А. И. Грабченко, В. А. Федорович
3D ПРОЦЕССЫ
АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ
Харьков НТУ «ХПИ» 2008
ББК 34.59 УДК 621.92
Рецензенти: Ю. Н. Внуков, д-р. техн. наук, проректор,
Запорожский национальный технический университет В. А. Залога, д-р. техн. наук, заведующий кафедрой, Сумской государственный университет
Грабченко А. И., Федорович В. А. 3D процессы алмазно-абразивной обработки. Монография.
– Харьков: НТУ “ХПИ”, 2008. – 345 с.
ISBN
В монографии излагаются основы исследования алмазно-абразивных инструментов и процессов шлифования в трехмерном (пространственном) представлении. Рассматриваются современные тенденции объектно-ориентированного статистического моделирования при- менительно к алмазно-абразивным инструментам, напряженно-деформированному состоя- нию зоны шлифования, а также вопросы практического применения результатов 3D модели- рования.
Предназначено для студентов, магистров и аспирантов, преподавателей технических вузов, а также может быть полезным для специалистов-технологов.
У монографії викладаються основи досліджень алмазно-абразивних інструментів і процесів шліфування в тривимірному уявленні. Розглядаються сучасні тенденції об’єктно- орієнтованого статистичного моделювання стосовно алмазно-абразивних інструментів, на- пружено-деформованого стану зони шліфування, а також питання практичного застосування результатів 3D моделювання.
Призначено для студентів, магістрів і аспірантів, викладачів технічних вузів, а також може бути корисним для фахівців-технологів.
Ил. 149. Табл. 27. Библиогр. 46 назв.
ББК 34.59
ISBN Грабченко А. И., Федорович В. А.,
2008 г.
Содержание
Предисловие ... 7 Введение ... 12 Глава 1. Предпосылки изучения процесса алмазного шлифования
в трехмерном (3D) представлении ... 17 1.1. Современные тенденции создания и эффективного применения
сверхтвердых материалов ... 17 1.2. Общая характеристика сверхтвердых материалов (СТМ) ... 19 1.3. Анизотропия физико-механических свойств СТМ
и алмазных зерен ... 25 1.4. Структурные изменения в сверхтвердых материалах
в условиях алмазного шлифования ... 27 1.5. Анализ процесса шлифования с позиций микроразрушения
взаимодействующих поверхностей ... 33 1.6. Анализ обрабатываемости и выбор базового метода
обработки СТМ ... 40 1.7. Принципиальные особенности процесса алмазного
шлифования сверхтвердых материалов ... 45 Выводы ... 51 Глава 2. Методологические основы изучения процесса шлифования
в трехмерном (3D) представлении ... 53 2.1. Процесс приспосабливаемости и управление рельефом кругов
при алмазно-абразивной обработке ... 53 2.2. Обеспечение комплексного подхода к исследованию процесса
топографической, структурно-фазовой и энергетической
приспосабливаемости ... 56 2.3. Изучение 3D параметров рабочей поверхности алмазных
кругов и поверхности СТМ методом лазерного сканирования ... 59 2.4. Исследование 3D напряженно-деформированного состояния
(НДС) зоны шлифования ... 64 2.5. Теоретическое и экспериментальное определение
динамической прочности алмазных зерен в круге ... 70 2.6. Определение удельного износа и коэффициента использования
потенциальных режущих свойств алмазных зерен ... 75 2.7. Методика определения фактической площади контакта
в системе «СТМ–зерно–связка» ... 77
2.8. Разработка методики оценки приспосабливаемости
при шлифовании ... 80
2.9. Методика изучения усталостно-циклического разрушения обрабатываемого СТМ и зерен круга при микрорезании ... 82
2.10. Методика цветометрического компьютерного изучения параметров рабочей поверхности кругов (РПК) и дефектов поверхности СТМ ... 85
Выводы ... 87
Глава 3. Моделирование процесса спекания алмазных кругов ... 91
3.1. Влияние технологических режимов спекания кругов и свойств связок на целостность алмазных зерен ... 91
3.2. Влияние марки алмазных зерен на их целостность при спекании ... 99
3.3. Влияние размера и концентрации алмазных зерен на их целостность при спекании ... 105
Выводы ... 110
Глава 4. Процесс приспосабливаемости при алмазном шлифовании ... 4.1. Анализ алмазного шлифования с позиций представлений о приспосабливаемости двух взаимодействующих поверхностей ... 112
4.2. Систематика процесса приспосабливаемости ... 116
4.3. Трансформация механизмов разрушения в процессе приспосабливаемости ... 129
4.4. Топографическая приспосабливаемость в процессе алмазного шлифования ... 133
4.5. Структурно-фазовые аспекты приспосабливаемости ... 137
4.6. Влияние анизотропии свойств кристаллитов СТМ ... 140
4.7. Анализ причин возникновения дефектного слоя ... 144
Выводы ... 148
Глава 5. Микроразрушение элементов системы «СТМ–зерно–связка» в процессе шлифования ... 151
5.1. Факторы, определяющие съем СТМ в процессе алмазного шлифования ... 151
5.2. Методология 3D моделирования напряженно- деформированного состояния зоны шлифования ... 156
5.3. Исследование 3D напряженно-деформированного состояния системы «СТМ–зерно–связка» ... 161
Содержание
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
5 5.3.1. 3D НДС зоны шлифования при точечном
контакте зерна ... 163 5.3.2. 3D НДС зоны шлифования при линейном
контакте зерна ... 167 5.3.3. 3D НДС зоны шлифования при контакте
зерна по плоскости ... 171 5.4. Моделирование совместной работы различно ориентированных
зерен при контакте с поликристаллом ... 176 5.5. Теоретический анализ величины удельного расхода
и износа алмазных зерен ... 180 5.6. Модуль упругости связки и интенсивность взаимного
микроразрушения элементов системы
«СТМ–зерно–связка» ... 186 5.7. Усталостно-циклическое микроразрушение элементов
системы «СТМ–зерно» ... 194 Выводы ... 203 Глава 6. Топографическая приспосабливаемость рабочих
поверхностей в зоне шлифования ... 205 6.1. Теоретический анализ топографической приспосабливаемости
при шлифовании СТМ ... 205 6.2. Изменение фактической площади контакта в системе
«РПК–СТМ» в процессе приспосабливаемости ... 217 6.3. Экспериментальное исследование изменения параметров
топографии поверхности круга и СТМ ... 224 6.4. Взаимосвязь параметров топографии поверхностей
в процессе приспосабливаемости ... 227 6.5. Влияние анизотропии физико-механических свойств алмазных
зерен на топографическую приспосабливаемость РПК ... 231 6.6. Влияние топографии круга на 3D напряженно-
деформированное состояние зоны шлифования ... 237 Выводы ... 244 Глава 7. Разработка методологии управления процессом
приспосабливаемости и способов ее реализации ... 247 7.1. Разработка методологии управления топографической,
структурно-фазовой и энергетической приспосабливаемостью ... 247 7.2. Принудительное формирование режущего субмикрорельефа
алмазных зерен ... 252
7.3. Моделирование процесса шлифования сверхтвердых
материалов с управлением РПК ... 259
7.4. Разработка адаптивной системы управления параметрами РПК .... 263
7.5. Способы ультразвукового шлифования с адаптивным комбинированным управлением РПК ... 265
7.6. Роль частоты собственных и вынужденных колебаний алмазных зерен при шлифовании сверхтвердых материалов ... 268
7.7. Разработка способа термоактивируемой доводки лезвийного инструмента из СТМ на основе алмаза ... 271
7.8. Пути повышения эффективности процесса алмазного шлифования СТМ ... 280
Выводы ... 286
Глава 8. Разработка экспертной системы процесса алмазного шлифования СТМ ... 288
8.1. Методология разработки экспертной системы процесса шлифования ... 288
8.2. Разработка теоретического модуля экспертной системы ... 294
8.2.1. Методология определения оптимальных характеристик алмазных кругов ... 295
8.2.2. Подсистема определения условий бездефектного алмазного шлифования СТМ ... 303
8.2.3. Подсистема обеспечения надежности лезвийного инструмента из СТМ на стадии его изготовления ... 307
8.3. Разработка экспериментального модуля экспертной системы ... 312
8.3.1. Разработка целевых функций экспериментальной экспертной системы ... 312
8.3.2. Структура и принцип работы экспериментального модуля экспертной системы ... 315
8.4. Условия и способы повышения качества поверхности и надежности лезвийного инструмента из СТМ ... 319
8.5. Оптимизация процесса алмазного шлифования СТМ ... 323
Выводы ... 327
Список использованных источников ... 329 Приложения ...
Предисловие
Alea iacta est – Жребий брошен.
Чем больше человек будет становиться человеком, тем меньше он согласится на что-либо иное, кроме бесконечного и неистребимого движения к новому.
Пьер Тейяр де Шарден
Современные тенденции создания наукоемкой продукции характеризу- ются резким расширением приложений математики, во многом связанным с со- зданием и развитием средств вычислительной техники. Суть математизации со- стоит в построении математических моделей явлений и процессов и разработке методов их исследования. В физике и механике, являющихся базой при разра- ботке рабочих процессов алмазно-абразивной обработки материалов, построе- ние математических моделей для описания различных явлений и изучение этих моделей с целью объяснения старых или предсказания новых эффектов явля- ются общепринятыми. Это положение должно быть хорошо усвоено студента- ми.
В настоящее время в мировой практике при изучении процессов обработ- ки материалов резанием наблюдается тенденция перехода от 2D к 3D представ- лениям. Предпосылкой такого перехода является развитие методов статистиче- ского моделирования и конечных элементов, аппаратных возможностей вычис- лительной техники и программного обеспечения на базе визуальных объектно- ориентированных языков программирования. Все это повышает адекватность и информационность применяемых 3D моделей. Трехмерный подход существен- но повышает достоверность результатов по сравнению с решением плоских за- дач, но главное – доказывает обучающемуся необходимость и эффективность трёхмерного представления объектов и процессов.
Создание систем 3D моделирования абразивно-алмазных инструментов позволяет существенно сократить объем экспериментальных исследований для определения рациональных конструктивных параметров, оптимальных условий их изготовления и использования.
Предлагаемая методология 3D моделирования основана на научных по- ложениях теории резания материалов, формообразования поверхностей, проек-
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
тирования режущих инструментов, теоретической и прикладной статистике, методе конечных элементов, изложенных в работах отечественных и зарубеж- ных ученых. При изучении процесса алмазного шлифования использована ком- плексная методология исследования единой 3D системы «обрабатываемый ма- териал–зерно–связка», включающая 3D моделирование и экспериментальное изучение 3D параметров взаимодействующих поверхностей, изучение 3D напряженно-деформированного состояния (НДС) зоны шлифования и методики исследования процесса приспосабливаемости при алмазном шлифовании сверхтвердых материалов. Использованная методология позволяет оценивать 3D НДС всех элементов системы одновременно, что важно при определении области оптимальных сочетаний их физико-механических свойств и режимов взаимодействия.
Монография составлена таким образом, что каждая глава представляет собой самостоятельный шаг в последовательном переходе к трёхмерным пред- ставлениям объектов и процессов.
Глава 1. Предпосылки изучения процесса алмазного шлифования в трех- мерном (3D) представлении.
В главе излагается анализ путей повышения эффективности шлифования, прежде всего сверхтвердых материалов (СТМ), оцениваются тенденции в ре- шении проблемы управления процессами контактного взаимодействия в пре- дельных условиях, когда отсутствует требуемое теорией шлифования превы- шение твердости материала инструмента над твердостью обрабатываемого ма- териала.
Глава 2. Методологические основы изучения процесса шлифования в трехмерном (3D) представлении.
В главе изложена методология и методики исследования процесса при- спосабливаемости при алмазном шлифовании сверхтвердых материалов. Разра- ботанная методология комплексного исследования 3D единой системы «СТМ–
зерно–связка» включает 3D моделирование и экспериментальное изучение 3D параметров взаимодействующих поверхностей, изучение 3D напряженно- деформированного состояния (НДС) зоны шлифования. Приведено описание ряда разработанных оригинальных методик, основанных на 3D теоретическом и экспериментальном изучении изменений параметров рабочей поверхности круга и обрабатываемого СТМ: определения динамической прочности алмаз- ных зерен, оценки уровня приспосабливаемости, изучения усталостно- циклического разрушения СТМ и зерен с наложением ультразвуковых колеба-
Предисловие
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
9 ний, оценки коэффициента использования алмазных зерен, определения факти- ческой площади контакта в системе «РПК–СТМ», компьютерного цветометри- ческого определения параметров РПК и дефектов на поверхности СТМ путем сканирования цветных фотографий, полученных в поляризованном свете. Пока- заны впервые преимущества примененного 3D моделирования напряженно- деформированного состояния единой системы «СТМ–зерно–связка» методом конечных элементов, а для изучения параметров топографии рабочей поверх- ности круга и СТМ использован метод лазерного сканирования.
Глава 3. Моделирование процесса спекания алмазных кругов.
Анализируются теоретические исследования процесса изготовления ал- мазных шлифовальных кругов на металлической связке с целью определения условий снижения количества разрушенных зерен в инструменте после спека- ния. Приводятся результаты теоретических исследований, проведенных путем 3D моделирования напряженно-деформированного состояния зоны спекания алмазоносного слоя круга, в частности установлены влияние технологических параметров процесса и характеристик алмазоносного слоя на целостность зерен в круге. Формулируются практические рекомендации по составам алмазно- металлических композиций.
Глава 4. Процесс приспосабливаемости при алмазном шлифовании.
В главе рассмотрен процесс алмазного шлифования с позиций приспо- сабливаемости двух существенно различных по топографии поверхностей: дис- кретной рабочей поверхности круга (РПК) и квазисплошной обрабатываемой поверхности сверхтвердого материала (СТМ). Определена роль основных со- ставляющих процесса приспосабливаемости: топографической, структурно- фазовой и энергетической в трех основных ее этапах. Установлено влияние со- ставляющих приспосабливаемости при традиционном алмазном шлифовании СТМ кругами на металлических связках на выходные показатели процесса об- работки. Вскрыта определяющая роль относительной величины фактической площади контакта элементов системы «РПК–СТМ» в эффективности процесса алмазного шлифования. Приводится разработанная систематика составляющих процесса приспосабливаемости. Исследовано влияние анизотропии физико- механических свойств СТМ и алмазных зерен на процесс приспосабливаемо- сти. Развито положение о возможности инверсии процесса приспосабливаемо- сти и на этой основе выдвинута гипотеза о высоком потенциале управления приспосабливаемостью с целью использования положительных эффектов всего
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
ее диапазона для повышения эффективности процесса алмазного шлифования СТМ.
Глава 5. Микроразрушение элементов системы «СТМ–зерно–связка» в процессе шлифования.
Глава посвящена анализу теоретических исследований микроразрушения системы «СТМ–зерно–связка» в процессе алмазного шлифования. Теоретиче- ские исследования проведены путем 3D моделирования напряженно- деформированного состояния (НДС) зоны шлифования и разрушения элемен- тов системы «зерно–СТМ–связка». Определены условия, обеспечивающие ра- циональное распределение энергии, подводимой в зону шлифования, между элементами системы, при которых наиболее эффективно будет разрушаться объём припуска либо съём будет минимизироваться до атомно-молекулярного уровня, обеспечивая прецизионность обработки. Получены исходные данные для разработки теоретического модуля экспертной системы процесса алмазного шлифования СТМ.
Глава 6. Топографическая приспосабливаемость рабочих поверхностей в зоне шлифования.
В главе приводится теоретико-экспериментальный анализ топографиче- ской приспосабливаемости 3D параметров топографии рабочей поверхности круга (РПК) и обрабатываемой поверхности сверхтвердого материала (СТМ) при алмазном шлифовании. Подчеркивается определяющая роль топографиче- ской составляющей процесса приспосабливаемости. Излагается методология теоретико-экспериментального определения фактической площади контакта в системе «РПК–СТМ», влияния анизотропии физико-механических свойств ал- мазных зерен на интенсивность их износа и изменение параметров РПК. Рас- смотрены вопросы теоретического обоснования возможности управления вели- чиной фактической площади контакта. Анализируются теоретические зависи- мости, описывающие взаимосвязь и изменение топографических параметров приспосабливаемости.
Глава 7. Разработка методологии управления процессом приспосаблива- емости и способов ее реализации.
В главе излагается разработанная методология комплексного управления процессом приспосабливаемости и способов ее реализации. Процесс управле- ния приспосабливаемостью основан на принудительном регулировании вели- чины фактической площади контакта в системе «РПК–СТМ» путем одновре- менного дозируемого удаления связки (макроуровень) и принудительного фор-
Предисловие
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
11 мирования субмикрорельефа на алмазных зернах введением в зону шлифования и/или управления энергии ультразвуковых колебаний (микроуровень).
Глава 8. Разработка экспертной системы процесса алмазного шлифова- ния СТМ.
Глава посвящена разработке экспертной системы процесса алмаз- ного шлифования СТМ. Система состоит из двух взаимосвязвнных модулей – теоретического и экспериментального, которые решают как самостоятельные задачи, так и дополняют друг друга.
Теоретический модуль экспертной системы базируется на аналитическом описании процессов взаимного микроразрушения элементов 3D системы
«СТМ–зерно–связка» в различных условиях их взаимодействия. Он позволяет в компьютерном режиме прогнозировать количественные выходные показатели процесса и область оптимальных условий обработки СТМ различных марок, в том числе и вновь создаваемых. Достоинством этого модуля экспертной систе- мы является возможность без длительных, трудоемких и дорогостоящих экспе- риментов анализировать широкий спектр взаимосвязанных факторов, влияю- щих на эффективность функционирования единой системы «СТМ–зерно–
связка» в процессе шлифования.
Экспериментальный модуль экспертной системы создан на базе компьютерной обработки широкой гаммы экспертных исследований процесса алмазного шлифования различных марок СТМ и позволяет определять опти- мальные условия процесса при конкретных ограничивающих факторах, т, е, при определенных реальных возможностях производства.
В монографии приводятся примеры использования таких пакетов про- грамм, как объектно-ориентированная среда управления базами данных и со- здания приложений Visual FoxPro; математические пакеты MathCad и Maple;
пакет для статистической обработки данных Statistica; пакеты для моделирова- ния методом конечных элементов Cosmos и Third Wave AdvandEdge.
Авторы выражают глубокую благодарность всем помощникам, консуль- тантам и рецензентам, обеспечившим выпуск настоящей монографии.
Адрес для переписки: 61002, г. Харьков, ул. Фрунзе, 21, НТУ «Харьков- ский политехнический институт», кафедра «Резание материалов и режущие ин- струменты» (E-mail: [email protected]).
Введение
В современных условиях развития рыночной экономики в Украине важ- нейшим фактором успешной деятельности предприятий является повышение качества и снижение себестоимости выпускаемой продукции. В машинострои- тельных отраслях промышленности эти факторы неразрывно связаны с интен- сификацией механической обработки, которая в свою очередь во многом опре- деляется работоспособностью режущего инструмента. Таким образом, повы- шение ресурса работы инструмента является необходимым условием эффек- тивного функционирования современного машиностроительного предприятия.
Далеко не раскрытыми возможностями реализации этих условий обладают син- тетические сверхтвердые материалы (СТМ) на основе алмаза и плотных моди- фикаций нитрида бора. Широкое применение СТМ и организация массового производства из них режущего, выглаживающего, волочильного, бурового и мерительного инструмента потребовало разработки высокопроизводительных и прецизионных методов современной технологии их обработки.
В монографии излагается методология результатов комплексного теоре- тико-экспериментального изучения процесса шлифования как проявления при- спосабливаемости взаимодействующих поверхностей, и разработанным на этой базе высокоэффективных рабочих процессов, а также экспертной системы ис- следуемого процесса. Методологической основой работы является трехмерное (3D) теоретическое и экспериментальное исследование топографических, структурно-фазовых и энергетических аспектов приспосабливаемости взаимо- действующих элементов, базирующееся на методах лазерного сканирования рабочей поверхности круга и обрабатываемого материала, и теоретическом изучении 3D напряженно-деформированного состояние зоны шлифования.
Применительно к обработке СТМ актуальность решаемой проблемы дик- туется высокой трудоемкостью и низкой производительностью процесса их шлифования, большим расходом дорогостоящих алмазных зерен и, как след- ствие, высокой себестоимостью. Требуется повышение надежности и качества инструмента из СТМ, без чего невозможно применение его в автоматизирован- ном производстве.
