Теоретический анализ величины удельного расхода и износа алмазных зерен

Основной причиной высокой себестоимости процесса алмазного шли­фования, наряду с высокой стоимостью алмазных кругов, является чрезвы­чайно низкий коэффициент использования потенциальных режущих свойств алмазных зерен. Известно, что лишь 5-15 % потенциала режущих свойств алмазных зерен эффективно используются, остальные 95-85 % уходят в шлам, а так как рекуперация шлама, как правило, не проводится, то оказыва­ется, что большая часть объема зерен круга уходит в отходы, не совершив полезной работы [101].

Установлено, что при алмазном шлифовании СТМ интенсивность раз­рушения алмазных зерен может во много раз превышать интенсивность раз­рушения (съема) обрабатываемого СТМ (см. гл. 4). Так, например, при шли­фовании АСПК зернами АС32 удельный расход равен 10 кар/кар. При этом для производительного процесса шлифования СТМ следует искусственно создавать условия, инициирующие микроразрушение алмазных зерен с це­лью исключения образования на них площадок износа, что успешно реали­зуется в процессах шлифования с управлением РПК.

Использование кругов на прочных металлических связках снижает удельный расход алмазов, но круги быстро «засаливаются» и требуют пе­риодической правки, в процессе которой не эффективно используется прак­тически столько же алмазных зерен, как и в процессе шлифования.

Разработанные способы шлифования с управлением режущим релье­фом кругов [35] позволяют существенно повысить эффективность использо­

вания алмазных зерен при шлифовании труднообрабатываемых материалов. Однако, обработка таких уникальных материалов, как природные и синтети­ческие алмазы, сверхтвердые нитриды бора и композиционные материалы на их основе все таки требует значительных затрат алмазных зерен, а, следова­тельно, процесс, например, алмазной заточки резцов из СТМ оказывается дорогим.

Используя методику 3D моделирования НДС системы «СТМ-зерно — связка» и специально разработанную программу расчета объемов разрушен­ных и выпавших зерен и объемов разрушенных СТМ, удалось теоретически оценить важнейшие показатели процесса алмазного шлифования «СТМ — удельный расход» и удельный износ алмазных зерен. В табл. 5.5 приведены

результаты расчета объемов разрушенных Уз и выпавших из связки Увып зе­рен, разрушенного СТМ Устм в зависимости от рабочей высоты зерен и кри­тической величины их заделки. Эти данные позволяют оценивать величину удельного расхода и износа алмазных зерен.

Исследование 3D НДС системы «СТМ-зерно-связка» позволяет, опре­делять объем разрушенного СТМ Устм и зерна Уз, а также по величине Икр определять объем выпавшей из связки части зерна Увып и величину их за­глубления в связку (табл. 5.5-5.7).

Таким образом, разработанная подсистема «Износ» позволяет оценить величины удельного износа (отношение объемов разрушенного зерна и СТМ)

и удельного расхода

в зависимости от физико-механических свойств СТМ, зерен, их анизотро­пии, модуля упругости связки, поперечной подачи, скорости шлифования, нормального давления. Результаты расчета величины удельного износа при­ведены в табл. 5.8.

Таблица 5.5 — Влияние параметров взаимодействия системы на вели­чину объемов разрушения ее элементов

Объем

разрушенных

, 1ПЮЛ 3 материалов (х10 ), мм

Модуль упругости связки Есв, ГПа

70

90

110

130

11

14

17

21

Vстм

3

6

8

11

^ып

67

54

43

32

Угол при ве

ршине зерна ф, град

15

30

45

90

11

8

6

4

Vстм

3

1.1

06

0.2

Vвып

67

56

51

47

Число острых зерен (в %)

80

60

30

10

18

12

7

5

^тм

6

4

2

0.8

Vвып

67

54

49

43

Модуль упругости СТМ Естм, ГПа

700

900

1100

1300

5

8

12

18

Vстм

2

1

0.6

0.3

Vвып

65

68

69

73

Модуль упругости алмазных зерен Ез, ГПа

1050(100)

1160(110)

1200(111)

1100(ср)

8

5

3

1

Vстм

2

3

2

11

Vвып

65

62

58

63

Энергия разрушения, дж/м2

10.6(111)

13(110)

18(100)

14(ср)

7

5

3

6

Vстм

2

3

5

8

Уд. износ

12

15

17

16

Управляя параметрами контакта (величиной относительной фактиче­ской площади) и динамикой взаимодействия элементов системы «СТМ — зерно-связка» (скорость, подача, нормальное давление, введение в зону энергии ультразвуковых колебаний), можно перераспределять подводимую в зону шлифования энергию между элементами системы.

