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
|
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.
|
Таблица 5.7 Влияние условий нагружения системы поперечной подачей на величину заглубления зерен в связку_______________________________
|
Таблица 5.8 — Влияние условий нагружения на величину удельного износа
|
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.