Микроразрушение элементов системы. «СТМ-зерно-связка» в процессе шлифования . 3D ПРОЦЕССЫ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ

Раздел посвящен теоретическим исследованиям микроразрушения элементов системы «СТМ-зерно-связка» в процессе алмазного шлифования. Применено 3D моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) зоны шлифования и разрушения элементов системы. Определены ус­ловия, обеспечивающие рациональное распределение энергии, подводимой в зону шлифования, между элементами системы, при котором наиболее эф­фективно будет разрушаться объем припуска либо съем будет минимизиро­ваться до атомно-молекулярного уровня, обеспечивая прецизионность обра­ботки. Получены исходные данные для разработки теоретического модуля экспертной системы процесса алмазного шлифования СТМ.

5.1. Факторы, определяющие съем СТМ в процессе алмазного

шлифования

Физические предпосылки эффективности алмазного шлифования СТМ обстоятельно рассмотрены в гл. 4. Здесь остановимся лишь на некоторых ас­пектах, связанных с процессами микроразрушения элементов 3D системы «СТМ-зерно-связка».

Обработка материалов, связанная с образованием новой поверхности, формы и размеров, требует осознанного управления процессом разрушения материала, составляющего припуск заготовки. Для случая синтетических сверхтвердых материалов на основе алмаза и нитрида бора, которые отли­чаются высокой твердостью, износостойкостью и хрупкостью, высокопроиз­водительная, качественная и экономически целесообразная обработка пред­ставляет специфическую, технологически сложную задачу и ставит ряд со­

вершенно новых проблем, решение которых возможно в рамках теории фи­зики разрушения.

Способность абразивных частиц внедряться в поверхностный слой и разрушать его при движении приближенно оценивают по соотношению зна­чений микротвердости испытуемого материала Н и абразива На [185]:

(5.1)

Опытным путем установлено, что критическое значение коэффициента Кт = 0.5 … 0.7. При Кт < 0.5 возможно прямое разрушение материала (при соответствующей форме частиц и достаточной нормальной нагрузке); при Кт > 0.7 прямое разрушение маловероятно, и процесс изнашивания перехо­дит в многоцикловый с резко снижающейся интенсивностью по мере увели­чения коэффициента Кт. При алмазном шлифовании СТМ Кт > 0.6 даже с учетом анизотропии физико-механических свойств СТМ и зерен.

Коэффициент Кт используем в качестве критерия для оценки перехода от прямого (одноактного) разрушения СТМ и зерен к многоцикловому (ус­талостно-циклическому) при нагрузках в контакте, не превышающих крити­ческую.

Прямое разрушение микрообъемов поверхностного слоя материалов под действием абразивной частицы возможно при Кт < 0.5, т. е. когда абра­зив в 2 раза и более тверже изнашивающегося материала. При этом абразив­ная частица, как показывает опыт, обладает достаточной прочностью, чтобы довести материал до разрушения, сохранив свою целостность и, соответст­венно, форму.

Если критерий твердости Кт > 0.7, то прямое разрушение невозможно, так как контактный выступ частицы разрушится прежде, чем напряжения в деформируемом микрообъеме материала достигнут предельного значения.

Критерий твердости Кт потому и используется в качестве одного из важнейших показателей при моделировании абразивного изнашивания, что его значения позволяют априорно установить возможный вид разрушения
материала. Чем Кт > 0.7, тем ниже уровень контактных напряжений и тем слабее интенсивность изнашивания материала. В случае алмазного шлифо­вания СТМ варьирование величиной коэффициента Кт возможно только за счет анизотропии свойств контактирующих элементов. Алмазные зерна кру­га и шлифуемый алмазный поликристалл имеют примерно равные твердо­сти. Но так как отдельные кристаллиты произвольно ориентированы, то с учетом существенной анизотропии свойств кристаллитов СТМ и алмазных зерен можно ожидать такого сочетания ориентаций, когда реализуется пре­вышение твердости режущего зерна над обрабатываемым поликристаллом.

В результате аномально быстрой топографической приспосабливаемо — сти рабочей поверхности алмазных кругов зона нагружения участков по­верхности поликристаллов каждым уплощенным зерном резко возрастает и энергия поглощается существенно большими объемами СТМ, что уже само по себе исключает интенсивный съем, соответствующий начальному перио­ду шлифования при сохранении внешних условий неизменными. В связи с этим доля энергии, идущей на разрушение обрабатываемого материала, уменьшается, а доля энергии, идущей на изменение в обрабатываемом мате­риале, возрастает.

Известно, что в основе разрушения алмаза в процессе его обработки лежит механическое, термическое, химическое или физико-химическое воз­действие. Возможны также различные комбинации этих воздействий [35, 62]. Анализ известных способов обработки природных алмазов и определен­ное совпадение их основных физико-механических свойств со свойствами АСБ, АСПК, СВ с одной стороны, основных закономерностей алмазного, электроалмазного и ультразвукового шлифования [107], специфических свойств СТМ — с другой привел к выводу о том, что именно в условиях шлифования алмазными кругами создаются предпосылки, необходимые для одновременной реализации всех или большинства указанных выше видов разрушающего воздействия на СТМ.

Алмазное шлифование базируется на массовом воздействии твердых и острых алмазных зерен на обрабатываемый объект, при этом скорость дви­жения этих зерен, их количество, сила воздействия поддаются регулирова­нию в широком диапазоне значений. Выявлена важная роль субмикрорелье­фа алмазных зерен.

