Топографическая приспосабливаемость. рабочих поверхностей в зоне шлифования

В главе приводится теоретико-экспериментальный анализ топографи­ческой приспосабливаемости 3D параметров топографии рабочей поверхно­сти круга (РПК) и обрабатываемой поверхности сверхтвердого материала (СТМ) при алмазном шлифовании. Подчеркивается определяющая роль то­пографической составляющей процесса приспосабливаемости. Излагается методология теоретико-экспериментального определения фактической пло­щади контакта в системе «РПК-СТМ», влияния анизотропии физико­механических свойств алмазных зерен на интенсивность их износа и изме­нение параметров РПК. Приведено теоретическое обоснование возможности управления величиной фактической площади контакта. Анализируются тео­ретические зависимости, описывающие взаимосвязь и изменение топогра­фических параметров приспосабливаемости.

6.1. Теоретический анализ топографической приспосабливаемости при шлифовании СТМ

Величина контактных давлений при взаимодействии РПК с обрабаты­ваемым СТМ определяется числом зерен в контакте и общей нагрузкой, ко­торая задается либо поперечной подачей (жесткая схема), либо нормальным давлением (упругая схема). Число зерен в контакте с обрабатываемым СТМ зависит от общего количества зерен на единице площади РПК и (примени­тельно к шлифованию сверхтвердых материалов) от рабочей высоты высту­пания зерен, т. е. от развитости режущего рельефа круга.

Особенность предлагаемого подхода определяется предельным со­стоянием системы: закономерности износа круга устанавливаются для усло­вий практического отсутствия внедрения алмазных зерен в обрабатываемый

материал (твердости обрабатываемого и инструментального материалов одинаковы) и отсутствия контакта связки с СТМ; алмазные зерна изнашива­ются только в пределах одной высоты их выступания из связки. Комплекс­ный теоретический и экспериментальный анализ изменения топографиче­ских параметров рабочей поверхности круга и СТМ проводился с использо­ванием 3D моделирования с учетом ранее установленной чрезвычайно высо­кой интенсивности процесса приспосабливаемости. В единую систему взаи­модействия объединены рабочая высота зерен, число зерен на РПК, в кон­такте с СТМ, критическая величина их заделки в связку, относительная ве­личина фактической площади контакта РПК с СТМ. Эти зависимости необ­ходимы для разработки теоретического модуля экспертной системы процес­са шлифования СТМ.

В основу расчета числа зерен на РПК положено равномерное распре­деление их в связке и объемное содержание в алмазоносном слое (концен­трация). Придерживаясь выбранной методологии 3D моделирования, теоре­тические расчеты параметров рабочей поверхности круга рассматривались не в ее сечении, а на поверхности (рис. 6.1 а). Алмазное зерно моделирова­лось в форме октаэдра — наиболее распространенной форме алмазного кри­сталлита с размерами а и Н (соответственно для зернистости 200/160 Н = 200, а = 160) (рис. 6.1 в, г).

Поскольку в производительном процессе шлифования контакт связки с СТМ отсутствует, величина фактической площади контакта РПК с СТМ на макроуровне определяется только величиной опорной поверхности алмаз­ных зерен, т. е. суммарной величиной площадок износа ^ Sj на них.

Зерна в круге с концентрацией 100 % (К = 4) занимают одну четвертую часть объема алмазоносного слоя. При моделировании зерна и приходящего­ся на него объема алмазоносного слоя в виде шара или куба, исходя из кон­центрации алмазов в круге, получим:

_ а3 _ к

R3 Л3 16,

где К — коэффициент концентрации (100 % К = 4; 50 % К = 2 и т. д.); R — радиус шара алмазоносного слоя с одним зерном; r — радиус алмазного зерна;

А — сторона куба объема алмазоносного слоя с одним зерном; а — сторона кубического алмазного зерна.

Тогда площадь зерен S;3 на единице сечения алмазоносного слоя S бу­дет равна:

K

аз = s

V16 у

где S — единичная площадь поверхности РПК.

После условного «разрыва» (рис. 6.1 б) алмазоносного слоя на поверх­ности РПК останется половина зерен, т. е. опорная площадь зерен S;3 будет равна:

S,, = S

з 2

рен теоретически может быть	равной hр = аНз, где а — относительная высота
выступания зерен из связки	(а = 0 … 1, т. е. в рассматриваемом случае
а = 0.5).

Это справедливо при максимальной высоте выступания зерен из связ­ки, равной 0.5 Из, где Из — максимальный размер зерна. Рабочая высота зе-

до 1) от 0 до 39.73 %.

Рис. 6.2. — Определение фактической площади контакта в системе «РПК-СТМ»: а — исходная модель РІЖ; б — изменяющаяся модель РПК

Глава 6. Топографическая приспосабливаемостъ рабочих поверхностей 227 в зоне шлифования

Таким образом, если «вскрывать» круг электрохимическим способом, величина tps теоретически (при допущении, что критическая величина задел­ки зерна в связку hкр может быть равной 0) будет возрастать на уровне связ­ки от 0 до 19.84 %. Аналогично можно получить выражение для относитель­ной опорной длины профиля РПК tp.

С увеличением высоты выступания зерен tp может меняться от 0 до

« 63 %. При высоте выступания зерен hр = 0.5 /з,

больше 32 %. В этих расчетах установлено принципиальное отличие в опре­делении относительной опорной длины профиля РПК, выполненных Попо­вым С. А. и другими авторами, у которых она равнялась 100 [31]. Это от­

личие объясняется тем, что они рассматривали профили РПК без разделения зерен и связки.

При отсутствии внедрения алмазных зерен в обрабатываемый матери­ал в контакте будут находиться только максимально выступающие зерна (точнее вершины зерен), находящиеся в диапазоне величины их вдавливания в связку Ah. Тогда число контактирующих с СТМ вершин зерен может изме­ниться в процессе шлифования только за счет: 1) износа (разрушения) вер­шин зерен верхнего уровня и перехода этих вершин в следующий уровень, т. е. суммирование от уровня к уровню; 2) упругого вдавливания зерен верх­него уровня и перехода вершин этого уровня на следующий.

Износ зерен в круге после вскрытия (например, электрохимическим способом) происходит только в пределах одной высоты их выступания над уровнем связки. При этом все зерна на рабочей поверхности разделим на 4 группы: І — зерна, выпавшие до касания с СТМ, II — зерна, выпадающие в

первый момент шлифования (у них величина заделки в связку (hs) меньше

критической (h^)), III — зерна, активно работающие, IV — зерна над связкой после образования пары трения «алмаз-алмаз». Совпадение характера изме­нения закона распределения опорной площади зерен по мере износа круга,

Примечание: єкр — коэффициент относительной критической заделки зерен в связке; hmax — высота наиболее выступающего зерна на исследуемом участке по­верхности круга.