Роль частоты собственных и вынужденных колебаний алмазных зёрен при шлифовании сверхтвёрдых материалов

Г етерогенные структуры типа поликристаллических сверхтвёрдых ма­териалов имеют существенные различия физико-механических свойств со­ставляющих их структур как в силу анизотропии свойств их кристаллитов, так и из-за различия свойств их структур (алмазная структура плюс металли­ческая связка) для композиционных сверхтвёрдых материалов типа славутич или твесал.

СТМ типа баллас и карбонадо имеет структуру с размерами алмазных кристаллитов порядка 100-300 мкм. Если учесть, что при алмазном шлифо­вании этих материалов практически отсутствует внедрение в них алмазных зерен, а величина пятен контакта в системе «зерно-СТМ» колеблется от до­лей мкм до нескольких мкм, то в реальном процессе оказывается, что каж­дый кристаллит СТМ представляет собой самостоятельный объект обработ­ки, т. е. каждый кристаллит (монокристалл) обрабатывается отдельно (см. рис. 4.12). Роль анизотропии свойств кристаллитов СТМ и алмазных зерен в процессе приспосабливаемости рассмотрены в гл. гл. 4 и 6.

В данных исследованиях определялась роль вынужденных (наложени­ем ультразвуковых колебаний в зоне шлифования и/или в зоне управления) колебаний алмазных зерен на возможность отслеживания анизотропии кри­сталлитов СТМ.

С учетом собственных и вынужденных колебаний алмазных зерен в связке представляет интерес возможность «попадания» зерна во «впадину»

(мягкую грань), в зависимости от скорости шлифования Укр, размеров кри­сталлитов L, модуля упругости связки. Эти условия будут определяться и частотой собственных колебаний зёрен в круге.

Частоту собственных и вынужденных колебаний алмазных зерен в круге в зависимости от физико-механических свойств связки и алмазных зе­рен, их размеров (зернистости) определяли методом конечных элементов в пакете программ типа Ansys при 3D моделировании. Имитационная модель расчета собственных и вынужденных колебаний алмазных зерен приведена на рис. 7.9.

Результаты расчетов зависимости величины собственных колебаний алмазных зерен от модуля упругости связки приведены в табл. 7.1.

Установлено, что, изменяя модуль упругости связки, можно в широ­ком диапазоне управлять частотой собственных колебаний алмазных зерен. Чем выше модуль упругости связки, тем больше частота собственных коле­баний алмазных зерен, тем больше вероятность отслеживания алмазным зерном анизотропии свойств кристаллитов СТМ, тем вероятнее реализация производительного процесса шлифования (см. схему на рис. 4.12).

Порядок расчета режимов шлифования в зависимости от величины собственных колебаний зерен, скорости круга и величины кристаллитов СТМ и зерен приведен в п. 4.7.

Расчеты, проведенные в п. 4.7, показали, что наиболее перспективным может являться способ принудительного колебания алмазных зерен в связке путем введения ультразвуковых колебаний в зону шлифования и/или в зону управления. В связи с этим частоту ультразвуковых колебаний следует вы­бирать из условия обеспечения схемы производительного (см. рис. 4.12 а, б) или прецизионного (доводочного) шлифования (см. рис. 4.12 в, г).

Таким образом, при необходимости осуществлять производительный или прецизионный процесс алмазного шлифования различных СТМ необхо­димо с учетом величины их кристаллитов и модуля упругости связки, соб­ственных или вынужденных колебаний алмазных зерен в связке назначать соответствующую скорость шлифования.

Введение в зону шлифования и/или управления энергии ультразвуко­вых колебаний открывает за счет регулирования частоты вынужденных ко­лебаний алмазных зерен новые возможности для реализации либо произво­дительного, либо прецизионного шлифования. Так, например, как было по­казано в п. 4.7, в случае обработки СТМ с мелкими кристаллитами для того, чтобы алмазное зерно «успело» отследить анизотропию их свойств, необхо­димо вести процесс со скоростью шлифования не более 5 м/с, однако такой процесс будет малоэффективным. Увеличив частоту колебаний алмазных зе­рен путем введения в зону шлифования энергии ультразвуковых колебаний с частотой 30 кГц, можно реализовать производительную схему шлифования даже при скорости круга более 30 м/с.

Подсистема определения собственных и вынужденных колебаний ал­мазных зерен вошла составной частью в теоретический модуль экспертной системы процесса шлифования СТМ.