Определяющим недостатком процесса алмазного шлифования сверхтвердых поликристаллических материалов (СТМ) является значительный процент брака (до 30 %) из-за появления на обработанной поверхности сетки микротрещин или вскрытия внутренних дефектов, привнесенных еще при синтезе СТМ. Включения металла-катализатора (растворителя) сохраняются в СТМ и алмазных зернах после синтеза и концентрируются преимущественно в плоскости (111) [73]. Учитывая многофазность алмазных поликристаллов, существенное различие коэффициентов теплового расширения (КТР) металлических включений и алмазной матрицы, а также анизотропию свойств кристаллитов СТМ и алмазных зерен, следует ожидать проявления межфазных микронапряжений, которые 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. Н. В. Новиков [127] показал, что разрушение СТМ и композиционных СТМ в значительной степени определяется термоупругими напряжениями, связанными с различием КТР алмаза и металлофазы. Очевидно, это связано также и с анизотропией свойств кристаллитов СТМ. Указанный вывод подтверждается тем, что в ювелирных алмазах, которые не содержат включений, и обработка которых сопровождается значительными температурами (до 600-700оС), трещин не образуется [70].
Известно, что нагрев синтетических алмазов до температуры, превышающей температуру плавления металла-растворителя, приводит к образованию трещин и разрушению вследствие возникновения значительных напряжений и неоднородности структуры [72]. Прочность СТМ после нагрева уменьшается в 2-9 раз.
Поскольку основным видом изделий из СТМ в настоящее время является лезвийный инструмент, качество алмазного шлифования рассматривали применительно к его заточке. Эффективность и надежность работы лезвийного инструмента из СТМ определяется кроме шероховатости его граней и режущих кромок, радиусом их округления, также отсутствием внутренних дефектов и сетки микротрещин на рабочих поверхностях. Высокая стойкость такого инструмента делает его потенциально эффективным для применения в автоматизированном производстве. Однако современная технология синтеза СТМ не дает полной гарантии стабильности его качества, что ограничивает широкое применение инструмента из СТМ. Внутренние дефекты, получаемые при синтезе СТМ, проявляются даже после процесса заточки, т. е. в процессе его эксплуатации, что существенно снижает уровень надежности этого инструмента. Образование микротрещин может быть обусловлено действием одного или сразу нескольких механизмов термосилового разрушения: различием коэффициентов термического расширения алмазных кристаллитов и металлофазы, окислением меж — и внутрикристаллитных включений СТМ.
Из-за того, что приведенный модуль упругости и коэффициент температурного расширения (КТР) металлофазы существенно (в четыре раза) отличаются от соответствующих свойств алмаза (алмаз а = 3.7-10-6; металлофаза 14-10-6), при нагреве создаются внутренние давления, которые могут приводить к неуправляемому макроразрушению СТМ, появлению сетки микротрещин и миграции металлофазы на поверхность (рис. 4.11 а). Уровень давления в плоскости можно оценить из соотношения [127]
q = K2(а2 — а1)(Г1 — (4.3)
где К2, а2 — приведенные модуль объемного сжатия и КТР металлофазы никель-марганца, находящихся в равной пропорции;
Т1 — температура, при которой происходит выход капель металлофазы на поверхность алмаза, сопровождаемого образованием трещин.
В исследованиях А. С. Вишневского и А. Г. Гонторя [26] эта температура соответствует 973 К. Коэффициент температурного расширения алмаза
в диапазоне до 750 К, а = 7• 10-6 К. Величина термического давления в полости с металлофазой по зависимости (4.3) равна q =1445.6 МПа. Однако данная расчетная схема не учитывает влияние силового фактора на уровень напряжений в СТМ, и решается в условиях плоского 2D моделирования.
Теоретический анализ термосилового 3D НДС системы «Кристаллиты- металлофаза-зерно-связка» методом конечных элементов (МКЭ) осуществлялся в пакете программного комплекса типа Cosmos с применением восьми узловых элементов SOLID (2847 узлов, 1640 элементов). СТМ моделировали в виде совокупности кристаллитов кубической формы размерами
0. 2х0.2х0.2 мм с произвольно размещенными в нем прослойками металлофазы размерами 20х200х200 мкм. Расчетная схема модели представлена на рис. 4.11 б.
Достоинством данной методики является возможность в объемном варианте (3D модель) оценить отдельно влияние поперечной подачи ^поп, величины нормального давления в контакте «РПК-СТМ» Рн, физикомеханических свойств СТМ, алмазных зерен и связки, температуры в зоне шлифования, температуры СОЖ на температурные поля, величину главных и приведенных напряжений, вызванных как отдельно силовыми и температурными факторами, так и их суммарным воздействием (термосиловые напряжения). Пакет позволяет также оценивать энергию и плотности энергии деформации, по которым можно определять возможность образования и развития микротрещин как на поверхности СТМ и алмазных зерен, так и развития внутренних микротрещин.
Температура в зоне контакта «РПК-СТМ» варьировалась в диапазоне Т = 700^1200°С, температура СОТС Т = 20°С, поперечная подача (силовое воздействие) ^поп = 5 мкм/дв. ход.
Данная методика расчета обеспечивает получение трехмерных температурных полей (рис. 4.11 г), трехмерных термосиловых полей энергии деформации (рис. 4.11 в).
в г
Рис. 4.11. Термосиловое 3D НДС и температурные поля в системе
кристаллиты СТМ-металлофаза-связка-зерно»:
а — дефектная поверхность СТМ; б — расчетная схема термосилового НДС;
в — энергия термосиловой деформации; г — температурные поля.
0 31 0 72
Результаты расчетов: стПр = 356Р 9 = 1834 МПа
По данным Н. В. Новикова q = K2(ol2~(Xi)AT = 1445.6 МПа
аПр — приведенные напряжения; Р — усилия в контакте; 9 — контактная температура
Результаты расчета напряженно-деформированного состояния 3D модели системы «кристаллиты СТМ-металлофаза-зерно-связка» приведены в табл. 4.7.
|
Таблица 4.7 — Зависимость межкристаллитных термических и термосиловых напряжений от температуры______________________________
Примечание: числитель — термонапряжения; знаменатель — термосиловые напряжения. |
Расчеты показали, что уже при температурах порядка 700-800°С из-за анизотропии термического расширения алмаза и различия коэффициентов термического расширения алмаза и металлов катализаторов в алмазной матрице появляются растягивающие напряжения, превышающие соответствующий предел прочности СТМ, что может являться причиной появления сетки микротрещин на обработанной поверхности, т. е. брака при заточке инструмента из СТМ.
Из проведенных расчетов определяем условия шлифования (^поп, Рн, наличие СОЖ), при которых исключается вероятность образования и развития как поверхностных, так и внутренних микротрещин
Однако, бездефектная обработка (под бездефектной обработкой, в дальнейшем будем понимать наличие дефектов допустимого количества и размеров), например, на стадии заточки лезвийного инструмента из СТМ, не всегда гарантирует его надежность в процессе эксплуатации. Очевидно, режимы заточки лезвийного инструмента из СТМ должны быть увязаны с конкретными условиями его эксплуатации (рассмотрено в гл. 8).
1. Эффективность любого процесса абразивной обработки определяется уровнем приспосабливаемости взаимодействующих поверхностей и возможностью изменения этого уровня за счет выбора условий шлифования (режимы обработки, введение в зону шлифования дополнительной энергии или ПАВ, и т. д.). При традиционном алмазном шлифовании СТМ кругами на металлических связках процесс приспосабливаемости реализуется аномально быстро (1 — 2 минуты) и характеризуется тремя этапами: высокоинтенсивным, переходным и устойчивым. Выдвинута доказательная гипотеза о возможности управления процессом приспосабливаемости для эффективного использования достоинств каждого периода всего ее диапазона и максимальной реализации высоких потенциальных возможностей процесса.
2. Сформулировано и обосновано понятие приспосабливаемости как способности к самоорганизации технической системы «СТМ-зерно-связка» в процессе ее функционирования, т. е. шлифования. Приспосабливаемость реализуется при изменении свойств элементов системы или окружающей среды. Применительно к предметной области алмазно-абразивной обработки в качестве критерия приспосабливаемости может служить минимизация энергозатрат функционирования системы, приводящая к потере производительности обработки. Разработана систематика наиболее представительных составляющих процесса приспосабливаемости при алмазном шлифовании СТМ. Наибольшее влияние на эффективность процесса шлифования СТМ оказывают топографическая и структурно-фазовая, а энергетическая составляющая приспосабливаемости является интегрирующим показателем степени их реализации. Процесс приспосабливаемости может осуществляться в принципиально разных условиях взаимодействия элементов системы, характеризующихся наличием или отсутствием контакта связки с обрабатываемым материалом.
3. Установлено определяющее влияние анизотропии свойств кристаллитов обрабатываемого сверхтвердого материала и алмазных зерен на степень структурно-фазовой приспосабливаемости. К ним относятся, прежде всего, различие значений микротвердости, энергии разрушения и прочности контактирующих тел, обусловленное их ориентацией по отношению к зоне контакта. При определении оптимальных условий производительного или прецизионного шлифования следует учитывать взаимосвязь скорости круга, размеров зерен, частоты их собственных колебаний и величины кристаллитов обрабатываемого сверхтвердого материала. Структурно-фазовую при — спосабливаемость в процессе алмазного шлифования СТМ можно характеризовать изменяющимся количеством «твердых» и «мягких» граней кристаллитов и алмазных зерен в контакте, миграцией металлофазы в зоне контакта, вызванной анизотропией, графитизацией и окислением кристаллитов СТМ и зерен.
4. При равнотвердых обрабатываемом и инструментальном материалах наряду с твердостью большую роль играют динамическая прочность и трещиностойкость алмазных зерен, принудительное формирование субмикрорельефа алмазных зерен в сочетании с дозируемым принудительным удалением связки, наличие или отсутствие контактирования металлической связки с обрабатываемым материалом, величина фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ» как факторы, определяющие характер и интенсивность самозатачивания кругов.
При шлифовании СТМ удельный износ и удельный расход алмазов круга может различаться на порядок. Например, для пары «АСПК-зерно АС2» это отличие достигает 10 раз. Предложенные методики определения удельного износа и динамической прочности алмазных зерен непосредственно в круге позволяют определять оптимальные сочетания контактирующих пар «марка СТМ-марка зерна».
5. Выдвинута гипотеза (доказательство и экспериментальное подтверждение приведено в гл. 7) о том, что, управляя уровнем приспосабливаемо — сти, можно трансформировать процесс шлифования СТМ в широком диапазоне от производительного до доводочного и ультрапрецизионного, путем целенаправленного изменения и стабилизации заданного уровня приспосаб — ливаемости в системе «шлифовальный круг-деталь» в любом из трех установленных этапов.