Изучение субмикрогеометрии алмазных зерен [173] показало, что ост­рота их вершин (ребер) столь велика, что при воздействии на обрабатывае­мый материал создаются очень узкие зоны с высокой концентрацией эффек­тивных напряжений. Конфигурация этих зон зависит во многом от характера контакта — по вершине, по ребру, от типа кристаллографической площадки. Это требует рассмотрения 3-х мерной задачи.

При появлении и массовом воздействии площадок износа зерен и связ­ки шлифовального круга в третьем периоде возрастает роль тепловых про­цессов, усиливающих термоактивируемые явления.

С точки зрения соотношения «горячей» твердости в реальном процес­се, когда поликристалл находится длительное время в постоянном контакте с рабочей поверхностью круга, превышение твердости режущего алмазного зерна проявится для большего числа кристаллитов. По данным Л. Ф. Верещагина [23] при нагреве алмазов АСБ до 400-600° С производи­тельность их обработки увеличивается в 5-6 раз.

При трении алмаза по алмазу могут возникнуть высокотемпературные вспышки, приводящие к превращению тончайших слоев алмаза в графит, а также способствующие протеканию окислительного процесса. Самопроиз­вольный фазовый переход алмаза в графит происходит при температуре вы­ше 1773 °К, которая соответствует условиям разрыва связей атомов в кри­сталлической решетке. Графитизация протекает с увеличением объема в 1.5 раза, поэтому графит образуется на поверхности алмазных зерен. Скорость графитизации в различных кристаллографических направлениях различна. Наибольшее сопротивление графитизации оказывают грани (001), наимень­шее — грани (110) [2, 244]. Следовательно, тепловое и химическое разру­шающие воздействия на алмаз тесно связаны.

Вклад каждого из рассмотренных факторов в общий съем шлифуемого СТМ и другие выходные показатели определяется тем, как функционирует вся система «СТМ-зерно-связка». Дифференцированный подход, приме­нявшийся другими исследователями [10, 113] к изучению явлений, проте­кающих в зоне шлифования, нивелирует выявление роли элементов системы, в частности, связки, влияния ее свойств, и всей композиции, составляющей алмазоносный слой.

Интенсивность съема всецело будет зависеть от микроразрушения по­ликристалла при соударении с алмазными зернами круга и скольжении по­следних по поверхности в их относительном перемещении. Эти выводы да­ют основание рассматривать алмазное шлифование СТМ как структурно чувствительный процесс управляемого микроразрушения, обеспечивающего получение деталей заданной формы, размеров и качества. Задача управления микроразрушением состоит в том, чтобы ограничить зону микроразрушения объемами, составляющими припуск под обработку, исключить возможность распространения микротрещин и других дефектов в объемы поверхностного слоя детали, максимально использовать сопутствующие явления для интен­сификации съема припуска.

Шлифование состоит в массовом динамическом воздействии алмазных зерен круга на обрабатываемый поликристалл. Воздействие осуществляется выступающими элементами субмикрорельефа алмазных зерен. Из-за исче­зающе малых радиусов этих выступов — микрокромок и высокого модуля упругости размеры пятен упругого контакта также чрезвычайно малы [173]. Возникают микрозоны с исключительно высокими местными напряжения­ми.

На основании структурно-эмпирического подхода можно констатиро­вать, что высокопроизводительный съем материала, составляющего припуск под обработку, достижим в том случае, если вся подводимая зерном энергия затрачивается на снимаемые объемы, а не на сопутствующие явления. Так как образование новых поверхностей связано с превышением энергии меж­атомной связи, то локализация зоны разрушения будет обуславливать и уменьшение объемов, в которых протекают сопутствующие явления, а, зна­чит, снижение энергии, затрачиваемой на съем единицы объема материала.

Как уже отмечалось, сущность энергетической приспосабливаемости состоит в том, что топография, структура и свойства дискретной алмазной поверхности круга и квазисплошной СТМ в процессе высокоскоростного контактирования перестраиваются в направлении, энергетически более вы­годном в сравнении с исходным состоянием.

Подводимая в зону шлифования энергия распределяется между эле­ментами системы «СТМ-зерно-связка»:

Е = Естм + Есв + Ез, (5.2)

где Е — подводимая в зону шлифования энергия;

Естм — энергия, поглощенная СТМ;

Есв — энергия, поглощенная связкой;

Ез — энергия, поглощенная зерном.

Поскольку возможности пакета программ для расчета по методу ко­нечных элементов позволяют определять энергию и плотность энергии де­формации в каждом отдельном элементе конечноэлементной сетки 3D моде­ли E1, зависимость (5.2) можно представить в виде:

где Е^з — плотность энергии деформации в конечных элементах зерна;

Е^стм — плотность энергии деформации в конечных элементах СТМ;

Е^св — плотность энергии деформации в конечных элементах связки;

Vc™, Усв, V3, — объемы конечных элементов СТМ, связки и зерна, в кото­рых произошли изменения энергии деформации.

В дальнейшем объемы разрушенных СТМ и зерен Vp будем опреде­лять как сумму объемов элементов конечноэлементной сетки 3D модели зерна и СТМ, в которых энергия деформации и/или приведенные напряже­ния превысили критические для данного материала значения.

Необходимо проведение теоретико-экспериментального изучения про­цессов разрушения и взаимодействия всех элементов системы «СТМ-зерно — связка», которое позволит определить роль физико-механических свойств ее элементов, влияние топографических параметров взаимодействующих по­верхностей и условий нагружения (режимов шлифования) на функциониро­вание данной системы, что в полной мере определяет эффективность алмаз­ного шлифования СТМ.

Микроразрушение элементов системы. «СТМ-зерно-связка» в процессе шлифования
0 votes, 0.00 avg. rating (0% score)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *