Дискуссия о преимуществах шлифования или лезвийной обработки в своей основе сводится к эффективности абразивной обработки, поскольку показатели лезвийной обработки во многом определяется качеством заточки инструмента. Так, например, при соответствующем качестве заточки инструментов из СТМ они с успехом могут заменить природный алмаз.
Существующая технология заточки лезвийного инструмента из СТМ кругами базируется на двух операциях — предварительное шлифование кругами на металлической связке с управлением режущим рельефом круга и доводка мелкозернистыми кругами на органической связке [173].
В гл. 4 вскрыта неоднозначная роль уровня приспосабливаемости в эффективности процесса алмазного шлифования СТМ. Так, если для производительного шлифования третий период приспосабливаемости [150] не пригоден, то возможно в этом периоде можно осуществлять термоактивируемую доводку инструмента из СТМ. Известно, что лезвийный инструмент из сверхтвердых материалов на основе алмаза не рекомендуется применять для обработки черных металлов из-за высокой степени химического сродства взаимодействующих материалов и, как следствия, большой интенсивности их износа. По данным Т. Н. Лоладзе и Г. В. Бокучавы [101, 102] определяющим при этом является диффузионный и окислительный вид износа. Скорость диффузионного износа алмазной пирамиды при резании армко-
_4 3
железа со скоростью 35 м/с составила Уд = 2-10 мм /мин. В связи с этим можно предположить, что при износе алмазного круга до контакта металлической связки с обрабатываемой поверхностью СТМ на основе алмаза может иметь место диффузионный и окислительный износ микрогребешков, т. е. осуществляться процесс термоактивируемой доводки. Проанализировав все выше изложенное, можно предположить следующее: применение алмазного шлифовального круга на металлической связке на основе железа после окончательного износа алмазных зерен позволит произвести доводку обрабатываемой поверхности режущего инструмента из СТМ на основе алмаза. Происходит своеобразная замена: алмазный шлифовальный круг, то есть его металлосодержащая связка становится обрабатываемым материалом, а поверхность СТМ, ее микронеровности выступают в роли мельчайших режущих инструментов — абразивных зерен. При этом используется металлическая связка на основе железа, которая с одной стороны обеспечивает максимальное алмазоудержание (в производительном процессе), а с другой обеспечивает максимальную скорость диффузии алмаза в связку. Требуемая высокая температура для процесса диффузии обеспечивается за счет трения связки с обрабатываемым СТМ. Фактически реализуется процесс, аналогичный процессу доводки алмазного инструмента на нагретом чугунном диске [179]. Таким образом, есть основание считать, что в третьем периоде традиционного процесса алмазного шлифования СТМ возможно осуществление процесса термоактивируемой доводки обработанной поверхности. После предварительного (производительного) процесса шлифования с управлением параметрами РПК [150] выключается система управления и прекращается подача СОТС в зону шлифования. Алмазные зерна интенсивно изнашиваются и железосодержащая связка круга входит в контакт с предварительно обработанной поверхностью СТМ. В этом случае начинают действовать установленные выше механизмы износа микрогребешков на обработанной поверхности, т. е. механизм окисления, диффузии и графитизации.
Таким образом, появляется возможность осуществлять предварительную (с включенной системой управления режущим рельефом круга) и прецизионную (доводочную — с выключенной системой управления режущим рельефом круга) операции обработки СТМ одним и тем же крупнозернистым кругом любой зернистости с прочной металлической связкой на железной основе.
Если после предварительной обработки выключить систему управления режущим рельефом круга, то через 30-60 секунд алмазные зерна круга изнашиваются до уровня металлической связки [150, 151]. Этот момент и является началом доводочного периода шлифования, характеризующегося трением связки с поверхностью обрабатываемого СТМ. Учитывая много — компонентность алмазного поликристалла, алмазоносного слоя и металлической связки круга, можно ожидать в пределах пятна контакта появления различных температурных условий, вызванных трением алмаза по алмазу, алмаза по металлической связке или связки по металлическим включениям СТМ.
Завершающая стадия обработки — доводка поверхности СТМ — заключается в химических процессах, точнее диффузионных и окислительных процессах, протекающих между железосодержащей металлической связкой шлифовального круга и микронеровностями, которые образуются на поверхности СТМ после предыдущего этапа обработки.
