Под бездефектностью обработки будем понимать отсутствия брака.
Подсистема «Termo», входящей в состав общей экспертной системы процесса алмазного шлифования СТМ, построена по следующему алгоритму:
• определение параметров 3D топографии обрабатываемой поверхности СТМ;
• определение параметров 3D топографии рабочей поверхности круга;
• определение фактической площади контакта в системе «РПК — СТМ»;
• 3D моделирование термо-силового напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «СТМ-зерно-связка» (определение условий, исключающих брак из-за растрескивания СТМ);
• расчет интенсивности процесса термоактивируемой доводки обрабатываемой поверхности СТМ.
Параметры 3D топографии РПК и СТМ определяются путем лазерного сканирования или теоретически.
При экспериментальном определении фактической площади контакта в системе «СТМ-РПК» использованы результаты изучения параметра относительной опорной площади поверхностей РПК и СТМ tps (см. п. 2.3) Поскольку при алмазном шлифовании СТМ твердость обрабатываемого материала практически равна (без учета анизотропии свойств кристаллитов алмаза) твердости алмазных зерен и их внедрение в обрабатываемый материал
бесконечно мало, измерение параметра tps осуществляли только на уровне 0.1-1 мкм от линии выступов.
В качестве фактической площади контакта Ar принимали среднее значение параметров tps для РПК и СТМ:
tРПК, tстм
Ar = ps ps. (8.1)
Теоретические расчеты фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ» производились нами с использованием зависимостей Н. Б. Демкина и И. В. Крагельского [93]. Определив фактическую площадь контакта, переходим к моделированию напряженно-деформированного состояния в системе «СТМ-зерно-связка». Поскольку существует мнение [127], что причиной разрушения СТМ может быть существенное различие в коэффициентах термического расширения алмаза и металлофазы, исследовали НДС изучаемой системы. Теоретический анализ термосилового НДС системы «кристаллиты-металлофаза-зерно-связка» осуществляется методом конечных элементов по методике, изложенной в п. 2.3. Задача решается в трехмерном измерении, что выгодно отличает данную методику от применявшихся ранее другими авторами [101, 115]. Расчетная схема взаимодействия элементов системы моделирует наиболее неблагоприятный вариант шлифования при массовом образовании площадок износа на алмазных зернах. Расчетная схема модели и 3D напряжения в системе «СТМ-зерно» представлены на рис. 8.5 а.
Достоинством данной методики является возможность в объемном варианте оценить отдельно влияние поперечной подачи £поп, величины нормального давления в контакте «РПК-СТМ» Рн, физико-механи-ческих свойств СТМ, алмазных зерен и связки, температуры в зоне шлифования, температуры СОЖ (или ее отсутствие) на температурные поля, величину главных и приведенных напряжений, вызванных как отдельно силовыми и температурными факторами, так и их суммарным воздействием (термосиловые напряжения).
Пакет программ позволяет также оценивать энергию деформации, по которой легко можно, пользуясь теорией Гриффитса [225] определять возможность образования и развития микротрещин как на поверхности СТМ и алмазных зерен, так и внутри составляющих.
Пример результатов моделирования НДС в системе «кристаллиты СТМ-металлофаза-зерно-связка» приведен на рис. 8.5 б, в, г.
В базовом варианте расчета физико-механические свойства элементов системы «кристаллиты СТМ-металлофаза-зерно-связка» были такими.
• Для алмазного зерна и алмазного кристаллита СТМ: модуль упругости Е = 10000 МПа; коэффициент Пуассона ^ = 0.1; коэффициент теплопроводности при температуре 300 К° а = 0.002 Вт/мм-К°; коэффициент температурного расширения алмаза в диапазоне до 750 К° а = 3.7-10 6-1/К°.
• Для металлофазы: G = 38500; Е = 10000 МПа; а = 0.1 Вт/мм-К°; ai = 14.1-10 6-1/К°. Для металлической связки (М1-01): Е = 72000 МПа; G = 28000; ^ = 0.3; a1 = 24-10 6-1/К°; а = 0.21 Вт/мм-К°. Температура в зоне контакта «зерно-СТМ» принята равной Т = 700 С°, температура СОТС Т = 20 С°, поперечная подача (силовое воздействие) ^поп = 5 мкм/дв. ход.
Достоинством данной методики расчета является трехмерное решение задачи, получение трехмерных температурных полей, трехмерных полей энергий и плотности энергий деформации (см. рис. 8.5 б, в, г). Возможно определение приведенных и главных температурных и термосиловых напряжений в зерне, связке, металлофазе и кристаллите.
Возможность определения главных и приведенных термосиловых напряжений, а также энергии деформирования в любой точке системы «кристаллиты СТМ-металлофаза-зерно-связка» позволяет использовать как энергетический, так и силовой критерии хрупкого разрушения материалов.
Используя, например, методику компьютерного метода конечных элементов для прогнозирования развития дефектного слоя при моделировании НДС обрабатываемой поверхности и учитывая при этом еще силовой и температурный факторы, можно анализировать влияние физико-механических свойств элементов системы, режимов шлифования и характеристик кругов на вероятность бездефектной обработки различных марок СТМ, в том числе и вновь создаваемых.
Из проведенных расчетов определяем условия шлифования (^поп, Рн, число зерен в контакте, характеристики круга, наличие СОТС), при которых исключается вероятность образования дефектного слоя, т. е. брака при заточке инструмента из СТМ.
Разработанная подсистема «Termo» позволяет анализировать не только условия бездефектной обработки СТМ, но и как подсистема общей теоретической экспертной системы позволяет оптимизировать процесс съема припуска с учетом температурного фактора, как это сделано, например, в работе [21] применительно к шлифованию ситаллов.
На следующем этапе разработки подсистемы «Termo» оцениваем возможность осуществления термоактивируемой доводки обрабатываемой поверхности СТМ.
Разработанная подсистема теоретической экспертной системы алмазного шлифования СТМ позволяет определять условия бездефектной обработки СТМ и условия термоактивируемой доводки лезвийных инструментов из сверхтвердых материалов на основе алмаза.