Поскольку в условиях контактирования двух равнотвердых элементов системы «СТМ-зерно-связка» последняя является практически единственным элементом, физико-механическими свойствами которого можно варьировать в довольно широком диапазоне, следует более глубоко изучить ее роль в процессе алмазного шлифования СТМ.
В общепринятое представление о требованиях к связке, таких как максимальное алмазоудержание и способность к самозатачиванию, были внесены коррективы после разработки способов шлифования с управлением параметрами РПК [38]. Было снято требование к связке, связанное с обеспечением процесса самозатачивания (микроразрушения связки), однако наряду с требованием максимального алмазоудержания появилось требование к способности управляемого дозируемого удаления связки с поверхности РПК механическим или электро-физико-химическим методом, либо их комбинацией. На этом в настоящее время основные требования к связке практически ограничиваются.
Приведенные расчеты 3D НДС системы «СТМ-зерно-связка» выявили существенную роль модуля упругости связки во взаимном разрушении элементов системы, а не только в прочности удержания зерен.
Применительно к особенностям изучаемого процесса, рассмотрим:
• влияние физико-механических свойств (модуля упругости) связки на величину напряжений в контакте «зерно-СТМ» и, как следствие, на интенсивность разрушения СТМ и зерен, т. е. производительность шлифования и удельный износ, влияние величины заглубления зерен в связку на число работающих зерен и, как следствие, на величину фактической площади контакта «СТМ — РПК» и нагрузку на единичное зерно;
• влияние частоты собственных колебаний зерен, определяемой жесткостью связки, на процесс «отслеживания» анизотропии свойств кристаллитов СТМ;
• эффективность предложенного процесса принудительного формирования режущего субмикрорельефа на алмазных зернах (см. гл. 7).
При характерных для процесса алмазного шлифования СТМ «жестких» условиях нагружения самым слабым (модуль упругости связки в 10 раз меньше, чем у СТМ и зерен) звеном системы является связка.
На первом этапе определяли влияние физико-механических свойств связки и условий взаимодействия элементов системы на величину критической заделки зерен в связку. Этот параметр необходим для определения числа фактически работающих зерен и фактической площади контакта в системе «СТМ — зерно — связка». В качестве критерия разрушения принято пре
вышение величины приведенных напряжений предела текучести материала
связки или величины ударной вязкости, которая для наиболее прочных свя-
2
зок М6-16 и М6-14 равна соответственно 66 и 29.5-61.4 кДж/м [82]. Пределы текучести связок на основе алюминия, бронзы и железа соответственно равны 200, 270 и 470 МПа [209]. Как видно, наибольшей упругостью обладает связка на основе железа. Из серийно выпускаемых металлических связок наибольший модуль упругости у связки М6-16 (МО-3) Е = 193.7 ГПа.
Тенденции влияния модуля упругости связки на эффективность алмазного шлифования представлены на рис. 5.11.
Величину критической заделки алмазных зерен в связку hкр определяли методом 3D моделирования НДС системы «СТМ-зерно-связка», приняв за предел прочности величину ее ударной вязкости. Результаты расчетов критической величины заделки при 3D моделировании НДС системы представлены в табл. 5.6.
По выбранному А. Н. Резниковым [160] критерию устойчивости зерен в связке, равному: Е = h^ / 1з, вычислили величину критической заделки и провели ее сравнение с результатами табл. 5.6. Расхождения в результатах, очевидно, связаны с тем, что в расчетах А. Н. Резникова решается плоская задача. Это не совсем корректно при соизмеримых размерах зерен и связки в модели.
На основании обработки результатов расчета в среде MathCAD получены аналитические зависимости влияния модуля упругости связки Есв (или
ударной вязкости), рабочей высоты зерен hр, нормального давления Рн, скорости шлифования Скр, и поперечной подачи на критическую величину заделки зерен в связку h^:
|
^p К1Есв^зРн 5 |
(5.23) |
|
^р — К2Есв^зЕпоп 5 |
(5.24) |
|
h — K Е h V кр з св p кр 5 |
(5.25) |
где К1,2, 3 — коэффициенты, получаемые путем расчета 3D НДС системы «СТМ-зерно-связка» методом МКЭ;
Есв — модуль упругости связки, ГПа;
hp — рабочая высота зерен, мкм;
Рн — нормальное давление в контакте «РПК-СТМ», МПа;
£поп — поперечная подача, мм/дв. ход;
Укр — скорость круга, м/с.
