Анализ алмазного шлифования с позиций представлений о приспосабливаемости двух взаимодействующих поверхностей

Принципиальная особенность процесса алмазного шлифования сверх­твердых материалов (СТМ) заключается в том, что контактируют равнотвер­дые материалы с предельно высокими значениями твердости и энергии меж­

атомной связи, обладающие существенной анизотропией физико­механических свойств, присущей алмазным структурам, при этом один из них (алмазные зерна) находится в упругой среде (металлической связке). В исходном состоянии одна из поверхностей (СТМ) квазисплошная, другая — рабочая поверхность круга — дискретная, параметры которой определяются количеством, размерами и состоянием алмазных зерен.

Эффективность любого процесса абразивной обработки определяется уровнем приспосабливаемости взаимодействующих поверхностей и возмож­ностями изменения этого уровня за счет выбора условий шлифования (ре­жимы обработки, введение в зону шлифования дополнительной энергии или ПАВ и т. д.). При традиционном алмазном шлифовании СТМ кругами на ме­таллических связках процесс приспосабливаемости реализуется аномально быстро (1 -2 минуты) [173]. Пути повышения эффективности данного про­цесса, в конечном счете, сводятся к регулированию интенсивности процесса приспосабливаемости, так как она определяет и производительность обра­ботки, и ее качество, и интенсивность износа рабочей поверхности инстру­мента.

В отличие от классической теории резания в случае шлифования СТМ нет 1.5-2 кратного превышения твердости инструментального материала над обрабатываемым, нет внедрения алмазных зерен в обрабатываемый СТМ, нет четкого понятия толщины среза, а взаимодействующие материалы к то­му же имеют предельную в природе твердость, присущую алмазным струк­турам. Эффективность процесса будет определяться характером и интенсив­ностью взаимного разрушения элементов системы «СТМ-зерно-связка» [173].

По мнению Б. И. Костецкого [89, 90, 92] разработка теории поверхно­стной прочности и разрушения тесно связана с развитием представлений об универсальном явлении — структурной приспосабливаемости материалов при контактном нагружении и ее инверсии, открытого в результате большо­го комплекса исследований и обобщения опыта промышленности. Это фун­даментальное явление обусловлено энергетической целесообразностью пе­рестройки исходной структуры поверхностных слоев материалов в устойчи­вую форму, энергетически наиболее выгодную для данных условий нагру­
жения [74, 90, 92] При этом энергетические затраты на трение минимизиру­ются, а удельная энергоемкость разрушения (износа) единицы объема мате­риала поверхностного слоя достигают максимума. Перестройка структуры материала поверхностного слоя осуществляется путем перехода к ультра­дисперсному тонкопленочному высокопрочному и устойчивому по отноше­нию к физико-химическим воздействиям состоянию [74, 92]. Формируется особая топография поверхности с ультрамалыми размерами субмикронеров­ностей. Независимо от исходного рельефа, микрогеометрия приработанной поверхности оптимизируется, при одинаковых условиях устанавливается одинаковая (равновесная) шероховатость. Б. И. Костецкий подчеркивает [89], что устойчивое динамическое состояние износостойкости и антифрик — ционности (фрикционности) реализуются только при условии динамическо­го равновесия и саморегулирования составляющих процессов и соблюдения общих энергетических соотношений:

(4.1)

A

— = max, И

где А Е — изменение поглощенной энергии;

А — работа сил трения;

V — объем материала;

И — величина износа.

Именно в этом случае вторичные структуры, возникающие в процессе структурной приспосабливаемости, концентрируют в себе всю запасенную энергию и тем самым экранируют основной материал твердых тел от меха­нических воздействий (в нашем случае, это может быть графит, выполняю­щий роль твердой смазки), что и является причиной их максимальной проч­ности.

Таким образом, обобщая и развивая положение Б. И. Костецкого, по­нятие приспосабливаемости нами сформулировано как способность техни­ческой системы «СТМ-зерно-связка» приобретать в процессе эволюции свойства, обеспечивающие стабильность ее функционирования, которые обычно характеризуются минимумом энергетических затрат. Приспосабли-
ваемость — способность к самоорганизации технической системы в процессе функционирования. Она реализуется при изменении свойств элементов сис­темы или окружающей среды. Применительно к предметной области алмаз­но-абразивной обработки СТМ критерием самоорганизации может служить минимизация энергозатрат функционирования системы.

В качестве основных аспектов приспосабливаемости рассмотрены такие ее составляющие: топографическая, структурно-фазовая и энергетическая.

Топографическая приспосабливаемость включает аспекты изменения геометрических характеристик (параметров) поверхностей элементов систе­мы «РПК-СТМ». В этом случае теоретически и экспериментально исследо­вали изменения 3D параметров топографии рабочей поверхности круга (РПК) и СТМ и их влияние на эффективность алмазного шлифования.

Структурно-фазовая приспосабливаемость включает аспекты, свя­занные с образованием мелкодисперсных вторичных структур, изменением физико-механических свойств поверхностных слоев контактирующих эле­ментов. Рассмотрены элементы структурно-фазовой приспосабливаемости, обуслоленные: 1) анизотропией (микроанизотропией) свойств кристаллитов СТМ и алмазных зерен, проявляющейся в различной интенсивности износа «твердых» и «мягких» граней, и способствующей изменению их в контакте (исходная и эволюционная анизотропия); 2) миграцией металлофазы к зоне контакта, вызванной существенным различием коэффициентов термического расширения алмаза и металлофазы; 3) элементами анизотропной графитиза — ции и окисления алмазных структур СТМ и зерен.

Энергетическая приспосабливаемость — отражает энергетические ас­пекты эволюции свойств системы с точки зрения минимизации энергии раз­рушения. Косвенно характеризуется силами резания, мощностью и удельной энергоемкостью шлифования. Энергетическая приспосабливаемость харак­теризуется также перераспределением подводимой в зону шлифования энер­гии между элементами системы «СТМ-зерно-связка» (см. гл. 5).

В области технических приложений приспосабливаемость позволяет решать две группы задач: обеспечение надежности и долговечности узлов трения при эксплуатации машин и разработку эффективных технологиче­ских процессов абразивной обработки. Использование рассматриваемого яв­ления в направлении интенсификации поверхностного разрушения (финиш­ная абразивная обработка) Б. И. Костецкий [74] назвал инверсией структур­ной приспосабливаемости, которая, по его мнению, может быть достигнута путем введения в зону шлифования поверхностно-активных веществ (ПАВ), либо изменением динамики нагружения. При этом поверхность инструмента должна находиться в условиях структурной приспосабливаемости. Посколь­ку при алмазном шлифовании СТМ применение ПАВ не может существенно влиять на процесс диспергирования припуска, управляющим фактором мо­жет быть изменение динамики нагружения системы «РПК-СТМ».

В отличие от тезиса Б. И. Костецкого [74] об инверсии финишной аб­разивной обработки в основном за счет воздействия на обрабатываемый ма­териал нами в качестве основного объекта управления выбрана рабочая по­верхность круга. Однако перспективным представляется управление процес­сом приспосабливаемости и за счет воздействия на обрабатываемую поверх­ность СТМ путем изменения условий динамического воздействия энергии ультразвука и использовании анизотропии свойств кристаллитов СТМ, влияя тем самым на изменение характера взаимодействия элементов системы «РПК-СТМ».

Введение энергии ультразвуковых колебаний в зону шлифования и в зону управления использовано при разработке способов управления процес­сом приспосабливаемости (см. гл. 7).