Подсистема обеспечения надежности лезвийного инструмента из СТМ на стадии его изготовления

Образование микротрещин на поверхности СТМ может быть обуслов­лено действием одного или сразу нескольких механизмов термосилового разрушения, обусловленных различием коэффициентов термического рас­ширения алмазных кристаллитов и металлофазы, окислением меж — и внут- рикристаллитных включений СТМ. Включения металла-катализатора (рас­творителя) сохраняются в СТМ и алмазных зернах после синтеза и концен­трируются преимущественно в плоскости (111) [73]. Существенное различие величин коэффициентов термического расширения алмаза и металлофазы, а также анизотропия теплофизических свойств кристаллитов СТМ и алмазных зерен могут влиять как на процесс микроразрушения (съем припуска), так и на макроразрушение (образование дефектного слоя) при шлифовании. По — видимому, это является одной из причин образования трещин на резцах из СТМ при заточке их кругами на органической связке. Визуальный контроль после заточки и доводки не гарантирует надежность работы такого инстру­мента.

По данным Новикова Н. В. и Девина Л. Н. [123] вероятность разруше­ния резцов из СТМ даже при чистовом точении может достигать 47 %. Ав­торы обоснованно связывают надежность с предельными напряжениями на передней и задней гранях резца при резании. Используя вероятностные ме­тоды расчета, они учитывают влияние только силового фактора на разруше­ние СТМ, однако не рассматривают влияние температуры в зоне резания. Использование метода конечных элементов в пакете программ для метода конечных элементов позволяет определять напряженно-деформированное состояние исследуемого объекта, вызванное как отдельно силовыми и тем­пературными факторами, так и их суммарным воздействием.

Для повышение надежности лезвийного инструмента из СТМ предло­жен новый методологический подход. С использованием выводов Н. В. Новикова [123] о взаимосвязи надежности лезвийного инструмента с предельными напряжениями на передней и задней гранях резца при резании, нами предложено надежность лезвийного инструмента из СТМ определять уже на этапе его заточки и термоактивируемой доводки. В основу его поло­жено то, что процесс заточки и термоактивируемой доводки лезвийного ин­струмента осуществляется в термосиловых условиях, близких к условиям его эксплуатации, т. е. характеризуется наличием высоких давлений и тем­ператур как в зоне шлифования (при его заточке), так и в зоне резания (при эксплуатации инструмента из СТМ). Целесообразно так затачивать и дово­дить лезвийные инструменты из СТМ, чтобы дефекты, полученные при син­тезе проявлялись до их эксплуатации, т. е. отбраковка производилась бы еще на стадии их изготовления.

Поскольку в процессе эксплуатации лезвийный инструмент часто ис­пытывает более жесткие термосиловые нагрузки, чем в процессе его заточки и доводки, представляется нецелесообразным выбор щадящих условий его заточки и доводки. Поступая таким образом, изготовители лезвийного инст­румента из СТМ не гарантируют, что такой инструмент в более жестких тер­мосиловых условиях эксплуатации окажется надежным. В связи с этим уже на стадии заточки и доводки лезвийного инструмента необходимо создавать в нем термосиловые нагрузки, эквивалентные или даже несколько превы­шающие те, которые этот инструмент будет испытывать в экстремальных условиях его эксплуатации.

Алгоритм осуществления данного подхода следующий. Вначале с по­мощью пакета прикладных программ по методам конечных элементов расс­читываются предельные термосиловые напряжения в режущем клине резца в экстремальных условиях его эксплуатации (рис. 8.6 а). Для этого трехмерная модель лезвийного инструмента нагружается силой резания Р и температу­рой Т по величине, несколько превышающей те значения, которые этот инс­трумент может испытывать в экстремальных условиях его эксплуатации.

Полученные значения термосиловых напряжений являются базовыми для решения обратной задачи — нахождения режимов и условий заточки и термоактивируемой доводки по известному напряженному состоянию резца из СТМ в экстремальных условиях его работы.

Применяемый пакет позволяет решать задачу в трехмерном измерении (3D моделирование), а в ходе решения обратной задачи с его использовании — ем можно по известному уровню эксплуатационных термосиловых напряже­ний определить скорость шлифования, поперечную подачу, нормальное дав­ление в контакте для конкретных, физико-механических свойств шлифуемо­го СТМ, алмазных зерен и связки шлифовального круга (рис. 8.6 б).

Полученные в ходе решения обратной задачи значения режимов термо­активируемой доводки и другие условия алмазного шлифования обеспечат на­личие в модели затачиваемого СТМ термосиловых напряжений, превышающих эксплуатационные. Таким образом, определяются условия доводки, при кото­рых дефекты СТМ вскрываются еще на стадии изготовления инструмента.

Итак, исходной информацией при назначении режимов заточки и до­водки лезвийного инструмента из СТМ должны являться силы резания и температуры, которые этот инструмент будет испытывать в экстремальных условиях его эксплуатации. Приложив эти силы и контактные температуры к модели резца (см. рис. 8.3 а), методом конечных элементов определяем ве­личину предельных термосиловых напряжений, которые будет испытывать этот резец в процессе работы. Далее, решая обратную задачу, подбирают та­кие режимы заточки (скорость, подачу и т. д.), которые обеспечат наличие в модели затачиваемого СТМ (см. рис. 8.3 б) термосиловые напряжения, пре­вышающие эксплуатационные. Тем самым определяются условия заточки и доводки, при которых дефекты синтеза СТМ должны проявиться еще на ста­дии изготовления.

Необходимость и возможность совмещения доводочной и контрольной операций при изготовлении лезвийного инструмента из СТМ согласно изло­женным выше принципам позволяют существенно повысить надежность применения такого инструмента.

Таким образом, теоретически и экспериментально доказано положе­ние о необходимости и возможности совмещения термодоводочной и кон­трольной операций при изготовлении лезвийного инструмента из СТМ пу­тем осуществления термоактивируемой доводки при термосиловых нагруз­ках, близких к экстремальным условиям его эксплуатации.

Разработанный теоретический модуль экспертной системы процесса алмазного шлифования СТМ базируется на объединении в единую систему разработок по определению фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ», результатов расчета объемов разрушенных СТМ и зерен в за­висимости от условий взаимодействия, величины критической заделки зерен в связку, определение условий бездефектной обработки и/или эксплуатаци­онной надежности лезвийного инструмента. Теоретический модуль пред­ставляет собой компьютерную программу, состоящую из нескольких под­систем, представляющих законченный программный продукт. Главная фор­ма интерфейса теоретического модуля представлена на рис. 8.7.

Программное обеспечение теоретического модуля экспертной системы приведено в приложении А.

В основу теоретических расчетов положено 3D моделирование напря­женно-деформированного состояния системы «РПК-СТМ». Теоретический модуль позволяет прогнозировать область оптимальных условий бездефект­ной обработки (см. рис. 5.12) и количественно оценивать производитель­ность шлифования, удельный износ и расход алмазных зерен, шероховатость обработанной поверхности различных марок СТМ.