Разработка методологии управления процессом приспосабливаемости и способов ее реализации

В главе излагается разработанная методология комплексного управле­ния процессом приспосабливаемости и способов ее реализации. Процесс управления приспосабливаемостью основан на принудительном регулирова­нии величины фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ» путем одновременного дозируемого удаления связки (макроуровень) и принуди­тельного формирования субмикрорельефа на алмазных зернах введением в зону шлифования и/или управления энергии ультразвуковых колебаний (микроуровень).

7.1. Разработка методологии управления топографической, структурно-фазовой и энергетической приспосабливаемостью

Основным условием высокой эффективности алмазного шлифования СТМ является сохранение в процессе всего периода обработки такого со­стояния рабочей поверхности кругов, когда совокупность ее режущих ал­мазных элементов способна передавать прилагаемую нагрузку на бесконеч­но малые участки обрабатываемой поверхности, обуславливая в окрестно­стях пятна упругого контакта локальные напряжения, превышающие значе­ния критических для данного сверхтвердого материала, благодаря чему доля энергии, идущей на разрушение, в общих затратах возрастает, обобщенным результатом чего является интенсивный съем СТМ.

Высокоэффективные процессы алмазного шлифования СТМ необхо­димо базировать на принципе непрерывного формирования энергетически неустойчивого состояния с целью предотвращения структурно-топографи­ческой приспосабливаемости взаимодействующих поверхностей при обес­печении статистически неизменных оптимальных параметров режущего

рельефа круга в течение всего периода шлифования [35]. Это означает, что устойчивость выходных показателей высокопроизводительной обработки СТМ обеспечивается неустойчивой рабочей поверхностью круга, т. е. алмаз­ные зерна могут эффективно шлифовать СТМ только тогда, когда сами бу­дут разрушаться с оптимальной интенсивностью, сохраняя необходимую развитость субмикрорельефа [173]. Стабилизация же выходных показателей процесса достигается тем, что, оказывая специальное дозирующее воздейст­вие на рабочую поверхность круга и на алмазные зерна, обеспечивается со­ответствие темпа восстановления ее параметров темпу изменения в зоне шлифования в зависимости от требований обработки СТМ. Нужно непре­рывно сообщать рабочей поверхности круга и обрабатываемой поверхности СТМ дополнительную энергию, которая обеспечила бы увеличение полез­ной энергии разрушения Ер в общем объеме затрат, сделав структуру по­верхности энергетически неустойчивой, и обеспечила бы в результате пре­дотвращение структурно-топографической приспосабливаемости. Поскольку показатели шлифования наиболее тесно связаны с относительной величиной фактической площади контакта «РПК-СТМ», следует оптимизировать вели­чину дополнительной энергии, сообщаемой взаимодействующим поверхно­стям с целью исключения неоправданно большого расхода алмазов и возмож­ности эффективного использования всего диапазона приспосабливаемости.

Таким образом, в отличие от положения Б. И. Костецкого [74] об ин­версии финишной абразивной обработки в основном за счет воздействия на обрабатываемый материал, нами в качестве определяющего объекта управ­ления выбрана и рабочая поверхность круга, и обрабатываемый материал. Управление процессом приспосабливаемости за счет воздействия на обраба­тываемую поверхность СТМ осуществляется путем изменения условий ди­намического воздействия энергией ультразвука и использования влияния анизотропии свойств кристаллитов СТМ на изменение характера взаимодей­ствия элементов системы «РПК-СТМ».

Попытка интенсифицировать процесс за счет увеличения давления в контакте «СТМ-РПК» (например, увеличением поперечной подачи) в боль­шинстве случаев приводит к браку из-за появления сетки микротрещин на обработанной поверхности СТМ. Разработанные ранее способы шлифования с управлением режущим рельефом кругов устраняли этот недостаток в ос­новном за счет управляемого дозируемого удаления связки круга (например, электрохимическим способом) и, тем самым, принудительно удаляли «тор­мозящие» процесс алмазные зерна с площадками износа с поверхности РПК [155]. Такой процесс, безусловно, эффективен, однако он характеризуется повышенным расходом алмазных зерен и, как следствие, низким коэффици­ентом использования их потенциально высоких режущих свойств. Извест­ные способы формирования субмикрорельефа на алмазных зернах путем по­дачи в зону шлифования свободного абразива связаны с большой сложно­стью их практического применения и дополнительным расходом дорого­стоящего алмазного порошка [47].

Перспективным представляется использование опыта ультразвуковой обработки хрупких неметаллических материалов [84, 107, 108]. Как извест­но, ультразвук в последние годы нашел широкое применение в промышлен­ности при обработке ряда твердых и хрупких материалов. Проведены были также опыты по резке кристаллов алмаза с применением ультразвука [108], закончившиеся положительным результатом.

Ультразвуковая обработка хрупких материалов состоит из двух основ­ных процессов: процесса ударного, упругого заглубления абразивных зерен, вызывающего выкалывание частиц обрабатываемого материала и процесса циркуляции абразива в рабочей зоне, в результате которого происходит унос выколотых частиц обрабатываемого материала и доставка свежего абразива.

Применение дополнительной энергии в виде ультразвуковых колеба­ний, вводимых в зону шлифования и/или в зону управления, позволит реали­зовать принцип инверсии приспосабливаемости за счет изменения динами­ческих условий нагружения системы. При этом могут быть использованы особенности кристаллического строения составляющих СТМ и алмазных зе­рен, а также анизотропия их физико-механических свойств.

Нами предложен способ повышения режущей способности алмазных кругов за счет непрерывного управляемого формирования на площадках из­носа алмазных зерен режущего субмикрорельефа путем введения в зону шлифования и/или в зону управления энергии ультразвуковых колебаний [196]. В основу данного способа положен процесс ультразвукового шлифо­вания и ультразвуковой правки кругов [95].

Основным назначением энергии ультразвуковых колебаний, вводимой в зону шлифования и/или управления, является принудительное формирова­ние субмикрорельефа алмазных зерен. Именно при принудительном микро­разрушении зерен генерируются новые острые режущие микрокромки, кото­рые обеспечивают интенсивность удаления объемов материала припуска. Появление уплощения вершин с началом приспосабливаемости снижает и впоследствии полностью исключает ощутимый съем объемов поликристалла.

Методология управления режущими свойствами кругов в процессе шлифования СТМ должна базироваться на формировании и поддержании в течение всего периода обработки энергетически неустойчивых состояний зе­рен и их структуры путем дозированного воздействия, направленного на предотвращение топографической и структурной приспосабливаемости ра­бочей поверхности алмазных кругов. Достичь этого выбором характеристи­ки кругов и режимов шлифования невозможно.

В предложенных и разработанных способах реализуется комбинация двух методов: удаление связки — формообразование на макроуровне; прину­дительное формирование субмикрорельефа на алмазных зернах — формооб­разование на микроуровне.

Принципиальная схема предложенной методологии управления при — спосабливаемостью приведена на рис. 7.1. Она включает способы, обладаю­щие различными возможностями — от очень ограниченных (режимы шлифо­вания, характеристика круга) до весьма широких, совпадающих по внешним признакам с возможностями методов правки кругов. Очевидно, для их оцен­ки целесообразно вернуться к взаимосвязи параметров режущего рельефа кругов и выходных показателей процесса шлифования.

В гл. 4 было показано, что выходные показатели наиболее тесно связа­ны с относительной величиной фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ». Это положение принято в качестве исходного при анализе способов и средств предотвращения структурно-топографической приспо- сабливаемости. На этом основании предпочтительными следует считать та­кие способы сообщения дополнительной энергии, которые позволяли бы управлять фактической площадью контакта в системе «РПК-СТМ».

Способы, которые обеспечат лишь непрерывное микроразрушение зе­рен, не позволяют оптимизировать их высоту и исчерпают свои возможно­сти, как только значение высоты выступания верен hр станет соизмеримым с шероховатостью поверхности связки. С другой стороны, способы одновре­менного разрушения зерен в связке (например, используемые при правке кругов алмазными карандашами, режимы самозатачивания кругов) также не

обеспечивают оптимизации Ar.

Отсюда следует вывод о целесообразности использования комбинации этих двух способов предотвращения приспосабливаемости рабочей поверх­ности кругов, которые основаны на избирательном воздействии на связку круга с целью управления высотой выступания зерен и принудительного формирования на них режущего субмикрорельефа. Причем, управление про­цессом приспосабливаемости осуществляем как на этапе подготовки процес­са (выбор характеристик кругов, режимов шлифования и т. д.), так и в про­цессе шлифования. Определяющим аспектом управления приспосабливае — мостью в процессе обработки в нашем случае является принудительное формирование субмикрорельефа алмазных зерен в зоне шлифования и/или в зоне управления, так как именно субмикрокромки зерен обеспечивают тре­буемую эффективность производительного процесса шлифования. При пре­цизионном (доводочном) процессе дополнительного воздействия на РПК не требуется, т. к. в этом случае ответственными за микросъем являются термо­активируемые процессы.