Результаты расчетов по этим зависимостям будут использованы при определении эффективности использования свойств алмазных зерен в теоретическом модуле экспертной системы процесса алмазного шлифования СТМ (см. гл. 8).
Поскольку модули упругости алмазных зерен и обрабатываемого материала практически одинаковы (без учета анизотропии свойств) и имеют предельные в природе значения, присущие алмазным структурам, а процесс съема припуска осуществляется в основном за счет чрезвычайно высоких контактных давлений, для производительного процесса необходимо создать такие контактные давления условиями шлифования.
В итоге установлено, что именно связка оказывает доминирующее влияние на параметры НДС системы и на величину контактных давлений в системе «зерно-СТМ» и, следовательно, во многом определяет интенсивность взаимного разрушения СТМ и зерен.
Расчеты показали, что степень влияния модулей упругости зерна, СТМ и связки на величину приведенных напряжений (или плотность энергии деформации) в СТМ оценивается как соответственно 0.02-0.036-0.164 или, оказывается, что модуль упругости связки влияет на величину напряжений в контакте «зерно-СТМ» в 8 раз больше, чем модуль упругости зерна и в 5 раз больше, чем модуль упругости СТМ. Например, при алмазном шлифовании СТМ кругом на связке М1-01 (Е = 72 ГПа) объем разрушенного СТМ при
одноактном взаимодействии с алмазным зерном составляет 4-10 мм, а при шлифовании кругом на связке М6-14 (Е = 196 ГПа) при тех же условиях
этот объем составляет уже 34-10
Полученные результаты хорошо согласуются с установленной зависимостью влияния микротвердости связки на шероховатость обработанной поверхности керамики [3]:
Ra = 2.6 • 10“10 d4 (HVc )067 (HV )054, (5.26)
где d — зернистость круга;
HV, HVc — микротвердость обрабатываемого материала и связки круга.
Очевидно, использование более жестких связок (с повышенным модулем упругости) приводит к росту шероховатости поверхности главным образом за счет значительной силы соударения алмазных зерен с СТМ, и, как следствие, более интенсивного микроразрушения объемов СТМ.
Таким образом, существенным резервом повышения эффективности алмазного шлифования СТМ (и других твердых материалов) является повышение модуля упругости металлических связок. В связи с этим целесообразным представляется применение связок на основе железа, например, М6-14 (МЖ). При этом кроме установленных положительных эффектов повышения прочности алмазоудержания и эффективности контактного взаимодействия в системе «зерно-СТМ» такие связки существенно повышают эффективность доводки поверхности СТМ за счет интенсификации термоактивируемых процессов при контакте железной связки с алмазным СТМ (см. гл. 7).
В условиях 3D моделирования НДС системы «СТМ-зерно-связка» анализировалась и возможная величина заглубления зерна в связку. В условиях шлифования по жесткой схеме, когда в контакте «РПК-СТМ» с одной стороны контактируют чрезвычайно жесткие материалы «зерно-СТМ», очевидно, основная величина поперечной подачи должна быть компенсирована упругостью связки и величиной заглубления в нее алмазных зерен. С определенными допущениями процесс алмазного шлифования аналогичен процессу шаржирования [9] или процессу профилирования алмазных кругов методом пластического деформирования [209, 221], где в качестве притира выступает предельно жесткий материал СТМ, а шаржируемый материал — металлическая связка на основе алюминия, бронзы, железа или кобальта. При этом, как показал П. И. Ящерицын [221], даже алмазные зерна марки АСВ
зернистостью 63/40 могут быть полностью заглублены (вдавлены) в связку
без разрушения.
Наши расчеты, проведенные методом конечных элементов, показали, что чем меньше рабочая высота зерен, тем меньше вероятность разрушения алмазных зерен. Это полностью совпадает с выводами П. И. Ящерицына по профилированию алмазных кругов. Этот вывод подтверждает наше положение о том, что процесс алмазного шлифования СТМ следует вести не с максимальной (как утверждалось ранее [38]), а с минимально возможной, исключающей контакт связки с СТМ высотой выступания зерен из связки hp. Таким образом, при расчете числа работающих (контактирующих) зерен в процессе шлифования СТМ следует учитывать коэффициент деформирования (вдавливания) наиболее выступающих зерен в связку Кд и за счет этого вхождение в контакт вершин зерен, находящихся в слое Л от линии выступов. Расчетные величины упругого деформирования (вдавливания) зерен в связку, значения которой получены при 3D моделировании НДС системы, приведены в табл. 5.7.
