Систематика процесса приспосабливаемости

Процесс шлифования СТМ может осуществляться по двум принципи­ально различным типам взаимодействия РПК с СТМ — без контакта связки с обрабатываемым материалом и/или без него (рис. 4.1).

Ранее установлено, что алмазное шлифование СТМ по своей природе и выходным показателям очень близко к процессам трения и износа. С этих позиций рассматривали процесс шлифования Т. Н. Лоладзе., Г. В. Бокучава, Б. И. Костецкий, А. И. Грабченко, Ю. Г. Кабалдин, А. А. Сагарда, В. Н. Ка­щеев и др. Процесс алмазного шлифования СТМ кругами на металлических связках в полной мере соответствует классическим законам трения и износа (рис. 4.2, типы III и VII). Используемому процессу, как и процессам трения, присущи классические периоды — приработка — нормальный износ — катаст­рофический. Однако здесь последовательность этих периодов несколько иная. В традиционном процессе алмазного шлифования кругами на металли­ческих связках первый этап — высокопроизводительный съем и износ зерен адекватны катастрофическому износу, который через переходный этап при­работки самопроизвольно трансформируется в нормальный процесс истира­ния износостойкой пары «алмаз-алмаз», где ответственными за износ стано­вятся термоактивируемые процессы.

Поэтому при определении величины относительной фактической пло­щади контакта РПК с СТМ воспользуемся классическими закономерностями трибологии (см. гл. 6). На рис. 4.3 приведены экспериментальные зависимо­сти основных показателей процесса традиционного алмазного шлифования СТМ кругами на металлических связках от времени обработки, полученные в работах А. И. Грабченко с сотрудниками [35]. На рис. 4.3 приведены и по­лученные нами результаты по изменению величины фактической площади контакта и соотношения «твердых» и «мягких» граней в контакте. На этих зависимостях можно выделить три этапа приспосабливаемости. Первый этап (после правки круга) — чрезвычайно интенсивного изменения всех показате­лей (соответствует катастрофическому износу в процессах трения), второй этап — переходной и третий — установившийся (соответствует периоду нор­мального износа в процессах трения), представляющий процесс трения изно­состойкой пары «алмаз-алмаз».

В соответствии с этим рассматривали три этапа приспосабливаемости при традиционном алмазном шлифовании СТМ кругами на металлических связках): высокоинтенсивный (I), переходной (II), устойчивый (III) (см. рис. 4.3).

На первом этапе и алмазные зерна и обрабатываемая поверхность СТМ подвергаются преимущественно хрупкому микроразрушению (рис. 4.4 а), на втором этапе процесс дополняется влиянием термоактиви­руемых процессов, в третьем преимущественную роль играют только термо­активируемые процессы. Характерным показателем этого периода является массовое образование на алмазных зернах площадок износа (рис. 4.4 б).

Переходной

СТМ У становившийся СТМ і і і

к о 05 £ а К к

Рис. 4.2. Закономерности изнашивания деталей машин [52] и элементов системы «РПК-СТМ» при шлифовании: а — закономерности изнашивания элементов системы «РПК-СТМ» при шлифовании; б — типовые графики динамики изнашивания деталей машин. Кт = Нм / На, где На — твердость абразива; Нм — твердость обрабатываемого материала. Кт ^ 0.5 при традиционном резании. Для шлифования CT1VI^ 0.8 да^ке с учетом анизотропии свойств	ю оо

 

Время шлифования /, с

Время шлифования /, с
100
75
к
50
к к
25

х 500

б

В эти периоды, практически в полной закономерной связи изменяются как параметры взаимодействующих поверхностей — фактическая площадь контакта, площадь контакта «твердых» граней кристаллитов СТМ и зерен, число зерен с площадками износа, шероховатость обработанной поверхно­сти, рабочая (в нашем случае — наибольшая) высота выступания зерен из связки, так и выходные показатели процесса шлифования — производитель­ность, удельный расход, удельный износ, коэффициент шлифования, удель­ная энергоемкость (см. рис. 4.3). При этом продолжительность этих перио­дов для различных марок СТМ различна (табл. 4.1).

Таблица 4.1 — Зависимость продолжительности периодов шлифования от марки СТМ___________________________________________________ Обрабатываемый материал Продолжительность периода, с интенсивный переходный устойчивый АСПК до 20 20-50 св. 50 АСБ 35 35-90 св. 80 Диамет 40 40-80 св. 80 ДАП 50 50-100 св. 100 Эльбор-Р 170 170-240 св. 240 Г ексанит-Р 210 210-270 св. 270 ДПНБ 250 250-300 св. 300

Общие условия: Круг 12А2-45 150x10x3x32 АС6 50/40 М6-14 4 Рн = 2.0 МПа; ^кр = 30 м/с; S^ = 1 м/мин.

Изменение всех этих параметров адекватно может быть описано зави-

c

симостью типа: A = K-x, где А — показатель процесса приспосабливаемости; К, с — коэффициент и показатель степени, зависящие от условий шлифова­ния; x — время шлифования.

Такая синхронность изменения параметров приспосабливаемости взаимодействующих поверхностей и выходных показателей процесса алмаз­ного шлифования СТМ даже при предварительном анализе позволяет судить об их тесной взаимосвязи и, как следствие, возможности управлять одними посредством других. Это положение было принято за основу разработки ме­тодологии процесса управления приспосабливаемостью (см. гл. 7).

Приспосабливаемость при алмазном шлифовании СТМ не может быть реалистично изучена при раздельном исследовании процесса износа алмаз-
ного круга и съема припуска в силу взаимовлияния явлений, происходящих как на поверхности круга, так и на поверхности СТМ. Поэтому процесс при — спосабливаемости проанализирован при изучении поведения единой систе­мы «СТМ-зерно-связка» в процессе шлифования с учетом изменения гео­метрических и физико-механических свойств ее элементов.

В качестве основных параметров приспосабливаемости, наиболее объ­ективно характеризующих явления, происходящие в зоне шлифования, нами выбраны и проанализированы:

F = tps / С, где tps — относительная опорная площадь топографии рабо­чей поверхности круга; С — удельная длина микрополостей (дефектов, пор) на обработанной поверхности СТМ;

А — относительная величина фактической площади контакта РПК с СТМ, %;

L — относительная площадь в контакте «твердых» граней кристаллитов СТМ и алмазных зерен;

D = tps / K, где К — удельное содержание металлофазы на поверхности

СТМ;

М = tps / Rz, где Rz — шероховатость поверхности СТМ;

C = tps1 / tps, tps1 — относительная опорная площадь поверхности СТМ;

R — величина тока электризации в паре трения «РПК-СТМ».

Поскольку распределение зерен в связке, параметры режущего релье­фа круга и обработанной поверхности СТМ носят случайный характер, для анализа взаимосвязи параметров приспосабливаемости с выходными показа­телями алмазного шлифования СТМ целесообразно применение методов ма­тематической статистики. В роли случайных величин рассмотрены выбран­ные параметры приспосабливаемости. В качестве фактора аргумента х при­нята производительность шлифования Q и шероховатость обработанной по­
верхности, характеризуемая нами величиной относительной опорной пло­щади поверхности СТМ tps.

В результате обработки экспериментальных данных, полученных при алмазном шлифовании ДАП кругом 12А2-45 150x10x3x32 АС6 50/40 М6-14 4 со скоростью Укр = 30 м/с, по упругой схеме шлифования с Рн = 2.0 МПа,

*$пр = 1 м/мин, получены значения эмпирических корреляционных отноше­ний, характеризующих тесноту связи между исследуемыми параметрами (табл. 4.2). Математическая обработка полученных данных производилась методом корреляционного анализа, позволяющего установить связь между показателями приспосабливаемости процесса обработки СТМ и выходными показателями процесса шлифования. Для выявления зависимости между функциональным фактором y и фактором-аргументом x были определены величины эмпирических корреляционных отношений.

Таблица 4.2 — Величины эмпирических корреляционных отношений Эмпирическое корреляционное отношение Параметры приспосабливаемости, Х B F D V A L C R ЛQX 0.972 0.628 0.548 0.432 0.982 0.987 0.734 0.726 0.926 ЛИ^Х 0.871 0.732 0.632 0.524 0.997 0.988 0.883 0.834 0.949

Установлено, что наиболее тесная корреляционная связь наблюдается между производительностью шлифования и относительной величиной фак­тической площади контакта, а шероховатость обработанной поверхности наиболее тесно связана с относительной опорной площадью РПК. Установ­ленная тесная корреляционная связь величины тока электризации в контакте «РПК-СТМ» позволяет использовать его в качестве контролируемого пара­метра приспосабливаемости, а также при разработке адаптивной системы управления (см. гл. 7).

