Методология определения оптимальных характеристик алмазных кругов . 3D ПРОЦЕССЫ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ

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

Связка

М1-01

М2-09

М6-14

ВК

Зерно

АС6

АС32

АС50

АС160

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

Обрабатыва­емый СТМ

Прочность

алмазных

зерен

Прочность металличес­кой связки, ГПа

Концентрация алмазных зерен в круге

Скорость

шлифования,

м/с

Нормальное

давление,

МПа

АСПК

АС160

600

5-7

40-50

3.0-4.0

АСБ

АС85

500

8-11

35-40

2.5-3.0

ДАП

АС60

400

12-15

30-35

2.0-2.5

СКМ

АС32

300

17-22

25-30

1.5-2.0

Г ексанит-Р

АС15

100

25-35

20-30

1.0-1.5

Эльбор-Р

АС15

100

35-50

20-30

1.0-1.5

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.

Методология определения оптимальных характеристик алмазных кругов
0 votes, 0.00 avg. rating (0% score)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *