В гл. 4 показано, что в процессе традиционного алмазного шлифования СТМ кругами на металлической связке аномально интенсивно изменяются выходные показатели в соответствии с происходящими изменениями параметров режущего рельефа круга (РПК). Так, например, при шлифовании двухслойных алмазных пластин (ДАП) практически все острые зерна на РПК за 2 минуты работы трансформируются в зерна с площадками износа.
Изучение напряженно-деформированного состояния (НДС) пространственной системы «СТМ-зерно-связка» при различных топографических параметрах взаимодействующих поверхностей необходимо для определения их влияния на количественные показатели процесса микроразрушения ее элементов в процессе шлифования. Такие расчеты осуществляются в разработанном теоретическом модуле экспертной системы процесса шлифования СТМ (см. гл. 8).
В качестве параметров топографии РПК, влияющих на 3D НДС системы «СТМ-зерно-связка», выбраны величина угла при вершине алмазного зерна ф; число зерен в контакте с СТМ; рабочая высота выступания зерен из связки; площадки износа в контакте с СТМ. В пакете программ типа Cosmos выявлено влияние этих параметров на величину главных и приведенных напряжений, энергии и плотности энергии деформации в каждом элементе системы. Расчеты позволили определить объемы разрушенных СТМ и алмазных зерен, а также объемы выпавших из связки зерен по объему конечных элементов с закритическими значениями напряжений и/или энергии (плотности энергии) деформации. Результаты этих расчетов использованы в теоретическом модуле экспертной системы для определения производительности шлифования и удельного расхода зерен.
Расчеты влияния остроты алмазных зерен (угол при вершине зерна ф) на величину приведенных напряжений и энергии деформации в элементах системы «СТМ-зерно-связка» показали, что этот параметр является определяющим для взаимного микроразрушения как СТМ, так и алмазных зерен
(рис. 6.9, 6.10). Так, увеличение угла ф с 30° до 120° уменьшает величину приведенных напряжений в контакте «зерно-СТМ» более чем в 3 раза, что уменьшает объем разрушенного СТМ с 0.256 до 0.07, а алмазных зерен — с
_ 3
0.317 до 0.09 10 мкм (табл. 6.6). Основным фактором, снижающим эффективность производительного процесса шлифования СТМ, является образование на алмазных зернах площадок износа. Наличие в контакте с СТМ зерен с площадками износа на порядок уменьшает величину приведенных напряжений в контакте «зерно-СТМ» (рис. 6.11). Влияние числа зерен в контакте с СТМ и их рабочей высоты на НДС системы «СТМ_зерно_связка» приведено на рис. 6.12, 6.13.
Vo ті Ml see 5000.000
4376.700
3753.500 3130.200 2506.900 1883.600 1260.400 837.1000 13.83200
Влияние указанных параметров на НДС системы объясняется перераспределением подводимой в зону шлифования энергии между элементами системы «СТМ_зерно_связка» Более острые зерна позволяют больше энергии сконцентрировать в зоне их контакта с СТМ, что способствует интенсификации микроразрушения.
Результаты расчетов. I стм ^^стмРстмДзРз^свРзС^погОф мкм,
-0.26 3 -0.27 3 Л -0.23 Л -0.13
гстм = 0.15 ф, мкм ; г3 = 0.27ф, мкм ; Апстм = 0.02ф, мкм; Ап3 = О. ОЗф, мкм,
|
Таблица 6.6. — Результаты расчетов объемов разрушенных СТМ (VCTM) и алмазных зерен (V3)
|
Примечание. Общие условия: обрабатываемый материал — АСПК; марка зерна — АС6; концентрация зерен — 100 % (4); относительная величина критической заделки зерен єкр = 0.5; нормальное давление Рн = 2.0 МПа.
Рабочая высота зерен в большой степени влияет на критическую величину их заделки в связку. Проведенные расчеты позволили получить зависимости влияния рабочей высоты зерен, модуля упругости металлической
связки, нормального давления Рн (для упругой схемы шлифования) и величины поперечной подачи Рпоп (для «жесткой» схемы шлифования) на критическую величину заделки зерен в связку (см. рис. 6.13). Эти результаты использованы в теоретическом модуле экспертной системы процесса алмазного шлифования для определения критической величины заделки алмазных зерен (см. гл. 8).
Анализ полученных зависимостей показал, что даже незначительное число зерен с площадками износа «забирает» на себя большую часть нагрузки и не дает острым зернам производить эффективную работу микроразрушения СТМ, т. к. напряжения в контакте не достигают предела его прочности (см. рис. 6.11).
