодействия системы «РПК — СТМ» от рассматриваемого при трении и износе является то, что контактируют принципиально различные по топографии поверхности. Одна из них РПК — дискретная, другая СТМ — квазисплошная. Контактируют практически идеально жесткие алмазные материалы, причем дискретную поверхность РПК формируют алмазные зерна, закрепленные в относительно пластичном материале — связке.
Выполненные опыты показали, что с увеличением нагрузки размер пятен упругого контакта растет незначительно, а фактическая площадь контакта повышается в основном за счет увеличения их количества (упругое вдавливание зерен в связку). В работе рассматривались следующие площади контакта в системе «РПК-СТМ»:
1) номинальная Аа, определяемая геометрическими размерами контактирующих поверхностей; 2) контурная Ас, обусловленная площадками контакта, возникающими из-за макрогеометрических отклонений; 3) фактическая (физическая) Аг, представляющая собой сумму фактических участков соприкосновения инструмента и детали, через которые передается давление.
Поскольку определяющую роль играет не общая фактическая площадь контакта Ar, а удельная, приходящаяся на каждый отдельный контакт, т. е. на
A
макроуровне это Ar =—-, где n — число зерен в контакте. Очевидно, что
* n
 |
 |
чем мельче зерна, тем меньше величина пятен контакта, тем больше напряжения в контакте.
находящемся в контакте.
 |
 |
Исходной для расчета фактической площади контакта является формула определения среднего давления при упругой деформации сферических выступов по Герцу [213]:
где Е — относительное сближение контактирующих поверхностей;
I — упругая постоянная контакта;
P — приведенный радиус контактирующих сфер;
Hmax — расстояние между линией выступов и линией впадин профиля.
При моделировании процесса контактирования в системе «РПК-СТМ» предполагается, что алмазные зерна могут упруго вдавливаться в связку при контактировании с микронеровностями СТМ.
Фактическая площадь контакта по Н. Б. Демкину [51] при упругой деформации микровыступов рассчитывается по формуле:
(2.5)
где K2 — постоянная интегрирования, величина, которая зависит от численного значения 5;
N — нормальная нагрузка, Н; ц — коэффициент Пуассона связки;
E — модуль упругости связки, ГПа; r — радиус кривизны вершин зерен, мкм;
hmax — максимальная высота выступания зерен из связки; b и 5 — параметры опорной кривой рельефа РПК.
Под действием усилия прижима поверхности инструмента и детали сближаются. Сближение может в большой степени не соответствовать глубине упругого внедрения алмазов в обрабатываемый СТМ, т. к. при контактном взаимодействии они перемещаются в связке, а величина и характер этого перемещения изменяются в широком диапазоне в зависимости от физикомеханических свойств связки.
По данным Н. Б. Демкина увеличение фактической площади контакта с ростом нагрузки осуществляется за счет «смятия» микронеровностей и поэтому в зависимости (2.5) учитывается модуль упругости контактирующих материалов Е. Поскольку в нашем случае «смятием» микрогребешков можно пренебречь, а увеличение фактической площади контакта с ростом нагрузки будет происходить в основном за счет заглубления зерен в связку, с определенными допущениями в зависимостях Н. Б. Демкина использовали не модуль упругости контактирующих материалов (зерна и СТМ), а модуль упругости металлической связки.
Применительно к определению фактической площади контакта способ лазерного сканирования с компьютерной обработкой результатов измерения (см. п. 2.2) эффективен тем, что позволяет оценивать параметр tps — относительную опорную площадь на любом уровне высоты рельефа, т. е. при раз
личных степенях приспосабливаемости системы «РПК-СТМ». Учитывая возможности данной методики отфильтровывать макрорельеф, например,
волнистость, полученная величина tps на уровне 0-1 мкм (упругое вдавливание зерен в связку) является адекватной фактической площади контакта при допущении, что поверхность СТМ идеально гладкая. Аналогичным образом, получив компьютерную зависимость относительной опорной площади поверхности СТМ, можно по этим зависимостям прогнозировать и определять величину фактической площади контакта при любой степени приспособленности в системе «РПК-СТМ». Еще одно существенное достоинство метода лазерного сканирования — возможность количественно оценивать параметры микрорельефа отдельных алмазных зерен, которые используют в формулах Н. Б. Демкина и И. В. Крагельского при определении фактической площади на микроуровне.
Экспериментальное определение величины фактической площади контакта РПК с обрабатываемым СТМ проводилось также по отпечаткам на фольге, сдавливаемой с реально используемым при шлифовании нормальным давлением усилием Рн между кругом и обрабатываемым СТМ.