Влияние анизотропии физико-механических свойств алмазных зерен на топографическую приспосабливаемость РПК

Практически все исследователи при изучении износа алмазных кругов полагали, что интенсивность износа алмазных зерен не зависит от их ориен­тации по отношению к зоне шлифования, что зерна в процессе работы изна­шиваются равномерно. Исходя из этого задавались законы износа рабочей поверхности круга (РПК), определялось число работающих зерен, величина фактической площади контакта, законы распределения высоты выступания зерен над уровнем связки и т. д. Однако, такое положение является не совсем корректным при алмазном шлифовании СТМ, когда из-за практического ра­венства твердостей обрабатываемого и инструментального материалов нет внедрения зерен в обрабатываемый материал и взаимный износ равнотвер­дых материалов в зоне шлифования осуществляется при точечном контакте. Известно, что технология обработки алмазов в бриллианты основана на ис­пользовании анизотропии их физико-механических свойств [62, 173]. И кри­сталлиты поликристаллических алмазных зерен, и монокристаллы обладают существенной анизотропией свойств, присущих алмазам [6, 62]. Анизотро­пия физико-механических свойств СТМ рассмотрена в 1.3.

В связи с этим правомерно ожидать, что на характер и интенсивность износа единичных алмазных зерен на РПК и съем СТП существенное влия­ние будет оказывать анизотропия их физико-механических свойств.

Экспериментальные исследования влияния анизотропии на интенсив­ность износа и микроразрушения алмазных зерен проводились по методике, изложенной в п. 2.7, на специальной установке при микрорезании или мик­родолблении единичным алмазным зерном в режиме ультразвуковых коле­баний (с частотой f = 20 кГц, и амплитудой колебаний а =2 мкм). При этом скорость микрорезания составляла V = 24 м/мин.

Исследовались зерна марки АС32 зернистостью 1000/600. Изучалась роль анизотропии I рода (на одной грани, но в разных направлениях) пово­ротом зерна на 90° и II рода — на разных гранях [63]. Результаты исследова­
ний показали, что интенсивность износа различных граней алмазных зёрен может различаться в 2-5 раз, а в различных направлениях одна грань может изнашиваться с интенсивностью, различной в 3-10 раз. Таким образом, ин­тенсивность износа алмазного зерна, ориентированного «мягкой» гранью к обрабатываемой поверхности, может быть в 10 раз выше, чем у зерна, ори­ентированного «твердой» гранью. Это положение убедительно подтвержда­ется и сравнительным анализом расхождений расчетного и эксперименталь­ного определения числа зерен в контакте, поскольку в расчетной схеме не учитывается различная интенсивность их износа, вызванная анизотропией свойств.

Введем коэффициент шлифуемости различных граней Ки, который для «твердой» грани (111) примем равным 1. Это относится и к интенсивности съёма припуска с «мягких» и «твёрдых» граней кристаллитов СТМ. Наибо­лее распространенной формой алмазных кристаллов является октаэдр, затем следует ромбододекаэдр, значительно реже встречается куб [62]. На основа­нии этого модель алмазного зерна выбираем в форме — октаэдра. Анизотро­пия свойств зерна в форме октаэдра в зависимости от его ориентации к зоне контакта представлена на рис. 6.7 [173].

Самая «мягкая» — грань куба, затем — ромбододекаэдра и октаэдра. Ин­тенсивнее всего будет изнашиваться зерно, ориентированное ребром, затем вершиной и затем гранью. Так, у алмазного зерна в форме октаэдра при ори­ентации его вершиной к СТМ имеются 2 «мягких» и 2 «твердых» направле­ния, при ориентации гранью — 3 и 3, а ребром — 1 и 1.

Если принять равновероятное ориентирование алмазного зерна в фор­ме октаэдра к зоне контакта вершиной, гранью или ребром (в соответствии с их количеством — 6 вершин и по 8 ребер и граней), а также равновероятное совпадение направления его перемещения относительно обрабатываемого материала «мягким» или «твердым» направлением, то при шлифовании, ко­гда направление движения зерен относительно кристаллитов СТМ неизмен­но, вероятность того, что зерно будет изнашиваться как «мягкая» грань, рав-

при контакте вершиной; ребром или гранью. Будем если считать, что

3n зерен, а ребрами и гранью по -4n, и

половина из них будет изнашиваться быстрее (где n — общее число зерен в контакте, 22 — общее число вершин, граней и ребер). При ориентации вер­шиной интенсивность износа Kи = 1.0; гранью и ребром — по K^ = 0.1. То­

гда, с учетом направлений, быстро износятся: при ориентации вершиной 3

n зерен с интенсивностью = 0.6; при ориентации гранью и ребром:

2

n зерен с = 0.1 — гранью и с = 1.0 — ребром.

а б

Рис. 6.7. Схема размещения плоских сеток в структуре алмазного зерна
в форме октаэдра (а) и относительная величина интенсивности процесса
шлифования в различных направлениях (б) [65, 163]:

1 — плоскость куба; 2 — плоскость октаэдра; 3 — плоскость ромбододекаэдра

Таким образом, с учетом того, что грань изнашивается в 10 раз мед­леннее, чем ребро, через несколько секунд шлифования в работе будут при-

2

нимать участие только «твердые» грани, т. е. —n зерен в контакте, или око­ло 20 % наиболее выступающих из связки зерен.

