Способы ультразвукового шлифования с адаптивным комбинированным управлением РПК

Разработанная методология комплексного управления процессом при­спосабливаемое™ существенно расширяет технологические возможности алмазного шлифования.

В традиционных процессах ультразвукового шлифования положитель­ный эффект заключается, в основном, либо в повышении качества обрабо­танной поверхности при условии продольной амплитуды колебаний в систе­ме «РПК-деталь», либо в повышении производительности обработки за счет увеличения глубины внедрения зерен (при поперечной амплитуде колебаний в системе «РПК-деталь»). В нашем случае, когда практически нет внедрения зерен в обрабатываемый материал, роль энергии ультразвуковых колебаний, вводимых в зону шлифования, отличается от вышеуказанной (традицион­ной). Основное назначение ультразвуковых колебаний в зоне шлифования — способствовать процессу самозатачивания (формирования режущего суб­микрорельефа) алмазных зерен, т. е. минимизировать процесс образования площадок износа. При этом продольные колебания в системе будут давать только отрицательный результат, т. к. будут способствовать интенсивности образования площадок износа. И только поперечные колебания в системе «РПК-СТМ» будут способствовать процессу самозатачивания алмазных зе­рен.

Экспериментальные исследования интенсивности образования площа­док износа показали, что при продольных колебаниях в системе «РПК — СТМ» площадки износа образуются в 1.5-2 раза быстрее, чем при обычном алмазном шлифовании, а при поперечных колебаниях зерна могут оставать­ся с развитым рельефом практически до их износа до уровня связки. Процесс ультразвукового шлифования реализован путем подачи ультразвуковых ко­лебаний на обрабатываемый СТМ (см. рис. 7.2), закрепленный на концентра­торе с вибратором 7. Энергия ультразвуковых колебаний в зону шлифова­ния, и/или в зону управления подается от одного ультразвукового генератора типа УЗМ-1,5. Подача энергии ультразвуковых колебаний в зону шлифова­ния реализует выдвинутый Б. И. Костецким принцип инверсии процесса приспосабливаемости за счет изменения динамики нагружения взаимодейст­вующих поверхностей [74].

Известен способ ультразвуковой правки кругов с применением генера­тора ультразвуковых колебаний, магнитострикционного вибратора, концен­тратора и ударника [95]. По данным Д. Кумабэ [95] такой способ правки по­зволяет в 5-6 раз улучшить качество шлифуемой поверхности. Однако такой способ правки при шлифовании СТМ кругами на металлической связке сам по себе не решит проблему эффективной обработки СТМ, поскольку про­цесс шлифования закончится в пределах одной высоты выступания зерен над связкой. Разработанные в [35] способы шлифования с управлением па­раметрами режущего рельефа круга, при всей их эффективности, не преду­сматривают непосредственного формирования субмикрорельефа алмазных зерен. Для устранения недостатков, присущих двум вышеуказанным спосо­бам шлифования и использования их достоинств, нами разработаны способы шлифования с комбинированным управлением РПК. Способы предусматри­вают двойное воздействие на рабочую поверхность в автономной зоне. Для обеспечения постоянного хрупкого микроразрушения рабочей поверхности алмазных зерен и исключения образования на них площадок износа они под­вергаются непрерывному принудительному формированию субмикрокромок на алмазных зернах с требуемой интенсивностью. А для непрерывного, по­следовательного введения в работу все новых алмазных зерен взамен изно­сившихся в автономной зоне осуществляется электроэрозионное или элек­трохимическое удаление связки с интенсивностью, равной интенсивности износа зерен. На основе такого комбинированного управления режущим рельефом круга нами предложено три способа шлифования. Для всех них присуще принудительное управление развитостью субмикрорельефа алмаз­ных зерен за счет введения энергии ультразвуковых колебаний в зону управ­ления (см. рис. 7.2).

Вибрационное воздействие на зерна осуществляется плоским инстру — ментом-ударником (см. рис. 7.5 а, е) с размерами 25x25x15, в рабочей по­верхности которого закреплены «таблетки» из алмазосодержащего слоя на прочной металлической связке с мелкими и прочными алмазными зернами (АС160Т). Этот инструмент 3 крепится к концентратору колебаний 5 магни — тострикционного вибратора 1. Работа вибратора приводится в действие от генератора ультразвуковых колебаний 2. Расчет формы и размеров концен­тратора 5 и способ крепления к нему плоского инструмента — ударника осу­ществлен по известной методике [95]. Частота и амплитуда колебаний опре­деляются теоретически либо экспериментально в зависимости от требуемой интенсивности микроразрушения зерен. Теоретическое определение условий принудительного формирования субмикрорельефа алмазных зерен осущест­вляется с использованием теоретического модуля экспертной системы (см. рис. 7.4). Такие комбинированные способы управления приспосабливаемо — стью взаимодействующих поверхностей позволяют более полно использо­вать потенциальные режущие свойства алмазных зерен и повысить эффек­тивность шлифования СТМ.

Для обработки СТМ на основе нитрида бора, когда интенсивность ли­нейного износа алмазных зерен относительно невелика, а, следовательно, и интенсивность удаления связки должна быть соответственной, может быть применен наиболее простой способ шлифования с вибрационно-эрозионным управлением РПК от источника постоянного тока (см. рис. 7.2 а). Здесь элек­троэрозионный разряд (удаляющий связку) между металлической поверхно­стью инструмента-ударника и связкой осуществляется за счет изменяющего­ся зазора при вибрациях от hmax до hmin. Достоинством данного способа яв­ляется простота реализации и отсутствие необходимости применения гене­раторов импульсного тока типа ШГИ-40-440 [13].

При обработке СТМ на основе алмаза, когда интенсивность износа ал­мазных зерен чрезвычайно высока, а, следовательно, требуется такое же ин­тенсивное управляющее воздействие на связку круга, использование источ­ника постоянного тока оказывается недостаточным. В этом случае для эро­зионного управления параметрами РПК применяется генератор импульсов ШГИ-40-440 (см. рис. 7.2 а). Режимы работы этого генератора определяются экспериментально в зависимости от требуемой интенсивности управляемого воздействия на связку круга.

Данный способ обладает более широкими возможностями по сравне­нию с первым, но он дороже.

Наибольшей интенсивностью удаления связки с рабочей поверхности круга обладает способ ее электрохимического растворения в зоне управле­ния [155]. Поэтому, например, при заточке резцов из СТМ совместно со стальной державкой, когда кроме удаления связки требуется еще и удалять продукты шлифования (металлическую стружку), наиболее эффективен бу­дет способ шлифования с вибрационно-электрохимическим управлением режущим рельефом круга (РПК) (см. рис. 7.2 б).

В данном случае на рабочей поверхности круга имеются три зоны (см. рис. 7.2 в): зона шлифования; зона принудительного формирования субмик­рорельефа алмазных зерен; зона электрохимического управления развито­стью РПК.

Общим для всех трех способов шлифования являются условия ста­бильности процесса шлифования:

Уус = ¥изн + ^ур — ^3^ (7.2)

где ¥ус — скорость удаления связки;

¥изн — скорость линейного износа зерен в зоне шлифования;

¥ур — скорость линейного микроразрушения зерен в зоне ультразвукового шлифования и управления субмикрорельефом зерен;

¥зг — скорость линейного заглубления (шаржирования) алмазных зерен в связку в зоне шлифования и управления.

При отключении управляющих воздействий на рабочую поверхность круга на алмазных зернах в массовом порядке образуются площадки износа и процесс трансформируется практически в процесс трения «алмаз-алмаз» с величиной съема на наноуровне. При использовании прецизионного (сверх­точного) оборудования в этих условиях можно реализовать ультрапрецизи­онное шлифование сверхтвердых материалов.