В. И. Власов [28] получил оптимальные значения твердости связки для различных марок алмазных зерен и зависимость относительного внедрения зерна в связку от усилия прижима Р (кГс):
P = 1.645Ясвй^°’83, (5.27)
где Нсв — микротвердость связки; dz — размер зерна;
£ = —, а — внедрение зерна в связку.
Получена зависимость между прочностью зерна аз и величиной его относительного внедрения в связку при разрушении £р:
~атс£р ехр(-У£р ) при1.
Установлено, что чем прочнее алмазное зерно, тем более твердую связку следует применять. В нашем случае, когда внедрение алмазного зерна
в обрабатываемый материал ничтожно мало и им можно пренебречь, модуль упругости связки будет определяться из условия динамического вдавливания зерна в связку без его разрушения, т. е. фактически динамической прочностью зерен, определяемой по предложенной нами методике (см. п. 2.3).
Таким образом, модуль упругости связки должен обеспечивать прочность удержания зерен в связке, нагрузку на зерно, достаточную для одноактного микроразрушения зерна у вершины с постепенным заглублением его в связку. Введение в зону шлифования или/и в зону управления энергии ультразвуковых колебаний (см. гл. 7) существенно повышает вероятность заглубления алмазных зерен в связку, что естественно продлевает их активную жизнь. Такой эффект использован А. А. Сагардой в способе шаржирования поверхности абразивными зернами [9].
Величина модуля упругости связки влияет также на частоту собственных колебаний алмазных зерен в связке, которая определена нами методом конечных элементов (см. гл. 7). Жесткость связки важна и при отслеживании анизотропии свойств кристаллитов СТМ — чем жестче связка, тем больше вероятность «успевания» отследить анизотропию, тем производительнее процесс. Дополнительные требования к жесткости связки для обеспечения или не обеспечения отслеживания анизотропии свойств кристаллитов для производительного или доводочного (прецизионного) шлифования рассмотрены в п. 4.7.
Влияние модуля упругости связки круга и инструмента — ударника на выходные показатели процесса шлифования СТМ приведены на рис. 5.12.
Таким образом, расчеты 3D НДС системы «СТМ-зерно-связка» показали, что модуль упругости металлической связки является наиболее значимым параметром, определяющим эффективность взаимного разрушения элементов системы «СТМ-зерно-связка» при алмазном шлифовании. Увеличение жесткости металлической связки в два раза может в 7 раз увеличить напряжение в контакте «зерно-СТМ», а, следовательно, существенно повысить производительность шлифования. Положительная роль увеличения модуля упругости связки в эффективности управляемого процесса шлифования СТМ представлена на рис. 5.11.
а
Зона управления
в
Рис. 5.12. Влияние модуля упругости связки круга и инструмента ударника
на напряжения в СТМ (а), зерне (в), критическую величину заделки зерен в связку
и удельный расход (б)
Увеличение модуля упругости (жесткости) связки обеспечивает следующие положительные эффекты при шлифовании:
• повышает прочность алмазоудержания;
• повышает эффективность взаимного микроразрушения в контакте «зерно-СТМ» за счет увеличения силы соударения;
• обеспечивает большую вероятность отслеживания алмазными зернами «мягких» и «твердых» граней кристаллитов СТМ за счет увеличения частоты собственных колебаний зерен в связке, что способствует повышению производительности шлифования.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что оптимальным подбором соотношения жесткостей (модулей упругости) металлической связки круга и связки инструмента-ударника можно создать условия, при которых при соударении будут максимально микроразрушаться алмазные зерна круга, т. е. на площадках износа зерен будет формироваться режущий субмикрорельеф, а более прочные алмазные зерна (АС160Т) инст — румента-ударника будут оставаться целыми.
Таким образом, сформулировано и доказано положение о существенной роли жесткости металлической связки в эффективности взаимного микроразрушения элементов системы «СТМ-зерно-связка» за счет увеличения силы соударения в контакте «зерно-СТМ», повышения прочности алмазоудержания и вероятности отслеживания анизотропии кристаллитов СТМ (повышение производительности шлифования и сокращения удельного расхода) и эффективности формирования на алмазных зернах режущего субмикрорельефа.