Эффективность процесса алмазного шлифования определяется качеством и характеристиками алмазных кругов и правильностью выбора условий шлифования. Первое условие в большой степени обеспечивается на стадии изготовления алмазных кругов, второе — на стадии их эксплуатации.
В процессе шлифования высокотвердых материалов определяющим может являться соотношение прочностей элементов системы «обрабатываемый материал-алмазное зерно-связка круга». Например, при алмазном шлифовании сверхтвердых материалом (СТМ), когда твердости ИМ и ОМ практически одинаковы, эффективность процесса полностью определяется оптимальностью выбора соотношения прочностей СТМ, алмазных зерен и связки круга [1].
В настоящее время в Украине существует несколько сотен марок связок, применяемых в алмазных кругах. Эти связки существенно различаются по своим прочностным свойствам. Например, только металлические связки имеют довольно широкий диапазон прочности — от алюминиевых до твердосплавных. Таким же широким прочностным диапазоном характеризуются прочностные свойства алмазных шлифпорошков от АС2 до АС160Т, различающихся по прочности в сотни раз.
Однако в настоящее время отсутствует методология выбора оптимального сочетания прочностных свойств алмазных зерен и металлической связки применительно к обработке конкретного обрабатываемого материала.
Существующие в литературе рекомендации по применению тех или иных алмазных зерен и металлических связок носят общий характер и имеют большие диапазоны. Такие рекомендации, с учетом высокой стоимости алмазных зерен (различающейся в зависимости от марки зерна в сотни раз), приводят к низкой эффективности их использования и, как следствие, — высокой себестоимости процесса алмазного шлифования, что существенно сдерживает его применение в процессах обработки. К нерациональному использованию алмазных зерен приводит также не всегда обоснованное назначение уровня их концентрации в алмазных кругах. Традиционно применяемая в серийно выпускаемых кругах концентрация алмазных зерен (25, 50, 100, 150, 200 %) требует существенного уточнения. Для обработки конкретного обрабатываемого материала должны быть выбраны конкретные по прочности (и цене) алмазные зерна, они должны быть заложены в определенную, по своим прочностным свойствам, связку, и их концентрация в круге должна быть строго определенной. При этом с целью экономии алмазных зерен их концентрация не должна ограничиваться серийно выпускаемой. При этом должна решаться также задача оптимального сочетания прочностных свойств металлической связки и алмазных зерен с точки зрения сохранения их целостности в процессе спекания алмазных кругов.
Методология решения данной проблемы базируется на 3D моделировании напряженно-деформированного состояния зоны шлифования и анализе процессов разрушения, происходящих в этой зоне в зависимости от прочностных свойств алмазных зерен, связки и обрабатываемого материала.
С использованием разработанной методологии 3D моделирования НДС проведены исследования процесса спекания алмазных кругов на металлических связках и зоны шлифования различных труднообрабатываемых материалов с целью определения оптимального сочетания прочностных свойств алмазных зерен, обрабатываемого материала и металлической связки как на стадии изготовления алмазных кругов, так и на стадии их эксплуатации (рис. 8.2).
|
Рис. 8.2. Последовательность определения оптимального сочетания прочностных свойств обрабатываемого материала, металлической связки, алмазных зерен и их концентрации |
Задачей процесса 3D моделирования НДС зоны спекания алмазоносного слоя круга на металлической связке является определение оптимального сочетания прочностных свойств алмазных зерен и связки, при которых обеспечивается сохранение целостности алмазных зерен в процессе спекания алмазного круга.
Вопреки существующим представлениям о модели алмазоносного слоя кругов как совершенной [16], нами установлено, что структура этого слоя кругов содержит исходную дефектность в виде поврежденных алмазных зерен, которая количественно определяется безразмерной величиной степени повреждения алмазных зерен [27].
Гранулометрический анализ зерен синтетических алмазов АС50 400/315, извлеченных рекуперацией из образца твесала, показал, что в процессе спекания остаются неразрешенными только около 10-20 % зерен. При этом показано, что на степень повреждаемости алмазных зерен в процессе спекания КАМ существенное влияние оказывает концентрация в них алмазных зерен. Так, увеличение концентрации с 50 до 150 % повышает повреждаемость алмазных зерен в процессе спекания в 2.8 раза.
Поскольку технология спекания алмазоносного слоя круга, например, на твердосплавной связке типа ВК, практически идентична с технологией спекания композиционных алмазных материалов (КАМ), естественно предположить, что и при спекании алмазных кругов часть зерен разрушается. Показано, что в процессе спекания алмазных кругов процент основной фракции (крупных зерен) уменьшается на 20-30 % [19].
Причем, алмазные зерна различной прочности, очевидно, будут подвергаться разрушению в процессе спекания по-разному. Состав металлической связки и, как следствие, технологические параметры спекания кругов будут существенно сказываться на степени повреждаемости алмазных зерен.
При 3D моделировании процесса спекания фрагмент алмазоносного слоя круга моделировался кубом с размерами 300x300x300 мкм, с помещенным в центре алмазным зерном в форме октаэдра с размерами 100×100 мкм, что соответствует 100 % концентрации алмазного круга. При моделировании круга с 50 % концентрацией алмазных зерен размер куба увеличивался в два раза и т. д.
Металлофаза в алмазном зерне моделировалась в виде прослойки толщиной 5-10 мкм различной формы и длины.
Давление и температура соответствовала реальному процессу спекания алмазных кругов. Принято, что если приведенные напряжения в алмазном зерне превышали предел его прочности, оно считалось разрушенным
(дефектным). Моделировался процесс спекания алмазоносного слоя на различных металлических связках — от алюминиевых до твердосплавных с различными по прочности алмазными зернами — от АС2 до АС160Т.
