Лекция 15 Обработка СТМ

Известно, что лишь 5–15 % потенциала режущих свойств алмазных зерен эффективно используются, остальные 95–85 % уходят в шлам, а так как рекуперация шлама, как правило, не проводится, то оказывается, что большая часть объема зерен круга уходит в отходы, не совершив полезной работы. Установлено, что при алмазном шлифовании СТМ интенсивность разрушения алмазных зерен может во много раз превышать интенсивность раз- рушения (съема) обрабатываемого СТМ. Так, например, при шлифовании АСПК зернами АС32 удельный расход равен 10 кар/кар. При этом для производительного процесса шлифования СТМ следует искусственно создавать условия, инициирующие микроразрушение алмазных зерен с целью исключения образования на них площадок износа, что успешно реализуется в управляемых процессах шлифования.обработка таких уникальных материалов, как природные и синтетические алмазы, сверхтвердые нитриды бора и композиционные материалы на их основе все таки требует значительных затрат алмазных зерен, а, следовательно, процесс, например, алмазной заточки резцов из СТМ оказывается дорогим.

В отличие от классической теории резания в случае шлифования СТМ нет 1,5–2 кратного превышения твердости инструментального материала над обрабатываемым, нет внедрения алмазных зерен в СТМ, нет четкого понятия толщины среза, а взаимодействующие материалы к тому же имеют предельную в природе твердость, присущую алмазным структурам. Эффективность процесса будет определяется характером и интенсивностью взаимного раз- рушения элементов системы «обрабатываемый материал–зерно–связка» [33].Способность абразивных частиц внедряться в поверхностный слой и разрушать его при движении приближенно оценивают по соотношению значений микротвердости испытуемого материала Н и абразива На [3]: T a H K H = . (4.1) Опытным путем установлено, что критическое значение коэффициента КТ = 0,5 ... 0,7. При КТ < 0,5 возможно прямое разрушение материала (при соответствующей форме частиц и достаточной нормальной нагрузке); при КТ > 0,7 прямое разрушение маловероятно, и процесс изнашивания переходит в многоцикловый с резко снижающейся интенсивностью по мере увеличения коэффициента КТ. При алмазном шлифовании обрабатываемого материала КТ > 0,6 даже с учетом анизотропии физико-механических свойств обрабатываемого материала и зерен. Коэффициент КТ используем в качестве критерия для оценки перехода от прямого (одноактного) разрушения обрабатываемого материала и зерен к многоцикловому (усталостно-циклическому) при нагрузках в контакте, не превышающих критическую. Прямое разрушение микрообъемов поверхностного слоя материалов под действием абразивной частицы возможно при КТ < 0,5, т. е. когда абразив в 2 раза и более твердый изнашивающегося материала. При этом абразивная частица, как показывает опыт, обладает достаточной прочностью, чтобы довести материал до разрушения, сохранив свою целостность и, соответственно, форму. Если критерий твердости КТ > 0,7, то прямое разрушение невозможно, т. к. контактный выступ частицы разрушится прежде, чем напряжения в деформируемом микрообъеме материала достигнут предельного значения. Критерий твердости КТ потому и используется в качестве одного из важнейших показателей при моделировании абразивного изнашивания, что его значения позволяют априорно установить возможный вид разрушения материала. Чем КТ > 0,7, тем ниже уровень контактных напряжений и тем слабее интенсивность изнашивания материала. В случае алмазного шлифования СТМ варьирование величиной коэффициента КТ возможно только за счет анизотропии свойств контактирующих элементов. Алмазные зерна круга и шлифуемый алмазный поликристалл имеют примерно равные твердости. Но т. к. отдельные кристаллиты произвольно ориентированы, то с учетом существенной анизотропии свойств кристаллитов СТМ и алмазных зерен можно ожидать такого сочетания ориентацией, когда реализуется превышение твердости режущего зерна над обрабатываемым поликристаллом. Алмазное шлифование базируется на массовом воздействии твердых и острых алмазных зерен на обрабатываемый объект, при этом скорость движения этих зерен, их количество, сила воздействия поддаются регулированию в широком диапазоне значений. Выявлена важная роль субмикрорельефа алмазных зерен. Изучение субмикрогеометрии алмазных зерен [33] показало, что острота их вершин (ребер) столь велика, что при воздействии на обрабатываемый материал создаются очень узкие зоны с высокой концентрацией эффективных напряжений. Конфигурация этих зон зависит во многом от характера контакта – по вершине, по ребру, от типа кристаллографической площадки.

