Принудительное формирование режущего субмикрорельефа алмазных зерен

Поскольку главной причиной потери режущих свойств алмазными кругами при шлифовании СТМ является массовое образование на зернах площадок износа [173], основным способом повышения эффективности про­цесса является формирование на зернах режущего субмикрорельефа. Сфор­мировать его можно или в зоне шлифования в процессе взаимодействия ал­мазных зерен с обрабатываемым СТМ, или/и в автономной зоне управления посредством воздействия на площадки износа инструментом-ударником с прочными и мелкими алмазными зернами в режиме ультразвуковых колеба­ний, а также другими способами. Наиболее эффективным представляется способ ультразвукового шлифования, но только не с продольными колеба­ниями, как это принято для улучшения качества обработки [108], а с попе­речными, создающими дополнительные ударные нагрузки в контакте «зер — но-СТМ», что с одной стороны интенсифицирует процесс съема припуска, а с другой обеспечивает процесс формирования на поверхностях износа зерен режущего субмикрорельефа. Такой способ эффективен только в тех случаях, когда дополнительная энергия ультразвука, вводимая в зону шлифования, не будет приводить к образованию дефектного слоя в процессе ультразвукового шлифования. Этот способ не применим при шлифовании СТМ с чрезмерно напряженной исходной структурой после синтеза и большим содержанием внутренних дефектов. Для таких материалов целесообразно применение спо­соба автономного (вне зоны шлифования) формирования на зернах режуще­го субмикрорельефа путем воздействия на них алмазными инденторами с ультразвуковой частотой колебаний. Для повышения эффективности про­цесса шлифования некоторых марок СТМ возможно применение комбина­ции этих двух способов, т. е. введение энергии ультразвука и в зону шлифо­вания и в зону управления. Схема практической реализации способов шли­фования с комбинированным управлением параметрами РПК представлена на рис. 7.2.

Теоретическое обоснование возможности и эффективности процесса ультразвукового формирования «режущего» субмикрорельефа на площадках износа алмазных зерен проведено нами в п. 5.6.

Экспериментальное исследование процесса формирования на поверх­ности СТМ (имитация площадки износа алмазного зерна) субмикрорельефа путем ультразвукового воздействия проводили на специальной установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 7.3 а.

Теоретически и экспериментально исследовалось влияние длины на­чальной микротрещины, марки обрабатываемого СТМ и марки алмазного зерна на число циклов до разрушения (образования лунки) поверхности ал­мазного зерна.

Средняя величина длины начальной микротрещины l0 определялась цветометрическим методом с компьютерной обработкой фотографий по­верхности зерен (см. п. 2.8) и методом стереометрии [165]. Результаты экс­периментального определения числа циклов нагружения до микроразруше­ния площадок износа различных марок алмазных зерен приведены на рис. 7.3.

Анализ результатов позволяет сделать вывод о существенном влиянии пористости (длины начальной трещины ф) на число разрушающих циклов нагружения N. Так, увеличение длины начальной микротрещины в 20 раз уменьшает число циклов до разрушения почти в 45 раз. Число циклов на­гружения для разрушения различных марок СТМ отличается не более чем в 1.5 раза, что объясняется близкими значениями коэффициентов трещино­стойкости для этих материалов. Влияние марки зерна-ударника сказывается, очевидно, в основном через геометрические параметры зерен различным ма­рок, т. е. радиус округления их вершин. Существенное влияние на интенсив­ность взаимного микроразрушения алмазных зерен круга и инструмента — ударника оказывают модули упругости как связки круга, так и инструмента — ударника. Как было показано в гл. 5, величина модуля упругости связок кру­га и инструмента-ударника определяет величину напряжений и энергии де­формации в контакте «зерно ударника — зерно круга». Кроме этого от вели­чины модуля упругости связки зависит частота собственных колебаний ал­мазных зерен в круге, которая определяет возможность или не возможность отслеживания алмазным зерном анизотропии свойств кристаллитов СТМ. Роль частоты собственных или вынужденных колебаний алмазных зерен бу­дет показана ниже.

Анализ результатов, приведенных на рис. 7.3, позволяет на основании данных о длине начальной микротрещины lo, критической длине трещины

1кр и числу циклов, за который начальная длина микротрещины разовьется до критической величины N, определить скорость развития микротрещины. По нашим результатам эта скорость dl / dN изменяется в диапазоне

_4 —з

от 1.8-10 до 4.6-10 мм/цикл, что хорошо согласуется с результатами ра­боты [73].

а б

в г

Рис. 7.2. Схемы способов алмазного шлифования с управлением

приспосабливаемостью:

а — электроэрозионное удаление связки; б — электрохимическое удаление связки; в — зоны
шлифования и управления РПК; г — зона шлифования и управления.

1 — алмазный круг; 2 — токосъемник; 3 — генератор импульсов ШГИ-40-440; 4 — источник
постоянного тока; 5 — катодное устройство; 6 — к генератору ультразвуковых колебаний;
7 — устройство ультразвуковой правки; 8 — шлифуемый образец; 9 — концентратор.

Условие стабильности работы круга:

V = V + V + V + V

где Кус — скорость удаления связки в зоне шлифования; Уизн — скорость линейного износа
зерен; Кур — скорость линейного микроразрушения зерен в зоне управления шлифовани-
ем; Кзу — скорость линейного заглубления зерен в связку в зоне управления; И}ш — ско-
рость линейного заглубления зерен в связку в зоне шлифования

Теоретические исследования усталостно-циклического разрушения алмазных зерен проведены с использованием методики расчета, приведен­ной в гл. 6. Корректировка результатов теоретических исследований прово­дилась с использованием результатов эксперимента.

В практическом аспекте полученные результаты будут использованы в теоретическом модуле экспертной системы при назначении режимов ультра­звуковых колебаний в зоне шлифования и/или в зоне управления (см. гл. 8). Окно программы подсистемы определения условий принудительного фор­мирования субмикрорельефа на алмазных зернах представлено на рис. 7.4.

Исследования показали, что в процессе ультразвукового воздействия на круг [196] режущий субмикрорельеф алмазных зерен сохраняется в пре­делах износа зерна с высотой выступания от hp > 90 мкм до hp = 35 мкм (см. рис. 2.2 г). Исследование напряженно-деформированного состояние системы «зерно-СТМ» с площадкой износа (рис. 7.5 б, г) со сформированным на зер­не субмикрорельефом (рис. 7.5 в, д) показал, что при одних и тех же услови­ях нагружения системы величина приведенных напряжений или энергии де­формации увеличивается в десятки раз. Многочисленные модельные экспе­рименты показали высокую эффективность формирования на зернах суб­микрорельефа как фактора повышения производительности процесса шли­фования СТМ и повышения коэффициента использования алмазных зерен, т. к. алмазное зерно остается активно работающим практически до полного его износа.

Полученные результаты теоретического и экспериментального иссле­дования процесса усталостно-циклического разрушения алмазных зерен подтверждают достоверность исследований, выполненных ранее нами [112] и другими авторами [73], и доказывают возможность и эффективность ис­пользования теоретической экспертной системы для определения оптималь­ных условий управления параметрами субмикрорельефа алмазных зерен при шлифовании СТМ.

Таким образом, разработана методология управления процессом при — спосабливаемости и способы шлифования c комбинированным управлением выходными показателями процесса алмазного шлифования СТМ.