Природа износа алмазных зерен при микрорезании и в условиях шлифования исследовалась во многих работах [14, 68, 180, 184]. Выявлен механический, адгезионный, адгезионно-усталостный, диффузионный, абразивный износ и графитизация алмазов (табл. 4.4). Высокая интенсивность адгезионного износа наблюдается при контактировании с материалами, содержащими в своем составе Ni, Ti, Mo, Fe и другие адгезионно-активные материалы. Обладающие меньшим химическим сродством с алмазом материалы — твердые сплавы, керамика, ферриты, полупроводники, стекло — изнашивают алмазные зерна путем микровыкрашивания как результат механического и адгезионно-усталостного воздействия. Механический износ преобладает при шлифовании цветных металлов и сплавов — меди, латуни, бронзы, алюминия, а также горных пород и минералов — мрамора, кварца, гранита. При высоких температурах шлифования возможно окисление, графитизация и диффузия атомов углерода, например, в железоуглеродистые материалы. Преобладающий вид взаимного микроразрушения элементов системы «СТМ-зерно-связка» определяется относительной величиной фактической площади контакта (см. рис. 4.5). Эта особенность использована при разработке процесса термоактивируемой доводки (см. гл. 7).
|
Таблица 4.4 — Виды износа взаимодействующих поверхностей в зоне шлифования
|
Степень размерной стойкости круга, определяющая прецизионность алмазного шлифования СТМ, во многом определяется интенсивностью износа алмазных зерен круга.
Для линейного износа алмазных кругов на металлических связках в различных условиях шлифования СТМ на основе алмаза характерна аномально высокая интенсивность в первые минуты шлифования. Затем износ уменьшается и через 60 … 150 с практически прекращается (см. рис. 4.3, 4.5) Износ при этом происходит только в пределах одного слоя выступающих из связки зерен.
На первом этапе приспосабливаемости абсолютное значение износа на порядок выше, чем в третьем. Первые два этапа очень непродолжительные, третий может длиться столько же, сколько при работе алмазных пар трения и определяется интенсивностью термоактивируемых процессов. Продолжительность каждого этапа в зависимости от марки СТМ различно и определяется микротвердостью и прочностью обрабатываемого материала и зерен и условиями шлифования. Так, для поликристаллов алмаза первый этап в пять-шесть раз короче, чем для СТМ на основе нитрида бора (см. табл. 4.1).
Изучение режущей поверхности алмазных кругов на растровом электронном микроскопе дало возможность выделить различные виды износа, соответствующие указанным периодам интенсивности. В начале первого периода износ алмазных зерен происходит в результате хрупкого микроразрушения, и они имеют развитый тонкий рельеф (см. рис. 4.5). В переходный период износа из-за уменьшения высоты выступания зерна над связкой, а,
следовательно, увеличения фактической площади контакта Ar возможности проявления хрупкого микроразрушения исчерпываются. На этапе наименьшего, медленно убывающего износа на поверхности зерен видны гладкие площадки, возникающие в результате термоактивируемых видов износа (см. рис. 4.4 б). В переходный период наблюдались зерна с совокупностью отмеченных характеристик поверхности.
Количественным подтверждением изменяющегося характера износа служит изменение соотношения числа зерен с развитым рельефом, с площадками износа и выпавших из связки (табл. 4.5). Снижение интенсивности износа можно объяснить изменением количества контактирующих зерен. За
2 мин шлифования оно возрастает в пять-десять раз, что значительно снижает интенсивность воздействия единичного алмазного зерна на СТМ, а также способность зерна к хрупкому микроразрушению (самозатачиванию). Обрабатываемый поликристалл опирается на площадки износа алмазных зерен, происходит взаимное истирание алмазных поверхностей, наблюдается резкое падение удельной интенсивности шлифования и изменения всех параметров режущего рельефа (см. табл. 4.3).
|
Таблица 4.5 — Фактическая площадь контакта и состояние зерен на РПК
|
Износ алмазных зерен круга неодинаков по интенсивности и природе на разных этапах шлифования, различно и состояние их микрорельефа, а, значит, неодинаков и характер воздействия на обрабатываемый материал.
Установлено, что состояние режущего рельефа круга, в частности фактическая площадь контакта Ar (относительная опорная площадь РПК tps) в большей мере определяет физические явления, протекающие в зоне обработки. Так, при одних и тех же условиях шлифования ДАП (круг 12А2 150x10x3x32 АС6 50/40 М1-01 4) только за счет уменьшения относительной
величины фактической площади контакта РПК-СТМ сила Pz возрастает в три-четыре раза (рис. 4.7). Это объясняется тем, что в результате уменьшения фактической площади контакта алмазные зерна разрушаются преимущественно в результате их хрупкого микроскалывания с образованием острых субмикрокромок (табл. 4.6). При постоянном значении нормальной нагрузки
Ру возрастает удельное давление на поликристалл, увеличивается работа
разрушения, совершаемая отдельным зерном. Наблюдаемый рост силы Pz может быть обусловлен и повышением сил трения.
|
Таблица 4.6. — Влияние фактической площади контакта на преобладающий вид износа
|
Сопоставление этих данных с приведенными в табл. 4.6 преобладающими видами износа позволяет выделить третий этап приспосабливаемости как наиболее предпочтительный для обеспечения прецизионной обработки алмазных поликристаллов. Он характеризуется наименьшей интенсивностью размерного износа зерен. Высокая энергоемкость съема при его малых абсолютных значениях указывает не только на повышение степени механического диспергирования снимаемых объемов шлифуемого алмазного поликристалла, но и свидетельствует о трансформации механизма съема. Известно, что алмазная кристаллическая решетка характеризуется высокой силой межатомных связей. В условиях трения чистых поверхностей, влияния диффузии и возможности графитизации удаление происходит на атомно-молекулярном уровне, что является причиной такого высокого расхода удельной энергии (рис. 4.7). Но с другой стороны, в случае обеспечения соответствующей жесткости системы «СПИД» только в условиях третьего этапа приспосабли — ваемости стабильность рабочей поверхности круга создает все предпосылки для обеспечения прецизионной обработки. Причем не только требуемые размеры, но и структура поверхности и ее качество будут обеспечиваться.
Процесс прецизионного (доводочного) шлифования СТМ основан на использовании термоактивируемых видов износа, которые присущи не только алмазным зернам, но и поверхности СТМ, поскольку материалы их идентичны. При этом будут реализованы такие виды износа как окисление, гра — фитизация, диффузия (см. гл. 7).
|
50 40 30 20 10 Относительная величина фактической площади контакта г|, % |
Рис. 4.7. Параметры энергетической приспосабливаемости:
обрабатываемый материал — ДАП; скорость круга V = 20 м/с; продольная подача
бпр = 1 м/мин; нормальное давление Рн = 2.0 МПа; круг 12А2 150x10x3x32 АС6 50/40
М1-01