в г
Рис. 6.12. Влияние числа зерен в контакте с СТМ на параметры НДС системы «СТМ-зерно-связка»:
а — расчетная схема; б — приведенное напряжение; в — главные напряжения; г — плотность энергии деформации
Зерна с площадками износа не могут быть разрушены только за счет увеличения нагрузки Рн, так как, например, при прочности зерен 32 Н уже даже при 100 зернах в контакте с СТМ общая нагрузка на него будет 3200 Н, что приведет к растрескиванию обрабатываемой поверхности СТМ (брак при заточке лезвийного инструмента из СТМ). Следовательно, такие зерна необходимо либо «убирать» с рабочей поверхности круга (удалением связки), либо микроразрушать вершины зерен для образования острых субмикрокромок, например, ультразвуковым способом (см. гл 7).
С уменьшением числа зерен в контакте, например, за счет концентрации алмазов в круге или увеличения рабочей высоты зерен hр, увеличивается нагрузка на единичное алмазное зерно, уменьшается вероятность контактирования их с СТМ площадками износа, и можно существенно интенсифицировать процесс микроразрушения припуска под обработку СТМ. Критическая величина заделки зерна в связку, определяемая величиной максимальных приведенных напряжений в ней, также зависит от соотношения в контакте зерен с площадками износа и острых. Так, расчеты показали, что увеличение зерен с площадками износа с 10 % до 80 % приводит к уменьшению
критической величины заделки h^ от 45 до 25 мкм.
Исследование влияния параметров топографии РПК на 3D НДС системы показали, что если алмазное зерно даже не значительно 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» связки 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.
1. Проведен комплексный теоретико-экспериментальный анализ трехмерного процесса топографической приспосабливаемости, основанный на теоретическом описании параметров топографии рабочей поверхности круга, их изменения в процессе его износа и экспериментальном лазерном сканировании поверхности РПК и СТМ. Полученные теоретические зависимости позволяют определять число зерен на РПК и в контакте с СТМ, относительной опорной площади поверхности и длины профиля РПК, величины фактической площади контакта РПК с СТМ, а также динамику их изменения по мере износа круга и изменения критической величины заделки зерна в связку. Появилась возможность теоретически оценивать изменение параметров топографии РПК в процессе шлифования. Полученные зависимости использованы при разработке теоретического модули экспертной системы процесса шлифования СТМ
Разработана методика определения фактической площади контакта РПК с СТМ и ее изменения в процессе приспосабливаемости, основанная на искусственной замене дискретной поверхности РПК — непрерывной и учитывающая упругое заглубление алмазных зерен в связку. Предложен двухэтапный метод 3D экспериментально-теоретического определения фактической площади контакта РПК с СТМ в условиях отсутствия внедрения зерен в обрабатываемый материал и отсутствия контакта его со связкой, учитывающий субмикрорельеф алмазных зерен и СТМ, анизотропию свойств кристаллитов СТМ и алмазных зерен, упругие свойства связки круга. На первом этапе рассчитывается фактическая площадь контакта «РПК-СТМ» на макроуровне через относительную опорную площадь поверхности круга, а затем, приняв ее за контурную, применяя модернизированную методику расчета параметров дискретной относительной опорной поверхности РПК (b и у), проводится расчет фактической площади контакта на микроуровне «СТМ — микрорельеф зерен» по известным зависимостям Демкина Н. Б. и Крагель — ского И. В. При этом в качестве характеристики жесткости системы используется модуль упругости металлической связки, а не контактирующих материалов.
Экспериментальное определение величины фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ» можно выполнять по результатам лазерного сканирования их поверхностей и компьютерного определения величины относительной опорной площади.
Получены теоретические зависимости, описывающие взаимосвязь и изменение таких параметров, как рабочая высота зерен, число зерен на РПК и в контакте, их концентрация в круге, относительная опорная длина и площадь профиля РПК, фактическая площадь контакта, удельная нагрузка в процессе износа алмазного круга. Теоретически обосновано и экспериментально доказано положение о том, что концентрация алмазов в круге, рабочая высота зерен и критическая глубина их заделки в связке являются важнейшими факторами процесса алмазного шлифования СТМ. Уменьшение концентрации алмазов в круге до уровня 5-20 % с соответствующим уменьшением рабочей высоты зерен до уровня микронеровностей связки и увеличение модуля ее упругости не приводит к ухудшению выходных показателей алмазного шлифования СТМ, т. к. величина фактической площади контакта РПК с СТМ остается неизменной, но существенно снижает удельный расход и себестоимость обработки, повышает степень использования алмазных зерен.
Анизотропия физико-механических свойств алмазных зерен, обуславливающая существенно различную (до 10 раз) интенсивность износа их различных граней, должна учитываться при анализе изменения параметров рабочей поверхности круга в процессе его износа, например, при расчете числа фактически работающих зерен, величины фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ» и т. д. Это положение подтверждается существенным (до 3 раз) расхождением результатов расчета и экспериментального определения числа зерен в контакте РПК с СТМ.