Таким образом, аномально быстрое изменение удельной интенсивно­сти алмазного шлифования СТМ при упругой схеме обработки определяется резким увеличение относительной фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ», резким уменьшением величины удельных нагрузок и, как следствие, — снижением удельной интенсивности шлифования (табл. 4.3).

3

Таблица 4.3 — Удельная интенсивность шлифования Суд, мм /мин

3 Н-103 Марка СТМ Относительная величина фа в системе «Р ктической площади контакта ПК-СТМ», % 0.1 1 7 25 45 60 АСПК 75 46 29 11 4 1 АСБ 125 79 51 21 8 1 ДАП 193 131 88 41 19 3 Эльбор-Р 912 718 506 453 438 311 Г ексанит-Р 1102 620 406 292 210 121 Диамет 205 152 111 63 34 2 ДПНБ 1106 789 622 409 307 302

Общие условия: Круг 12А2-45 150x10x3x32 АС32 50/40 М6-14 4 Рн = 2.0 МПа; Пкр = 30 м/с; Sпр = 1 м/мин.

Относительная величина фактической площади контакта (далее — фак­тическая площадь контакта) принята в качестве основного топографического параметра приспосабливаемости. Интенсивное изменение всех выходных показателей связано с увеличением фактической площади контакта не толь­ко за счет износа зерен и образования на них площадок износа, а и за счет сглаживания шероховатости обработанной поверхности СТМ. По микрофо­тографиям рабочей поверхности круга и обработанной поверхности СТМ, снятым в различные периоды приспосабливаемости, можно отчетливо про­следить синхронность их изменения с изменением величины фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ» (рис. 4.5). Важнейшим показате­лем при этом будет являться относительная опорная площадь топографии

РПК tpsraK и обрабатываемого СТМ tp^-ш, которая определялась методом

лазерного сканирования (см. гл. 6). Увеличение tpsPnK и tp^-ш приводит к росту фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ» и, как следст­вие, уменьшению давлений в контакте. Трансформация механизмов разру­шения обусловлена существенным уменьшением контактных напряжений при образовании на зернах площадок износа.

Фактическая площадь контакта,

Рис. 4.5. Характерные периоды приспосабливаемое™ взаимодействующих поверхностей РПК и СТМ

Глава 4. Процесс приспосабливаемости при алмазном

Исследования 3D напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «СТМ-зерно-связка» показали, что образование площадок износа при одних и тех же условиях может в 5-10 раз уменьшить величину приве­денных напряжений в контакте «РПК-СТМ». Так, при одних и тех же усло­виях нагружения системы образование площадок износа на алмазных зернах уменьшает величину приведенных напряжений даже в контакте острого зер­на в 5 раз (рис. 4.6) При этом даже при увеличении поперечной подачи до£поп = 5 мкм/дв. ход напряжения в контакте «зерно-СТМ» не достигают

критических, т. е. процесс съема припуска прекращается. Вместе с тем чрез­мерно высокие суммарные давления на СТМ могут привести к макроразру­шению (объемному растрескиванию) обрабатываемой поверхности, т. е. бра­ку при обработке.

При отсутствии контакта связки с обрабатываемым СТМ при шлифо­вании по упругой схеме использование величины нормального давления Pн в традиционном понимании как отношения нагрузки в контакте Р к номиналь-

P

ной площади контакта РПК с СТМ Ac т. е. Рн =—— не корректно, так как в

Ac

этом случае, например, при шлифовании ДАП фактическая площадь контак­та по мере приспосабливаемости изменяется от 0.001 до 12 мм2, т. е. более чем в 10000 раз и, следовательно, фактические давления изменяются. Таким образом, для того, чтобы сохранить производительность, соответствующую первому этапу обработки, т. е. сохранить фактические давления на том же уровне, следует нагрузку в контакте «СТМ-РПК» увеличить в 10000 раз и при обработке, например, ДАП она должна составлять 100 кН, что естест­венно приведет к объемному разрушению СТМ (браку при обработке). Та­ким образом, для корректного использования упругой схемы шлифования в условиях отсутствия контакта связки с обрабатываемым материалом необхо­димо учитывать коэффициент изменения фактической площади контакта К, равный:

К = Ar / Ac = Рн / Р ф-,

где Аг — фактическая площадь контакта;

Ас — номинальная площадь контакта;

Рф — фактическое нормальное давление в контакте «РПК-СТМ»; Рн — номинальное (задаваемое) давление.

