Периодичность явлений в процессе шлифования с управлением рельефом кругов

При шлифовании по предложенному способу твердых и сверхтвер­дых материалов обнаружена периодичность в протекании физических явлений и в соответствующем изменении значений всех технологичес­ких показателей обработки. Наиболее ярко эта периодичность прояв­ляется при обработке сверхтвердых материалов. Ее следует рао — сматривать как результат глубокой взаимосвязи между природой и переменной интенсивностью износа алмазных зерен, силами резания на единичных зернах и прочностью алмазоудержания, интенсивностью износа зерен и целенаправленного съема связки в зове управления. Тот факт, что периодичность установлена и для кругов на органи­ческой связке, позволяет рассматривать режим их самозатачивания как вписывающийся в более общие закономерности работы алмазного крута ; дозируемым разрушающим воздействием на прочные связки.

Рис. 4.5. Взаимосвязь износа алмазного круга и периодичности изменения физических /а/ и технологических /б/ по­казателей шлифования: ■і <- высота выступания — зерен при шлифовании без управления; 2 — высота зерен в управляемом процессе; 3 — площадка износа зерен; 4 — скорость износа зерен; 5 — тангенциальная сила Pz ; 6 — линейный съем СІМ; 7 — производитель­ность обработки

Изучение периодичности физических явлений и выходных показа­телей дает возможность вскрыть новые резервы повышения эффектив­ности алмазного шлифования.

В начале обработки исходный режущий рельеф круга предельно развит /рис. 4,5, точка А/: высота выступания зерен максимальна /г„7ах -, отсутствуют площадки износа d « 0, в контакте с СТМ находится минимальное количество зерен п. , скорость их износа v? значительно превышает интенсивность удаления связки кру­га А, которая в процессе обработки остается постоянной. В результате этого высота выступания зерен h. резко падает ■ на них образуются площадки износа. Способность зерен самозата­чиваться в значительной степени зависит от высоты их выступания. По мере яя уменьшения растут длсиадки «евоса яа зернах, увели­чивается количество зерен в контакте с СТМ при его приближении к связке, затухает самозатачивание. Нагрузки на каждое — зерно перераспределяются, что с учетом роста значений сі обеспечивает сншщше фактического давления на зерна и способствует уменьше­нию самозатачивания. Все это обусловливает резкое снижение ско­рости износа зерен / , а также приводит к соответствующему

изменению значений физических и выходных технологических показа­телей процесса шлифования, т. е. линейный съем СТМ лі, а сле­довательно, производительность обработки <? и тангенциальная составляющая силы резания Рг уменьшаются.

Снижение высоты выступания зерен прекращается в момент наступ­ления равенства скоростей V, Л /точка в /. Казалось бы, в этой точке процесс должен стабилизироваться и в дальнейшем протекать без периодичности. Однако этого не происходит. Скорость износа алмазных зерен, по всей видимости, продолжает снижаться и становится значительно меньше интенсивности удаления связки круга, в результате чего высота выступания зерен начинает расти /участок ЗС /, Процесс интенсивного самозатачивания алмаз­ных зерен возобновляется в тот момент, когда их высота выступа­ния достигнет определенного іфитического значения hK /точка с/. Ей соответствует конкретное количество зерен в контакте и размер площадок износа на них, что определяется условиями обработки /уси­лие прижима СТМ к кругу, скорость вращения круга, прочность зерен и т. д»/. На величину И. к определенное влияние может оказывать и циклический характер контакта зерен с обрабатываемым CU1, ког­да благодаря циклическому нагружению и разогреву они постоянно накапливают в зоне деформации предельное /критическое/ количест­во субмикротрещин. В результате может наступить момент скачко­образного распространения трещины и разрушения кромок зерен, т. е, начнется процесс их самозатачивания и интенсивного съема СТМ /участок сд /. Описанное повторяется через период времени Тп,

• Такой периодический процесс продолжается при неизменных усло­виях обработки сколь угодно долго, т. е. до полного износа круга, поэтому вполне естественно предположить, что главнейшим его усло­вием является равенство средней за период скорости, износа зерен и скорости удаления связки, несмотря на то что в пределах одного периода Тп скорость износа зерен колеблется значительно.