Результаты 3D моделирования НДС зоны спекания алмазных кругов представлены на рис. 8.3.
а б
Рис. 8.3. Величина приведенных напряжений в системе «зерно-связка»
при 3D моделировании процесса спекания алмазных кругов:
а — связка М1-01; б — связка ВК8
Путем варьирования сочетанием прочности алмазных зерен и их концентрации в круге для различных металлических связок определялось такое их сочетания, при котором обеспечивалось сохранение целостности алмазных зерен, т. е. они не должны разрушаться в процессе спекания. Установлено, что далеко не все серийно выпускаемые круги с используемым сочетанием марки алмазных зерен и марки металлической связки могут быть изготовлены со стандартной концентрацией алмазных зерен без нарушения их целостности. Так, например, при спекании круга на связке М6-14 с алмазными зернами марки АС6 концентрация их в круге не должна превышать 7 %, в противном случае они будут разрушаться уже в процессе изготовления круга. Показано, что для гарантийного сохранения целостности алмазных зерен практически во всех серийно выпускаемых кругах их концентрация должна быть существенно меньше применяемой. Такая тенденция хорошо увязыва
ется с возможностью и необходимостью снижения концентрации алмазных зерен в круге до уровня 10-15 % при шлифовании сверхтвердых материалов.
Установлено, что для сохранения целостности алмазных зерен в процессе спекания круга должно быть строго соблюдено сочетание марки алмазных зерен и марки металлической связки. Так, для круга 100 % концентрации зерен в различные металлические связки могут быть заложены алмазные зерна по прочности не ниже указанных в табл. 8.1.
|
Таблица 8.1 — Предельно допустимые прочности алмазных зерен для различных связок
|
Таким образом, на первом этапе исследований установлены оптимальные сочетания прочностей металлической связки и алмазных зерен с предельно допустимой концентрацией их в круге, обеспечивающие сохранение целостности алмазных зерен в процессе изготовления алмазных кругов. Полученные на первом этапе оптимальное соотношение прочностей связки, алмазных зерен и их концентрация являются лишь ограничивающими параметрами (характеристиками) и должны быть уточнены для процесса алмазного шлифования в зависимости от прочностных свойств обрабатываемого материала.
После получения установленных ограничений определяем оптимальное сочетание прочности обрабатываемого материала, связки, алмазных зерен и их концентрации в круге, обеспечивающее максимальную эффективность процесса шлифования. В процессе эксплуатации оптимальное сочетание прочностей связки, алмазных зерен и их концентрации определяем в зависимости от прочностных свойств обрабатываемого материала. Для этого также используется методология 3D моделирования НДС для зоны шлифования.
Оптимальное сочетание прочностей связки, зерен и их концентрация должно обеспечивать такой уровень НДС в зоне шлифования, при котором:
• обеспечивается удержание алмазных зерен в связке;
• исключается хрупкое микроразрушение алмазных зерен (при шлифовании «мягких» материалов) или их самозатачивания без образования площадок износа (при шлифовании «твердых» материалов);
• обеспечиваются максимальные напряжения в обрабатываемом материале (съем припуска);
• исключается образование недопустимого дефектного слоя.
Исходными данными должны быть физико-механические свойства обрабатываемого материала и либо прочность алмазных зерен и связки, тогда результатом расчета будет являться концентрация алмазных зерен, либо прочность связки и концентрация алмазных зерен, тогда результатом расчета будет прочность алмазных зерен и т. д.
Расчетная схема и пример результатов расчета 3D НДС системы «СТМ-зерно-связка» приведены на рис. 6.4-6.5.
Таким образом, теоретически определена область оптимального разрушения элементов системы «СТМ-зерно-связка», в которой зерно удерживается в связке и не разрушается, а СТМ разрушается в контакте, но не растрескивается из-за общей нагрузки всех зерен рис. 8.4).
|
Концентрация зерен в круге, К Рис. 8.4. Результаты расчета оптимальной концентрации алмазных зерен и поперечной подачи по прочностным свойствам элементов зоны шлифования |
Теоретически может быть определена область оптимальных условий алмазного шлифования различных марок СТМ, в том числе и вновь создаваемых. Дальнейшие экспериментальные исследования с целью сокращения их объема, будут проводиться в этой области.
Применительно к алмазному шлифованию сверхтвердых материалов определены оптимальные характеристики алмазных кругов и условия обработки (табл. 8.2).
|
Таблица 8.2 — Оптимальные характеристики алмазных кругов на этапе их эксплуатации
|
Такое соотношение прочностных свойств обрабатываемых материалов, связки и алмазных зерен обеспечивает бездефектную обработку при условии максимально возможной производительности и минимального удельного расхода зерен в процессе алмазного шлифования. Определение подобных оптимальных соотношений применительно к процессу алмазного шлифования не только СТМ, но и твердых сплавов, керамики, полимеров и других материалов, является одним из важных резервов повышения эффективности данного вида обработки.
Таким образом, разработана методология определения научно обоснованных рекомендаций по применению оптимального сочетания прочностей связки, алмазных зерен и их концентрации для эффективного шлифования материалов различной прочности. Установлено, что прочность связки круга является важнейшим параметром, определяющим не только степень алмазоудержания, но и производительность процесса шлифования. Концентрация алмазных зерен в круге должна назначаться исходя из соотношения прочностей элементов системы «обрабатываемый материал-зерно-связка». Уровень дефектности при алмазном шлифования СТМ определяется соотношением прочностей СТМ, связки, алмазных зерен и их концентрацией в круге. Выбор зернистости алмазного круга следует проводить с учетом прочностных свойств различных по величине алмазных зерен.