Это относится и к кристаллитам СТМ октаэдрической формы. Причем

n зерен (ориентированных ребром) будет изнашиваться с коэффициентом

3 2

интенсивности Ки = 1, — n (ориентированных вершиной) с Ки = 0.6 и — n

(ориентированных гранью) с Ки = 0.1.

Следовательно, процесс износа (микроразрушения) различно ориенти­рованных зерен на поверхности РПК можно представить следующим обра­зом. В первый момент (после вскрытия круга) в работе принимают участие

3 „ 4

—n зерен, ориентированных вершиной, и по — n, ориентированных гранью

и ребром. Наиболее интенсивно (в 10 раз быстрее, чем грань) изнашиваются зерна, контактирующие ребром, и в 1.6 раза — вершиной зерен. Следователь­но, через определенный период времени всю нагрузку на себя «принимают» наименее изношенные зерна, контактирующие «твердой» гранью. Исходя из числа граней «мягких» и «твердых» направлений износа можно принять, что для зерна в форме октаэдра вероятность интенсивного изнашивания имеют V = 2/11 зерен. Из числа участвующих в работе зерен, 1/3 будет изнашивать­ся в 5-10 раз быстрее и через определенное время прекратит съем материала, а всю нагрузку примут на себя «твердые» грани зерен. При этом нагрузка на них увеличится соответственно в среднем тоже на 30 %.

Таким образом, при расчете реального числа работающих зерен и на­грузки на каждое из них следует учитывать факт различной интенсивности износа неодинаково ориентированных алмазных зерен. При производитель­ном шлифовании СТМ нормальное давление (или ^поп) следует назначать таким образом, чтобы при критической ситуации, когда будут работать только «твердые» грани, нагрузка на каждое должна быть достаточной для их усталостно-циклического разрушения-самозатачивания и исключения об­разования износостойкой пары трения «твердое» зерно — «твердый» кри­сталлит. По мере износа число «твердых» граней в контакте растет, нагрузка
на единичное зерно падает и процесс съема припуска практически прекра­щается. Такие зерна с площадками износа становятся сдерживающим факто­ром для процесса шлифования. Их надо либо разрушить, либо удалить с по­верхности РПК. В разработанных ранее способах [38, 144] реализован вто­рой вариант. Нами предложен (см. гл. 7) способ принудительного формиро­вания на таких зернах режущего субмикрорельефа.

Разрушить такое алмазное зерно можно также, используя анизотропию свойств алмаза. Как установлено в [156], основным механизмом микрораз­рушения кристаллитов СТМ и алмазных зерен является либо скол по плос­кости {111}, где поверхностная энергия наименьшая и равна всего

10.6 дж/м2 [2], либо истирание «мягких» граней и направлений, интенсив­ность съема которых в 10 раз выше, чем «твердых». Известно, что алмаз лег­ко раскалывается по определенным кристаллографическим плоскостям [173], параллельным именно октаэдрическим граням. Сколоть уплощенное зерно можно при условии оптимально выбранных режимов шлифования и характеристик кругов, увязав их с размерами кристаллитов СТМ, зернисто­стью круга и величиной собственных колебаний алмазных зерен в связке. При этом скол «неблагоприятного» алмазного зерна и кристаллита СТМ произойдет в том случае, когда сработает расчетная схема (рис. 6.8 а), т. е. алмазное зерно «успеет» отследить (попасть) в выработанную «мягкую» грань кристаллита СТМ. Жесткость связки при отслеживании анизотропии свойств кристаллитов СТМ играет определяющую роль. Чем выше жест­кость связки, тем больше вероятность «успевания» отследить анизотропию кристаллитов, тем производительнее процесс.

При этом интенсифицируется и процесс съема (микроразрушения) припуска СТМ, т. к. кристаллит (111) либо сколется по октаэдрической гра­ни, либо будет удален полностью. Такая схема реализуется путем управле­ния скоростью шлифования, упругими свойствами связки, зернистостью круга во взаимосвязи с размерами кристаллитов СТМ. Например, уменьшив скорость шлифования, можно реализовать производительный процесс обра­ботки (см. рис. 6.8 а), а, увеличив скорость шлифования, интенсифицировать доводочный процесс (рис. 6.8 б).

а б Рис. 6.8. Расчетные схемы взаимодействия элементов системы «кристаллиты СТМ-зерно-связка»: а — зерно успевает отслеживать «мягкую» грань; б — зерно не успевает отслеживать «мягкую» грань

Поскольку основную работу будут совершать «твердые» грани зерен, то и расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «СТМ-зерно-связка» следует проводить в зоне контакта именно таких зе­рен. Аналогичным образом будут изнашиваться по-разному ориентирован­ные к зоне шлифования кристаллиты СТМ. Производительность шлифова­ния и износ круга будут определять взаимное разрушение «твердых» кри­сталлитов и «твердых» алмазных зерен. Следовательно, важным параметром, определяющим НДС системы и, как следствие, интенсивность взаимного микроразрушения ее элементов, будет являться величина фактической пло­щади контакта «твердое зерно — твердый кристаллит» [45].

Таким образом, анизотропия свойств алмазных зерен и кристаллитов СТМ оказывают существенные влияния на механизм съема припуска (про­изводительность шлифования и качество обработанной поверхности), а так­же на динамику изменения параметров РПК (число работающих зерен, кон­тактирующих вершиною, гранью или ребром).

Полученные результаты использованы при 3D моделировании напря­женного деформированного состояния системы «СТМ-зерно-связка».