Равенство средних значений скорости износа алмазных зерен $ср и интенсивности удаления связки }фуга свидетельствует о макростабильности процесса в том смысле, что он не затухает до полното износа круга, поскольку на протяжении всего периода его работы происходят чередующиеся с определенным установившимся — пе­риодом Т„ акты лавинообразного износа, круга и съема припуска с СТМ.

Непостоянство скорости V» в пределах времени, равного од­ному периоду Тп, свидетельствует о существовании некоей внутренней неоднородности стабильного в целом процесса шлифова­ния. Таким образом, можно утверждать что равенство = А

является необходимым, но недостаточным условием обеспечения ста­бильности процесса в строгом смысле* Достаточным условием, оче­видно, будет равенство скоростей V и Л в каждый момент времени обработки*

Установлено, что характер износа зерен во времени таков, что одной и той же высоте выступания зерен А/ в различных вре­менных интервалах в пределах одного периода Тп /участки А В, ВС / соответствуют совершенно разные скорости износа зерен и значения выходных показателей обработки, что на первый взгляд не вполне логично. Следовательно, существуют причины, по которым высота выступания зерен обусловливает неодинаковость скоростей их износа в различные моменты времени обработки, вследствие чего интенсивность разрушения зерен снижается не толь­ко после прекращения падения высоты h / h — /г min, точка 3 / , но и при ее дальнейшем увеличении /участок ВС /.

Одним из таких факторов может быть динамика износа зерен, ко­торая наглядно иллюотрируется рис. 4.6. Если алмазное зерно зна­чительно выступает над связкой круга h. = h. иел< и имеет острую кромку, то его разрушение в начальный момент будет проис­ходить очень интенсивно /лавинообразно/ и поликристалл будет переметаться в направлении зерен с определенной скоростью. После разрушения како^-то части зерна вход СТМ в контакт со следующей частью зерна будет происходить как бы с ударом, сила которого определится скоростью перемещения обрабатываемого СШ, т. е. предшествующей скоростью износа зерен. Поэтому интенсивность раз­рушения одного и того жё зерна при достижении им определенной высоты hi будет тем выше, чем выше начальная высота h исх, т*е* > Ікшл ■ ■ • ■> & • Такому разрушению

зерен в этот период шет способствовать в значительной степени эффект локального упругого восстановления связки. Поскольку со временем процесс затухает, скорость износа зерен резко снижае’в — ся. Если в это время высота зерна станет меньше, чем ее критичес­кое для данных условий значение, то скорость его износа существен но не изменится, так как в более статических условиях зерно не Зудет подвергаться разрушению. Этому способствует также увели­чение площадки износа на нем, что приводит к уменьшению фактичес­кого давления на зерно.

В реальном процессе скорость перемещения СТМ в направлении к зерну /особенно в начале обработки/ может достигать ТОСЮ мкиумик, так как с увеличением высоты зерен значительно уменьшается их

Рис. 4.6. Влияние на­чальной высоты высту­пания зерен. на скорость их износа

количество в контакте с СТМ.

Следовательно, резкое снижение интенсивности износа зерен после прекращения падения высоты их выступания /см. рис. 4.5, точка В, у) * Л, h ■= hmin / можно объяснить затуха­нием динамического процесса их разрушения и перехода его в про­цессе трения износостойкой пары СІМ алмазные зерна. Поскольку скорость удаления связки постоянна, происходит плавное увеличе­ние высоты зерен без заметного изменения скорости их износа

— В атом интервале времени зерна с меньшей глубиной заделки в связке выпадают из нее, поскольку они, как правило, имеют и мак­симальные размеры площадок износа, а следовательно, на них дейст­вуют большие тангенциальные силы /силы трения/. Поэтому в опре­деленное время высота зерен, количество их в контакте и размеры площадок износа на них достигнут таких значений, что при данных условиях обработки станет возможным’возобновление самозатачива­ния алмазов путем микро — и макроразрушения. Это, в свою оче­редь, приведет к возобновлению интенсификации съема припуска с обрабатываемого сверхтвердого материала. Критическая высота вы­ступания зерен всегда меньше, чем исходная, поэтому скорость их износа будет несколько меньше, чем при h — h* , но только на участке А В /см. рис. 4.5/ в силу описанных выше явлений.

Снижение степени динамического взаимодействия алмазных зерен с СТІЙ приведет также к тому, что минимальная высота их выступа­ния k’min ‘после разрушения при. h^ станет несколько боль­ше, чем после их разрушения при максимальной высоте в начальный период, т. е, k ’т1Г) — hmin + Ah і при этом часть периода Tg

на участке де /после стабилизации периодичности/ будет

несколько меньше, чем на участке ВС.

Следовательно, в более статических условиях взаимодействия ал­мазных зерен с СТМ после затухания динамического процесса в об­ласти значений h * k* интенсивность их износа мала и практи­чески не зависит от высоты, а в области высот h > И. *• износ зерен стабилен, протекает достаточно интенсивно и является функ­цией высоты.

Таким образом, основные причины появления периодичности управ­ляемого процесса шлифования сверхтвердых материалов при постоян­ном усилии прижима их к рабочей поверхности круга — неодинаковые скорость износа зерен в различные периоды времени при одной и той же высоте их выступания и характер зависимости интенсивности из­носа зерен от их высоты в различных диапазонах этих высот. Это порождается сложными динамическими явлениями в зоне контакта ра­бочей поверхности круга с СТМ при постоянной скорости удаления связки. Физической основой рассмотренных явлений следует считать то, что при одной и той же высоте выступания зерен, но б разные промежутки времени, а также при изменении высоты зерен на одно и то же значение, но в разном диапазоне высот, развитость их микро — и субцикрорельефа будет неодинаковой. Естественно, физические и технологические показатели процесса шлифования будут также раз­личны.

Период’времени Тп /см. рис, 4,5/ можно разделить на вре­мя высокопроизводительного • Та и малопроизводительного шлифо­вания Т( . Следовательно, исключение или уменьшение второй части периода Тп — реальный резерв повышения производитель­ности шлифования сверхтвердых материалов. Поскольку скорость из­носа зерен и критическая высота их выступания зависят от условий обработки, вполне понятно, что изменением этих условий можно ре­йдировать в определенных пределах параметры периодичности Тп ,

Та. » и др. Активное влияние на процесс шлифования СТМ

остальных составляющих условий обработки проявляется только в условиях непрерывного управления режущей способностью круга.

Сила тока цепи управления несомненно должна оказыва’ть значи­тельное влияние на периодичность износа я изменения режущего рельефа, а следовательно, и выходных показателей процесса. На оо* новании рис. 4,5

h — K. _ -Лочп.

»-А >

и скорости износа зерен

/4.Ї5/ увеличить силу тока в цепи управления, можно промять вре­мя высокопроизводительного съема С1Ы Та и соответственно умень­шить продолжительность малопроизводительного съема Т$ , в результате чего : сомкенно должка воярасти производительность шлифования в целом. Однако на самом деле при увеличении силы то­ка I процесс обработки протекает гораздо сложнее. Во-первых, прекращение падения высоты выступания зерен над уровнем связки происходит При болвшем значении I(hrmn3 >hmm2 Л Ат<п( > hm(n) благодаря увеличению скорости растворения связки круга Я /рис. 4.7/. Момент прекращения падения высоты A mtn наступает

раньше/точки Д, Ду. ………………………….. Дl /. что уменьшает время

Та. В зоне управления с изменением силы тока механическое или тепловое воздействие на зерна не сказывается, поэтому крити­ческая высота выступания изменяться не должна. В результате происходит снижение амплитуды пульсапий Ап , т. е.

Ап>Апі>-Аа?

