3D модель взаимодействия зерна с поликристаллом при плоском контакте (по грани) представлена на рис. 5.6 а. При формировании для этой модели было сгенерировано 2448 элементов типа SOLID, 8561 узел (рис. 5.6 б). Условия закрепления, характеристики материала фрагментов и варианты нагружения аналогичны рассмотренным ранее в пп. 5.3.1, 5.3.2 моделям.
|
а б Рис. 5.6. Модель взаимодействия элементов системы «СТМ-зерно-связка» (а) и ее сгенерированная конечноэлементная сетка при плоском контакте зерна с СТМ (б) |
В качестве реакции модели на нагружение рассматривались: перемещение узла (№ 88) контакта зерна с поликристаллом Uy; напряжения (приведенные по Мизесу) в узле (№ 88) контакта зерна с поликристаллом avon; напряжения (приведенные по Мизесу) в узле (№ 13) контакта связки с зерном аЛ
При перемещении связки на величину Uy = 5 мкм получили: переме-
3
щение (внедрение) зерна Uy = 0.6553 мкм; напряжения в зерне (поликристалле) avon = 753.12 МПа; напряжения в связке avon = 946.7 МПа.
При приложении к связке давления р = 10 МПа, соответствующего усилию Р = 0.4 Н, упругое перемещение (внедрение) зерна в СТМ составляет
Uy = 0.2719 мкм; напряжения в зерне (поликристалле) Gvon = 314 МПа; напряжения в связке <5von = 392.25 МПа.
При этом ни в одном из элементов сетки СТМ и зерна энергия деформации не превысила критического значения и, следовательно, разрушения их не произошло. Это убедительно доказывает вывод о том, что образование площадок износа на алмазных зернах является основным ограничивающим фактором для производительного шлифования СТМ.
Характер распределения напряжений в системе для базовой модели при перемещении связки U*y = 5 мкм представлен на рис. 5.7.
Соответствие между кинематическим и силовым взаимодействием описывается зависимостями:
из условия равенства напряжений в зерне (поликристалле)
Р = 19.188 Uy; (5.12)
из условия равенства напряжений в связке
Р = 19.308 Uy; (5.13)
из условия одинакового перемещения зерна
Р = 19.28 Uy. (5.14)
Зависимости (5.12)-(5.14) свидетельствуют о хорошем соответствии характера деформирования модели при кинематическом и силовом нагружении системы. Однако, в отличие от пп. 5.3.1, 5.3.2, оно не абсолютно. В дальнейшем при анализе контакта зерна с поликристаллом по плоскости с учетом (5.12)-(5.14) принята усредненная зависимость
Р = 19.28 Ucy. (5.15)
Аналогично анализу, проведенному в пп. 5.3.1 и 5.3.2, деформирование базовой модели при контакте зерна с поликристаллом по плоскости рассматривалось при кинематическом нагружении перемещением связки
Uy = 5 мкм при изменении упругих свойств элементов базовой модели таких же, которые рассматривались ранее.
Результаты расчета приведены в табл. 5.3. Из анализа этих результатов следует, что на величину упругого заглубления зерна в поликристалл для этой модели:
au3
— = 0.0059 мкм/ГПа
Щв
также наиболее существенно влияют свойства связки при несоизмеримо малом по сравнению с этим влиянием соответственно характеристик зерна и поликристалла:
AU —
—— — = 0.000076 мкм/ГПа;
AE,
AU 3
— — = 0.0006 мкм/ГПа.
И в этом случае связка является определяющим элементом по вкладу в напряженное состояние в районе контакта зерна с поликристаллом
Аа°к = 0.02278 при Аа°к = 0.00212 и Аа°к = 0.000284. Причем градиенты
АЕсв АЕз АЕпк
напряжений на границе зерна и поликристалла для этой модели практически совпадают с полученными в п. 5.3.2 для модели контакта по ребру, что подтверждает вывод о том, что управление НДС при контакте зерна с поликристаллом наиболее эффективно через влияние характеристик связки.
|
Таблица 5.3 — 3D НДС в характерных точках конечноэлементной модели при плоском контакте зерна (гранью)
|
Влияние физико-механических свойств СТМ, зерна и связки на 3D НДС системы «СТМ-зерно-связка» приведено на рис. 5.8.
Из анализа табл. 5.1-5.3 и рис. 5.8 видно, что глубина упругого внедрения алмазных зерен, контактирующих вершиной, ребром или площадкой, различается незначительно, однако при этом величина приведенных напряжений в поликристалле может различаться более чем в 20 раз, а в связке более чем в 4 раза. Таким образом, зерна с площадками износа (контактирующие гранью) и кристаллиты расположенные «твердой» гранью в зоне контакта являются существенным ограничивающим фактором производительного процесса шлифования и образуют износостойкую пару трения «твердая грань кристаллита СТМ — твердая грань алмазного зерна».
Устранить такое аномальное для производительного шлифования состояние возможно тремя путями:
• удалить неблагоприятные зерна с поверхности РПК (например, удалением связки);
• целенаправленно разрушать площадку износа (например, воздействием алмазными инденторами с частотой ультразвуковых колебаний (см. гл. 7);
• сколоть зерно по плоскости, параллельной октаэдрической грани, по которой алмаз легче всего раскалывается, используя анизотропию свойств СТМ и зерен (гл. гл. 4 и 6).