Ориентировочно интенсивность термоактивируемой доводки можно
определить как сумму интенсивностей процесса «огневого бурения» Гог [189, 213] и диффузионного процесса Гдиф:
Гс = Гог + Гдиф. (7.3)
В обосновании возможности термоактивируемой доводки использованы результаты исследований Т. Н. Лоладзе и Г. В. Бокучавы по износу алмазного инструмента [101, 102] и методику Г. П. Черепанова и
Х. Г. Тхагапсоева по методу «огневого бурения» для износа алмазных правящих карандашей [137, 189, 213].
Подсистема «Dovodka», входящая в состав общей экспертной системы процесса алмазного шлифования СТМ, предназначенная для количественной оценки результатов термоактивируемой доводки, построена по следующему алгоритму:
• определение параметров 3D топографии обрабатываемой поверхности СТМ;
• определение параметров 3D топографии рабочей поверхности круга (РПК);
• определение фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ»;
• расчет интенсивности термоактивируемой доводки обрабатываемой поверхности СТМ.
Важным элементом, определяющим эффективность процесса термоактивируемой доводки, является температура в контакте «РПК-СТМ». Приняв за основу идеализированную схему контакта круга с обрабатываемым поликристаллом алмаза (рис. 7.10 а, б) при условии износа зерен до полного кон
такта связки с СТМ, средний рост температуры в пределах единично нагретой точки при средних скоростях скольжения можно получить из соотношения [208]:
6.4 ц NV b (X1 + X2)
где ц — коэффициент трения;
N — контактная нагрузка, Па;
V — скорость скольжения, м/с;
b — сторона квадрата контакта, м;
^1 и X 2- коэффициент теплопроводности двух скользящих тел, Вт/(м-К).
Принимая N = 2 МПа, V = 30 м/с, b = 60 мкм, расчет производим для случая контакта алмаза с алмазом, а также алмаза с Fe, Cu, Ni, Sn, процентное содержание которых в связке М6-14 наибольшее. Результаты расчетов, представленные в табл. 7.2, указывают, во-первых, на возможность появления достаточно высоких температур, соизмеримых с температурами окисления, диффузии, пластической деформации и даже графитизации СТМ, и, во — вторых, на наличие значительных температурных градиентов.
|
Таблица 7.2 — Расчетные контактные температуры СТМ с различными компонентами алмазного круга
|
Для определения скорости износа поликристалла алмаза, вызываемого разрушением поверхностного слоя под действием термоупругих напряжений, воспользуемся формулой «огневого бурения», предложенной в работах [137, 213]:
где f — фактическая площадь контакта алмаза, мкм 2;
X — коэффициент теплопроводности алмаза, Вт/(м К);
l — толщина нагретого приповерхностного слоя кристалла, мкм;
Pj- плотность алмаза, кг/м3 ;
с — удельная теплопроводность, Дж/(кг К);
а — коэффициент термического расширения, К _1;
Е — модуль Юнга алмаза, ГПа;
Т — контактная температура, К;
р — коэффициент Пуассона;
<5s — предел прочности при сжатии, ГПа.
За толщину нагретого приповерхностного слоя поликристалла принимали среднее значение высоты микронеровностей на контактной поверхности СТМ, образовавшихся при предварительной обработке (шлифования с управлением режущим рельефом круга). Фактическую площадь контакта СТМ со шлифовальным кругом определяли через относительную опорную площадь поверхности, полученную путем компьютерной обработки результатов лазерного сканирования соответствующих поверхностей [130] и определяли объём материала, находящегося в шероховатом слое глубиной, соответствующей уровню максимальной шероховатости. При выборе величин теплопроводности и теплоемкости алмаза учитывали характер их температурной зависимости [2]. Температуры контакта принимали на основании данных [140].
Производительность термоактивируемой доводки, рассчитанная по формуле (7.5), характеризует скорость термоактивируемого разрушения поверхности СТМ на стадии доводочного шлифования и составляет 0.016 —
3
0.03 мм /мин.
Полученные в результате лазерного сканирования топографии предварительно обработанной поверхности СТМ (шлифование с управлением рельефом круга [130]) показали, что объем материала, находящегося в слое
толщиной с максимальную шероховатость поверхности (параметр Sv) на
-3 3
площади передней поверхности пластины ДАП, составляет 4.8-10 мм. Та-
ким образом, теоретический объем СТМ, соответствующий шероховатости предварительно обработанной поверхности, может быть снят за
4/8-10 3мм3
х =——— 3—— = 9.6 с. (7.6)
0.03 мм3 / мин
Диффузию принято считать медленным процессом, а ее роль — несущественной в общем износе. Однако, исследования, проведенные Т. Н. Лоладзе [100], Г. В. Бокучавой [102], А. С. Вишневским [26], показывают, что диффузионные процессы, протекающие при контакте материалов, обладающих химическим сродством, являются доминирующими в общем износе.
Те же авторы отмечают следующие характерные черты протекания диффузионных процессов в контакте «алмаз-железо».
По данным Лоладзе Т. Н. [99] стойкость алмазного резца, обусловленная диффузионным износом, существенно зависит от температуры.
Стойкость алмазного резца при резании феррита определяли по формуле [101]:
где С0 — растворимость на границе раздела; V — скорость резания;
T — температура в зоне резания.
При условии износа резца по задней поверхности h-з = 1 мм автор экспериментально определяет, что за период стойкости из резца продиффунди-
3
рует 0.8 мм углерода. Пересчитав данные Т. Н. Лоладзе [101], можно получить зависимость скорости диффузии от температуры (табл. 7.3).
Таблица 7.3 — Скорость диффузионного износа алмазного инструмента
|
[47]
|
Доводка поверхности СТМ характеризуется также диффузионными процессами, протекающими между железосодержащей металлической связкой шлифовального круга и микронеровностями, оставшимися на поверхности поликристалла после предыдущего этапа производительной обработки.
Процесс доводки осуществляется при выключенной системе управления режущим рельефом кругов [196] и с выключенной подачей СОТС, т. е. при условии массового образования на зернах площадок износа.
Суммарную производительность термоактивируемой доводки можно посчитать по зависимости:
где 0рд — производительность термоактивируемой доводки; Qm^ — интенсивность диффузионного процесса;
Qок — интенсивность термоокислительного процесса.
V У
где Co — концентрация углерода в связке;
D — коэффициент диффузии; t — время доводки.
где Ar — фактическая площадь контакта;
X — коэффициент теплопроводности алмаза; l — толщина нагретого приповерхностного слоя кристалла; р — плотность алмаза; c — удельная теплоемкость; a — коэффициент термического расширения;
E — модуль Юнга;
T — контактная температура; р — коэффициент Пуассона;
Ss — предел прочности при сжатии.
Если использовать металлическую связку на основе железа М6-14 (МЖ), то решается проблема максимально прочного удержания алмазных зерен, а главное, можно использовать присущие алмазам свойства — высокую степень химического сродства с черными металлами и, как следствие, высокую вероятность интенсивного диффузионного массопереноса из алмазных СТМ в железную связку. В нашем случае железная связка будет способство
вать диффузионному съему микронеровностей с обрабатываемой поверхности СТМ.
Разработанная подсистема теоретического модуля экспертной системы алмазного шлифования позволяет определять условия термоактивируемой доводки лезвийных инструментов из сверхтвердых материалов на основе алмаза.
Расчеты показали, что даже при щадящих режимах термодоводки за 1 -2 минуты с поверхности СТМ может быть снят объем материала, находящийся в пределах шероховатости предварительно обработанной поверхности. Объем материала, составляющего неровности предварительно обработанной поверхности СТМ, определялся методом лазерного сканирования. Наиболее объективным параметром, характеризующим шероховатость обработанной поверхности СТМ, была выбрана величина относительной опорной
площади поверхности tps. Влияние продолжительности термоактивируемой
доводки на величину tps приведено в табл. 7.4.
|
Таблица 7.4 — Влияние продолжительности термоактивируемой доводки на величину относительной опорной площади tps поверхности СТМ
|
Доказана и реализована возможность осуществления производительной и прецизионной обработки одним и тем же кругом, в том числе и крупнозернистым, за счет целенаправленной трансформации процесса от взаимного хрупкого микроразрушения элементов системы «СТМ-связка-зерно» до термоактивируемых (диффузия, графитизация, окисление) съемов при контакте с металлической связкой. С целью интенсификации процесса термоактивируемой доводки применена металлическая связка на основе железа, которая обеспечивает максимальную прочность удержания алмазных зерен и за счет высокой степени сродства алмаза с черными металлами — высокую интенсивность диффузионного съема микронеровностей с обрабатываемой поверхности СТМ.
Таким образом, появилась возможность осуществлять предварительную (с включенной системой управления режущим рельефом круга) и прецизионную (доводочную — с выключенной системой управления режущим рельефом круга) операции обработки СТМ одним и тем же алмазным кругом на прочной металлической связке.