В то же время при повышении скорости растворения связки круга ысотэ выступания зерен быстрее достигнет своего критического зна­чения I Ji’ > > . . . ja’i /, что с учетом увеличения высоты

hmtn значительно уменьшает время Tg, и в результате снижается период следования всплесков Тп » Поскольку с уве­личением hmtn И уменьшением Та. И Tg среДКЯЯ произво — "лтельнооть за вреда Тц я Tg возрастает, общая производи — льность за период Тп также значительно повышается.

Ьлнос’ч.» исключить периодичность процесса шлифования можно

выравниванием скоростей V и Л при одновременном поддержа­нии высоты выступания зерен над уровнем связки не меньшей, чем высота hK. При этом hmin “ И. к, а А„ = 0. Форму­лы /4,11/, /4,12/, /4.14/, /4,15/ в этом случае не имеют смысла. Таким образом, приняв V* = А , на основании выражения /4.13/ запишем откуда определим необходимую силу тока, обеспечивающую равенство скоростей ^ и Л,

Как уже отмечалось, скорость износа зерен вавиеит от их рабо­чей высоты и связана с ней зависимостью =oL Є. При­

няв Л/ = h-к и подставив это выражение в формулу /4.6/, окончательно получим

Критическая сила тока I кр должна номинально обеспечить ста­билизацию процесса за счет непрерывности самозатачивания алмазных зерен.

Практическая проверка показала правильность изложенных сужде­ний. Так, при шлифовании синтетического алмаза СКМ /режимы обра-*- ботки: круг І2А2-45 150 х 10 х 3 х 32 АС6 125/100 ПМІ2 АІ 4,

И*- 20 м/ъ’, Snp = 1 м/мин, Рн = 2 МПа,- Ру = 50 Ц/ из­меняли силу тока в цепи управления в диапазоне 30..*150 А при постоянных остальных условиях обработки /рис. 4.8/. Критическая сила тока Iкр, рассчитанная по зависимости /4.8/, составляла 143 А. Увеличение тока с 30 до 110 А уменьшает период следова­ния всплесков выходных показателей с 20 до 10 с, а при I * Ї50 А процесс стабилизируется. При этом Тп =0, Ап — 0, а съем припуска осуществляется непрерывно /рис. 4.8, г/, благодаря чему производительность обработки возрастает более чем в два раза.

Интересен тот факт, что верхнее /пиковое/ значение тангенциаль­ной силы — 28 Н в указанном диапазоне силы тока измене­

ний не претерпевает, а ее минимальное значение непрерывно воз-

Ряс.. 4.5. Осциллограммы, отражайте влияние силы тока в цепи управления и продолжительности шлифования на выход­ные показатели обработки СКМ: I — Рг ; 2 — at » 3- Q

растает / R% min = 12 Н при I = ЗО А; %г тіп = — І6 Н при / ш 50 А; Рг min * 24 Н при I = ТТО А/. Тем самым увели­чивается средняя сила, и цри 7 с I кр= 150 А ^ min =

= Pzmax * 28 Н, что подтверждает правильность сделанных выводов. Аналогично изменяется и другие показатели обработки.

На периодичность процесса шлифования заметно влияет и другие составляющие условий обработки, например зернистость и концентра­ция круга, частота его вращения. Так, в результате увеличения частоты вращения круга вырождается периодичность и повышается производительность при одновременном снижении удельного расхода алмазов. Однако возможности управления параметрами периодичности изменением значения V*p ограничены.

Уменьшение концентрации круга до 25 % / Z = 125/100/ или его

зернистости до 50/40 /при К « 100 %/ приводят к стабилизация процесса. Эффективность процесса при этом не повышается, так как в первом случае снижается производительность обработки, а во вто­ром — еще и увеличивается удельный расход алмазов.

Большими потенциальными возможностями обладает тот круг, у которого при прочих равных условиях наиболее четко проявляется периодичность процесса /максимальные период Тп и амплитуда Ап всплесков/. Стабилизация процесса пшифрв? ния таким кругом за счет правильного выбора силы тока в цепи управления позволяет обеспечить существенное повышение производительности обработки.