Введение в теорию шлифования материалов

Мысль написать предлагаемую читателю книгу появилась у автора в период проведения исследований, связанных с изучением процесса работы правящих инструментов из синтетических сверхтвердых материалов [6, &—15 и др.].

Закономерности, установленные при изучении процесса правки абразивных кругов, касающиеся строения рабочего слоя, установления числа режущих вер­шин зерен, находящихся «мгновенно» на площади контакта, размеров самой пло­щади контакта, определения размеров сечения среза и усилий, приходящихся в среднем на одно зерно, характера изменения указанных параметров от режимов резания и условий шлифования, а также влияния и связи этих параметров с изно­состойкостью инструмента и т. д., в силу общности характера могут быть распро­странены на все абразивные инструменты и на весь процесс шлифования. С мето­дологической точки зрения многие эти закономерности при использовании правящих алмазных роликов могли быть изучены более глубоко, чем при использо­вании обычных абразивных кругов. В процессе проведения эксперимента полу­чены более стабильные, более надежные результаты, так как в течение продол­жительного времени свойства рабочего слоя (размещение и число зерен, геометрия режущих вершин) оставались неизменными, поскольку правящие ролики не из­нашиваются вследствие полного разрушения или вырывания алмазных зерен. В этом смысле они имеют полное преимущество даже перед такими износостой­кими инструментами, как алмазные круги. Это преимущество в полной мере про­являлось при рассмотрении строения наружного рабочего слоя абразивных инструментов, так как при переходе от внутренних слоев абразива (матрицы) к на­ружному слою не нужно было учитывать утрату зерен, вырванных из инструмен та при его работе. Для того чтобы представить стабильность рабочего слоя правя щих роликов, можно привести следующий пример. Радиальный износ алмазных правящих роликов, изготовленных из синтетических алмазов марки АСК с мет­рическим размером зерен 0,2—0,4 мм гальваническим методом, не превышал в за­висимости от конструкции роликов и условий работы 2—5 мкм после 20—30 тыс. актов врезания в абразивный круг. Поэтому можно было с полным правом счи­тать, что измеренное динамометром усилие этих роликов полностью может быть отнесено к режущим зернам, в то время как у большинства других абразивных инструментов, особенно изготовленных с использованием плотных и пластичных связок, значительная часть усилий возникает в зонах контакта связки с обраба­тываемым телом На правящих роликах на гальванической связке обрабатывае­мое тело (абразивный круг) вышлифовывает в начальный момент легко обрабаты­ваемую никелевую связку между зернами, и она в дальнейшем не оказывает влия­ния на динамику процесса шлифования (правку) круга. Таким образом, правящий ролик с этой точки зрения следует рассматривать как «идеальный» инструмент, у которого можно в «чистом» виде выделить усилия резания на абразивных зернах.

Абразивный круг на керамических связках как обрабатываемый объект пред­ставляет собой «идеальное» хрупкое тело, начисто лишенное способности наклепы­ваться. При этом имеется возможность наиболее просто сопоставить работу, совер­шаемую абразивными зернами, с работой, необходимой для разрушения обраба­тываемого тела, и с физико-механическими характеристиками. Автору удалось обнаружить и объяснить многие особенности работы абразивных инструментов

которые не могли быть установлены при отсутствии информации о закономер­ностях строения наружного рабочего слоя и динамики изменения его во времени при различных режимах эксплуатации.

Не учитывая фактическую переменность числа режущих зерен в опытах, ■приводящую к изменению сил резания в целом на инструменте, большинство ‘исследователей говорили о влиянии, например, глубины шлифования на величи­ну сил резания в работе на отдельно взятые зерна, тогда как при ее изменении сила резания в среднем на зернах остается постоянной, ибо строение абразивного слоя таково, что с изменением глубины в работу вводится пропорциональное число режущих элементов. Таким образом, абразивный инструмент следует рассматри­вать как систему, работающую чаше с переменным числом зерен, чем с перемен­ным сечением среза на них.

При анализе литературного материала обнаруживаются серьезные методи­ческие ошибки в применении теории вероятностей к описанию распределения зерен в поверхностном слое абразивных инструментов. Часто использование вероят­ностных законов распределения случайных величин, прежде всего нормального закона распределения, принимается без достаточных теоретических обоснований, не корректно к распределению зерен в матрице инструмента, из которой в процес­се износа формируется наружный рабочий слой. Аналогичные ошибки совер­шаются при описании формы зерен в отрыве от количества и массы абразивного вещества в объеме матрицы инструмента. Установлено, что при определении дуги и площади контакта зерен, а в связи с этим — сечения среза на отдельном зерне, допускаются грубые приближения и ошибки.

Автором в процессе работы над правящими инструментами использован ме­тодически обоснованный системный анализ работы абразивных инструментов, основанный на физическом моделировании, вытекающем из свойств абразивного пространства, из которого последовательно образуются сперва идеализированная статическая модель, превращаемая путем вращения в кинематическую, а затем в динамическую модель абразивного круга. В результате моделирования получена дополнительная информация о свойствах абразивных инструментов, позволив­шая перейти от пассивного описания к активным методам управления свойствами рабочего абразивного слоя не только при изготовлении инструмента, но и в про­цессе эксплуатации, в результате чего были получены дополнительные техниче­ские и экономические преимущества. Все эти обстоятельства побудили автора написать данную книгу.

Монография построена таким образом, чтобы ознакомить читателя сперва с точкой зрения автора и с изложенных им позиций помочь критически проанали­зировать литературный материал, а на его основе — положения, выдвинутые автором. В работе сделан определенный шаг в сторону создания физических моде­лей абразивного инструмента и изучения механики взаимодействия (ее кинемати­ческой стороны) абразивного слоя с обрабатываемой поверхностью. Такая по­становка вопроса дала обилие информации для пересмотра ряда «устоявшихся» положений и создала предпосылки для более глубокого понимания такого слож­ного процесса обработки, как правка и шлифование.

При написании данной книги автор обращался к материалам сотрудников и аспирантов Института сверхтвердых материалов (ИСМ) АН УССР, научным ру­ководителем работ которых он является, и в связи с этим выражает им благодар­ность за оказанное содействие.

Автор понимает, что не все полученные им выводы бесспорны, и будет счи­тать свою миссию выполненной, если побудит читателя посмотреть на сложившиеся концепции в отношении абразивных инструментов и процесса шлифования с иных позиций, и надеется, что книга окажется полезной не только научным ра­ботникам, изучающим процессы абразивной обработки, но и практикам: инже­нерам, технологам и конструкторам, техникам и рабочим, связанным с изготов­лением самих инструментов и деталей машин шлифованием.