Алмазное шлифование, например СТМ, как структурно чувствительный процесс управляемого микроразрушения, обеспечивающего получение деталей заданной формы, размеров и качества. Задача управления микроразрушением состоит в том, чтобы ограничить зону микроразрушения объемами, составляющими припуск под обработку, исключить возможность распространения микротрещин и других дефектов в объемы поверхностного слоя детали, максимально использовать сопутствующие явления для интенсификации съема припуска.

Приспосабливаемость – способность системы изменять свои параметры в связи с изменениями в ней самой или в зависимости от условий ее применения с целью повышения эффективности системы; способность системы к адаптации.

Главным условием оптимального использования любого инструментального материала является такое состояние системы «инструмент–обрабатываемый материал», при котором рабочие поверхности инструментов будут находиться в условиях структурной приспосабливаемости, а поверхности обрабатываемого материала в условиях ее нагружения и ослабления защитных функций вторичных структур. Вторым примером использования инверсии структурной приспосабливаемости при финишных операциях путем изменения состава среды является резкое увеличение производительности при доводке. При отсутствии возможности восстановления на обрабатываемой поверхности в процессе доводки защитных вторичных структур, экранирующих действие ПАВ, съем металла с обрабатываемой поверхности увеличивается в 1,5 – 2,0 раза.

В процессе приспосабливаемости энергетические затраты на трение минимизируются, а удельная энергоемкость разрушения (износа) единицы объема материала поверхностного слоя достигают максимума. Перестройка структуры материала поверхностного слоя осуществляется путем перехода к ультрадисперсному тонкопленочному высокопрочному и устойчивому по отношению к физико-химическим воздействиям состоянию. Формируется особая топография поверхности с ультрамалыми размерами субмикронеровностей. Независимо от исходного рельефа, микрогеометрия приработанной поверхности оптимизируется, при одинаковых условиях устанавливается одинаковая (равновесная) шероховатость. Б. И. Костецкий подчеркивает [19], что устойчивое динамическое состояние износостойкости и антифрикционности (фрикционности) реализуются только при условии динамического равновесия и саморегулирования составляющих процессов и соблюдения общих энергетических соотношений:

=min

где Δ Е – изменение поглощенной энергии; А – работа сил трения; V – объем материала; И – величина износа.

приспосабливаемость следует понимать как способность технической системы «обрабатываемый материал–зерно–связка» приобретать в процессе эволюции свойства, обеспечивающие стабильность ее функционирования, которые обычно характеризуются минимумом энергетических затрат. Приспосабливаемость – способность к самоорганизации технической системы в процессе функционирования. Она реализуется при изменении свойств элементов системы или окружающей среды. Применительно к предметной области алмазно-абразивной обработки СТМ критерием самоорганизации может служить минимизация энергозатрат функционирования системы. В качестве основных аспектов приспосабливаемости рассмотрены такие ее составляющие: топографическая, структурно-фазовая и энергетическая. Топографическая приспосабливаемость включает аспекты изменения геометрических характеристик (параметров) поверхностей элементов системы «РПК–ОМ» (рабочая поверхность круга–обрабатываемый материал). В этом случае теоретически и экспериментально исследовали изменения 3D параметров топографии рабочей поверхности круга (РПК) и обрабатываемого материала и их влияние на эффективность алмазного шлифования. Структурно-фазовая приспосабливаемость включает аспекты, связанные с образованием мелкодисперсных вторичных структур, изменением физико-механических свойств поверхностных слоев контактирующих элементов. Для случая шлифования СТМ рассмотрены элементы структурно-фазовой приспосабливаемости, обусловленные: 1) анизотропией (микроанизотропией) свойств кристаллитов обрабатываемого материала и алмазных зерен, проявляющейся в различной интенсивности износа «твердых» и «мягких» граней, и способствующей изменению их в контакте (исходная и эволюционная анизотропия); 2) миграцией металлофазы к зоне контакта, вызванной существенным различием коэффициентов термического расширения алмаза и металлофазы; 3) элементами анизотропной графитизации и окисления алмазных структур СТМ и зерен. Энергетическая приспосабливаемость – отражает энергетические аспекты эволюции свойств системы с точки зрения минимизации энергии разрушения. Косвенно характеризуется силами резания, мощностью и удельной энергоемкостью шлифования. Энергетическая приспосабливаемость характеризуется также перераспределением подводимой в зону шлифования энергии между элементами системы «обрабатываемый материал–зерно–связка. При традиционном алмазном шлифовании кругами на металлических связках практически всех обрабатываемых материалов можно выделить три этапа приспосабливаемости. Первый этап (после правки круга) – чрезвычайно интенсивного изменения всех показателей (соответствует катастрофическому износу в процессах трения), второй этап – переходной и третий – установившийся (соответствует периоду нормального износа в процессах трения), представляющий процесс трения износостойкой пары «алмаз–алмаз». В соответствии с этим рассматриваем три этапа приспосабливаемости при традиционном алмазном шлифовании СТМ кругами на металлических связках): высокоинтенсивный (I), переходной (II), устойчивый (III) (рис. 4.1). На первом этапе алмазные зерна и обрабатываемая поверхность СТМ подвергаются преимущественно хрупкому микроразрушению; на втором этапе процесс дополняется влиянием термоактивируемых процессов; в третьем – преимущественную роль играют только термоактивируемые процессы. Характерным показателем этого периода является массовое образование на алмазных зернах площадок износа.

В эти периоды практически в полной закономерной связи изменяются как параметры взаимодействующих поверхностей – фактическая площадь контакта, число зерен с площадками износа, шероховатость обработанной поверхности, рабочая (в нашем случае – наибольшая) высота выступания зерен из связки, так и выходные показатели процесса шлифования – производительность, удельный расход, удельный износ, коэффициент шлифования, удельная энергоемкость. Продолжительность этих периодов для различных марок обрабатываемых материалов различна (табл. 4.1).

Установлено, что наиболее тесная корреляционная связь наблюдается между производительностью шлифования и относительной величиной фактической площади контакта, а шероховатость обработанной поверхности наиболее тесно связана с относительной опорной площадью РПК. Таким образом, аномально быстрое изменение удельной интенсивности алмазного шлифования СТМ при упругой схеме обработки определяется резким увеличением относительной фактической площади контакта в системе «РПК–СТМ», резким уменьшением величины удельных нагрузок и, как следствие, – снижением удельной интенсивности шлифования (табл. 4.2). Относительная величина фактической площади контакта (далее – фактическая площадь контакта) принята в качестве основного топографического параметра приспосабливаемости. Интенсивное изменение всех выходных показателей связано с увеличением фактической площади контакта не только за счет износа зерен и образования на них площадок износа, но и за счет сглаживания шероховатости обработанной поверхности СТМ. По микрофотографиям рабочей поверхности круга и обработанной поверхности СТМ, снятым в различные периоды приспосабливаемости, можно отчетливо про- следить синхронность их изменения с изменением величины фактической площади контакта в системе «РПК – СТМ» (см. рис. 4.1).

Исследования 3D напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «обрабатываемый материал–зерно–связка» показали, что образование площадок износа при одних и тех же условиях может в 5–10 раз уменьшитьпри одних и тех же условиях может в 5–10 раз уменьшить величину приведенных напряжений в контакте «РПК–СТМ». Так, при одних и тех же условиях нагружения системы образование площадок износа на алмазных зернах уменьшает величину приведенных напряжений даже в контакте острого зерна в 5 раз (рис. 4.2). При этом даже при увеличении поперечной подачи до Sпоп= 5 мкм/дв.ход напряжения в контакте «зерно–обрабатываемый материал» не достигают критических, т. е. процесс съема припуска прекращается. Вместе с тем чрезмерно высокие суммарные давления на СТМ могут привести к макроразрушению (объемному растрескиванию) обрабатываемой поверхности, т.е. браку при обработке.

При отсутствии контакта связки с обрабатываемым СТМ при шлифовании по упругой схеме использование величины нормального давления P/Ac= в традиционном понимании как отношения нагрузки в контакте Р к номинальной площади контакта РПК с СТМ Ac не корректно, т. к. в этом случае, например, при шлифовании ДАП фактическая площадь контакта по мере приспосабливаемости изменяется от 0,001 до 12 мм2 , т.е. более чем в 10000 раз и, следовательно, фактические давления изменяются во столько же раз. Для того, чтобы сохранить производительность, соответствующую первому этапу обработки, т.е. сохранить фактические давления на том же уровне, следует нагрузку в контакте «СТМ–РПК» увеличить в 10000 раз и при обработке, например, ДАП она должна составлять 100 кН, что естественно приведет к объемному разрушению СТМ (браку при обработке). Таким об- разом, для корректного использования упругой схемы шлифования в условиях отсутствия контакта связки с обрабатываемым материалом необходимо учитывать коэффициент изменения фактической площади контакта К, равный: К = Ar / Ac = Рн / Рф, где Аr – фактическая площадь контакта; Ас – номинальная площадь контакта; Рф– фактическое нормальное давление в контакте «РПК–СТМ», Рн – номинальное (задаваемое) давление.

С учетом того, что установленная нами при 3D моделировании напряженно-деформированного состояния системы «СТМ–зерно–связка» величина упругого внедрения зерна в СТМ не превышает 0,5 – 1 мкм, величину tps будем определять на уровне 1 мкм от максимально выступающего зерна, т.е. на уровне Р = 5 % при hp = 20 мкм.

Если проанализировать динамику изменения параметра tps на уровне Р = 5 %, что адекватно фактической площади контакта в системе «СТМ–зерно», то у вновь заправленного электрохимическим методом круга (рис. 4.6) tps возрастает медленно по глубине топографии РПК, что свидетельствует о высокой остроте зерен, а у изношенного круга tps. резко возрастает из-за массового образования на зернах площадок износа (рис. 4.7). Анализ динамики изменения параметра tps по глубине профиля одного и того же круга, но работающего в различных условиях, позволяет судить о динамике изменения величины фактической площади контакта в системе «РПК– СТМ».

Для случая, когда условный радиус округления зерна R2 = 100 мкм, скорость круга V = 30 м/с, модули упругости зерен и СТМ Е = 800 ГПа, коэффициент Пуассона n = 0,1, масса зерна m2 = 0,1 г получаем Pmax = 0,28 Н. По данной методике рассчитывалась величина силового нагружения системы «СТМ–зерно–связка» и корректировалась по результатам экспериментального определения сил резания и коэффициента шлифования при обработке различных марок СТМ.зерно Е = 1000 ГПа; G = 545 ГПа; m = 0,1; поликристалл Е = 1000 ГПа; G = 545 ГПа; m = 0,1; связ- ка Е = 72 ГПа; G = 28 ГПа; m = 0,24 (алюминиевый сплав).

Анализ этих данных показывает, что наиболее эффективным способом повышения величины напряжений в поликристалле является повышение жесткости связки,что на порядок больше, чем при повышении жесткости зерна.НДС при контакте зерна с поликристаллом в вершине зависит в основном от свойств материала связки как основного элемента рассмотренной модели.

зерна с площадками износа (контактирующие гранью) и кристаллиты расположенные «твердой» гранью в зоне кон- такта являются существенным ограничивающим фактором производи- тельного процесса шлифования и образуют износостойкую пару трения «твердая грань кристаллита СТМ – твердая грань алмазного зерна». Устранить такое аномальное для производительного шлифования со- стояние возможно тремя путями: – удалить неблагоприятные зерна с поверхности РПК (например, удалением связки); – целенаправленно разрушать площадку износа (например, воздействием алмазными инденторами с частотой ультразвуковых колебаний (см. главу 6); – сколоть зерно по плоскости, параллельной октаэдрической грани, по которой алмаз легче всего раскалывается, используя анизотропию свойств СТМ и зерен.

Ответственными за разрушение зерна и СТМ являются напряжения в поликристалле (узле контакта зерна с поликристаллом), возникающие при контакте зерна с СТМ вершиной.Для производительного шлифования необходимо выполнение условия разрушения СТМ в контакте с зерном, но при этом зерно не должно выпадать из связки. При упругой схеме шлифования подстановка в уравнение накладывает ограничения на напряжения в поликристалле и связке.

Основным фактором, снижающих эффективность производительного процесса шлифования СТМ, является образование на алмазных зернах площадок износа. Наличие в контакте с СТМ зерен с площадками износа на порядок уменьшает величину приведенных напряжений в контакте «зерно–СТМ». Анализ полученных зависимостей показал, что даже незначительное число зерен с площадками износа «забирает» на себя большую часть нагрузки и не дает острым зернам производить эффективную работу микроразрушения СТМ, т. к. напряжения в контакте не достигают предела его прочности.

Критическая величина заделки зерна в связку, определяемая величиной максимальных приведенных напряжений в ней, также зависит от соотношения в контакте зерен с площадками износа и острых. Так, расчеты показали, что увеличение зерен с площадками износа с 10 % до 80 % приводит к уменьшению критической величины заделки hкр от 45 до 25 мкм.

Оптимальное сочетание прочностей связки, зерен и их концентрация должно обеспечивать такой уровень НДС в зоне шлифования, при котором: – обеспечивается удержание алмазных зерен в связке; – исключается хрупкое микроразрушение алмазных зерен (при шлифовании «мягких» материалов) или их самозатачивания без образования площадок износа (при шлифования «твердых» материалов); – обеспечиваются максимальные напряжения в обрабатываемом мате- риале (съем припуска); – исключается образование недопустимого дефектного слоя (брак).

Таким образом, модуль упругости связки должен обеспечивать прочность удержания зерен в связке, нагрузку на зерно, достаточную для одноактного микроразрушения зерна у вершины с постепенным заглублением его в связку. Введение в зону шлифования или/и в зону управления энергии ультразвуковых колебаний существенно повышает вероятность заглубления алмазных зерен в связку, что естественно продлевает активную жизнь алмазных зерен. Такой эффект использован А. А. Сагардой в способе шаржирования поверхности абразивными зернами.

Таким образом, расчеты 3D НДС системы «СТМ–зерно–связка» показали, что модуль упругости (жесткость) металлической связки является наиболее значимым параметром, определяющим эффективность взаимного разрушения элементов системы «СТМ–зерно–связка» при алмазном шлифовании. Увеличение жесткости металлической связки в два раза может в 7 раз увеличить напряжение в контакте «зерно–СТМ», а, следовательно, существенно повысить производительность шлифования.Увеличение модуля упругости (жесткости) связки обеспечивает следующие положительные эффекты при шлифовании: – повышает прочность алмазоудержания; – повышает эффективность взаимного микроразрушения в контакте «зерно–СТМ» за счет увеличения силы соударения; – обеспечивает большую вероятность отслеживания алмазными зернами «мягких» и «твердых» граней кристаллитов СТМ за счет увеличения частоты собственных колебаний зерен в связке, что способствует повышению производительности шлифования.

Использование кругов на прочных металлических связках снижает удельный расход алмазов, но круги быстро «засаливаются» и требуют периодической правки, в процессе которой не эффективно используется практически столько же алмазных зерен, как и в процессе шлифования. Разработанные способы шлифования с управлением режущим рельефом кругов позволяют существенно повысить эффективность использования алмазных зерен при шлифовании труднообрабатываемых материалов.

Дляповышение надежности лезвийного инструмента из СТМ предложен новый методологический подход, позволяющий надежность такого инструмента определять уже на этапе его заточки и термоактивируемой доводки. При этом 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.

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.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.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.

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.