Методика 3D моделирования НДС системы «СТМ-зерно-связка» по­зволяет определять условия, при которых максимальная часть подводимой энергии в зону шлифования будет направлена на микроразрушение СТМ, минимизируя разрушение алмазных зерен, исключая их выпадение из связки и объемное разрушение СТМ (брак).

Исследование влияния параметров топографии РПК на 3D НДС систе­мы показали, что, если алмазное зерно даже незначительно выступает из связки (hp Ф 0), т. е. связка не контактирует с обрабатываемым материалом, в

нем возникают напряжения, достаточные для процесса самозатачивания (микроразрушения). Если зерно полностью заделано в связку (hp = 0) за счет

объемного «обжатия» связкой и отсутствия свободных границ оно не само­затачивается. В связи с этим производительный процесс шлифования СТМ следует осуществлять только при реализации первого типа взаимодействия в системе «РПК-СТМ» т. е. без контакта связки с обрабатываемым материа­лом.

Таблица 5.6 — Влияние физико-механических свойств связки и условий нагружения системы на величину критической заделки зерен в связку /кр.

Критическая

величина

заделки

Модуль упругости связки Е, ГПа

70

100

130

198

/кр, мкм

62

53

46

38

Контакт

вершиной

ребром

гранью

/кр, мкм

62

50

34

Величина поперечной подачи, мкм

1

2

3

4

5

/кр, мкм

32

44

51

58

62

Скорость круга V, м/с

10

15

20

30

/кр, мкм

32

47

63

82

Таблица 5.7 Влияние условий нагружения системы поперечной пода­чей на величину заглубления зерен в связку_______________________________

Величина

заглубления

£поп, мкм при контакте зерна вершиной

1

2

3

4

А, мкм

0.07

0.11

0.81

1.3

ребром

А, мкм

0.012

0.032

0.06

0.19

гранью

А, мкм

0.006

0.011

0.03

0.08

Таблица 5.8 — Влияние условий нагружения на величину удельного из­носа

Удельный износ, кар/кар

Угол при вершине зерна ф, град

30

60

90

120

qH

1.0

1.6

2.0

2.4

Удельный износ, кар/кар

Модуль упругости связки Е, ГПа

70

120

160

200

Ои

3.2

2.3

1.6

1.0

Рассмотренная ранее расчетная схема соответствует процессу плоско­го шлифования торцом алмазного круга (заточка лезвийного инструмента из СТМ) (рис. 5.10 б, г).

При круглом наружном шлифовании (рис. 5.10 а, в) процесс контакти­рования зерна с СТМ (и расчетная схема) и условие нагружения системы «СТМ-зерно-связка» будут существенно отличаться. Поэтому для такого процесса шлифования СТМ будет использована другая расчетная схема, примененная в теоретическом модуле экспертной системы. При круглом шлифовании напряжения в контакте «зерно-СТМ» значительно выше, чем при плоском, т. к. величина фактической площади контакта «РПК-СТМ» значительно меньше (рис. 5.10 д, е) В связи с этим предпочтительнее для производительного шлифования использовать круглое шлифование, а для прецизионного (доводочного) — плоское торцом круга.

Таким образом, теоретические расчеты методом МКЭ позволяют ко­личественно оценить влияние физико-механических свойств алмазных зерен, СТМ и связки, параметров РПК на величину объемов разрушения СТМ и алмазных зерен, а также на объем выпавших из связки зерен. Эти результаты позволяют оценить величину удельного расхода и удельного износа алмаз­ных зерен, т. е. определять коэффициент использования потенциальных ре­жущих свойств алмазных зерен.

Updated: 28.03.2016 — 18:44