Два типа взаимодействия элементов системы «РПК-СТМ» являются отличительной особенностью процесса шлифования в условиях контактиро­вания равнотвердых материалов, когда практически отсутствует внедрение алмазных зерен в обрабатываемый материал (см. рис. 4.1). Этим двум типам взаимодействия элементов системы «РПК-СТМ» соответствуют принципи­ально различные аспекты процесса приспосабливаемости. Так, для первого типа это преимущественно процессы хрупкого микроразрушения алмазных зерен и припуска обрабатываемого СТМ, а для второго — это преимущест­венно термоактивируемые процессы. У каждого типа есть свои достоинства и недостатки. В первом случае обеспечивается высокая производительность процесса, однако, он сопровождается и высоким удельным износом алмаз­ных зерен. Шероховатость обработанной поверхности в этом случае не соот­ветствует требованиям к поверхностям, например, лезвийного инструмента из СТМ, т. е. требуется дополнительная операция доводки. Второй тип ха­рактеризуется высокой размерной стойкостью круга, что делает его потен­циально пригодным для прецизионных и ультрапрецизионных процессов шлифования. При этом можно предположить, что этот период обработки можно использовать в качестве доводочного процесса. Такая гипотеза обос­нована и реализована в гл. 8.

Мнение авторов [173] о том, что определяющим параметром является рабочая высота зерен, требует уточнения. В гл. 6 доказано, что при всех про­чих равных условиях (зернистость, концентрация, марка зерна, режимы шлифования), при одной и той же рабочей высоте зерен на разных связках (различной критической величине заделки зерен) величина фактической площади контакта может быть разной. Эффективность процесса шлифования определяется относительной величиной фактической площади контакта РПК-СТМ, которая в свою очередь зависит от рабочей высоты зерен на РПК, степени алмазоудержания, упругого (а иногда и пластического) вдав­ливания зерен в связку.

Анализ этих взаимосвязей проведен при изучении процессов микро­разрушения элементов системы «СТМ-зерно-связка» (см. гл. 5).

Изучение процесса приспосабливаемости базировали на комплексном теоретическом и экспериментальном одновременном изучении изменения 3D параметров рабочей поверхности круга и обработанной поверхности СТМ и исследовании соответствующего изменения 3D напряженно­деформированного состояния единой системы «СТМ-зерно-связка». Такой подход позволил в условиях, максимально приближенных к реальным, изу­чить в трехмерном измерении поведение зоны шлифования в процессе обра­ботки, в том числе более глубоко изучить процесс приспосабливаемости с учетом, например, таких взаимосвязей как: 1) влияние физико-механических свойств связки на величину напряжений в контакте «зерно-СТМ» и, как следствие, на интенсивность съема припуска и износа зерен; 2) влияние фи­зико-механических свойств обрабатываемого материала на величину крити­ческой заделки алмазных зерен в связке и, следовательно, на величину удельного расхода; 3) взаимовлияние физико-механических свойств обраба­тываемого материала, алмазных зерен и связки на величину их напряженно­деформированного состояния и их оптимальное сочетание.

С учетом изложенных выше особенностей развития приспосабливае — мости в системе «алмазный круг-шлифуемый СТМ» представляется целесо­образным и возможным повышать эффективность алмазного шлифования не только за счет осуществления инверсии процесса приспосабливаемости, но и управления ею во всем диапазоне. Выдвинута доказательная гипотеза о воз­можности управления процессом приспосабливаемости для эффективного использования достоинства каждого его этапа и всего диапазона. В соответ­ствии с предложенной систематикой процесса приспосабливаемости резервы повышения эффективности алмазного шлифования СТМ найдены в исполь­зовании положительных эффектов каждого типа взаимодействия элементов системы РПК-СТМ. Для этого изучена трансформация механизмов разру­шения элементов системы «СТМ-зерно-связка» в процессе приспосабли — ваемости.