Введение
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
13 Работа выполнена на основе фундаментальных положений теории реза- ния материалов и трибологии, предложенных новых методологических подхо- дов к изучению процесса взаимодействия двух поверхностей и разработанных оригинальных методиках исследования процесса алмазного шлифования. Ис- пользованы экспериментально-теоретические методы механики контактного разрушения, современные физические методы исследования материалов – элек- тронно-микроскопического, рентгеноструктурного, металлографического, а также оригинальные, разработанные авторами методики: определения динами- ческой прочности алмазных зерен, оценки уровня приспосабливаемости, изуче- ния усталостно-циклического разрушения СТМ и зерен с наложением ультра- звуковых колебаний, оценки коэффициента использования алмазных зерен, определения фактической площади контакта в системе «рабочая поверхность круга –СТМ», компьютерного цветометрического определения параметров РПК и дефектов на поверхности СТМ путем сканирования цветных фотогра- фий, полученных в поляризованном свете. В работе использованы пакеты при- кладных программ для метода конечных элементов (МКЭ) и др. Впервые при- менено 3D моделирование напряженно-деформированного состояния единой системы «СТМ – зерно – связка» методом конечных элементов, а для изучения параметров 3D топографии рабочей поверхности круга использован метод ла- зерного сканирования. Экспериментальные исследования проводились на мо- дернизированных станках, специально разработанных стендах и установках с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры.
Впервые на основе 3D моделирования напряженно-деформированного состояния системы «обрабатываемый сверхтвердый материал – зерно – связка»
предложена научно-обоснованная систематика механизмов разрушения ее эле- ментов и определены пути направленного регулируемого воздействия на си- стему абразивного микрорезания, обеспечивающего управление взаимной при- спосабливаемостью элементов «обрабатываемый материал – рабочая поверх- ность абразивно-алмазного инструмента». Систематика включает в себя типы взаимодействия элементов и виды их разрушения. Деление на типы взаимодей- ствия определяется наличием или отсутствием контактирования связки алмаз- ного инструмента с обрабатываемым материалом. Систематика разрушения элементов системы включает в себя 20 основных механизмов, определяемых типом взаимодействия. Анализ механизмов разрушения позволил выявить и обосновать положение о необходимости и возможности управления приспосаб- ливаемостью в процессе шлифования.
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Сформулировано и доказано научное положение о специфике топографи- ческого, структурно-фазового и энергетического аспектов приспосабливаемо- сти взаимодействующих равнотвердых поверхностей при алмазном шлифова- нии сверхтвердых материалов как эволюционном свойстве процесса, опреде- ляющем эффективность обработки. В рамках функционирования единой техни- ческой системы «обрабатываемый материал – алмазное зерно – связка» приспо- сабливаемость характеризуется тремя этапами, отражающими трансформацию механизмов разрушения элементов системы. На этой базе обоснована и доказа- на возможность в процессе шлифования целенаправленно трансформировать и/или стабилизировать процесс приспосабливаемости на любом из трех уста- новленных ее этапов и тем самым осуществлять производительную и/или пре- цизионную обработку сверхтвердых материалов одним и тем же алмазным кру- гом заданной характеристики путем комплексного управления макро- и суб- микрорельефом взаимодействующих поверхностей
Сформулировано положение об определяющей роли динамической проч- ности СТМ и модуля упругости металлической связки в достижении требуемо- го уровня интенсивности взаимного микроразрушения элементов системы
«СТМ – зерно – связка» за счет увеличения силы соударения в контакте «зер- но – СТМ» (в зоне шлифования), повышения прочности алмазоудержания и ве- роятности отслеживания анизотропии кристаллитов СТМ, что обеспечивает по- вышение производительности шлифования и сокращение удельного расхода алмазов.
Установлено существенное влияние анизотропии свойств кристаллитов обрабатываемого сверхтвердого материала и алмазных зерен на степень струк- турно-фазовой приспосабливаемости. К ним относятся, прежде всего, различие значений микротвердостей, износостойкости, энергии разрушения и прочности контактирующих элементов, обусловленное их ориентацией по отношению к зоне контакта. На базе 3D моделирования напряженно-деформированного со- стояния системы выявлено, что для повышения точности теоретических расче- тов процессов разрушения элементов системы «обрабатываемый сверхтвердый материал – зерно», следует использовать не усредненные физико-механические характеристики, а наиболее характерные их значения с учетом специфики кон- кретной решаемой задачи. В расчетных схемах 3D моделирования для произво- дительного или доводочного (прецизионного) шлифования следует учитывать взаимосвязь скорости круга, размеры зерен, частоты их собственных или вы-
Введение
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
15 нужденных колебаний и величину кристаллитов обрабатываемого сверхтвердо- го материала.
Впервые получены теоретические зависимости, описывающие взаимо- связь и изменение в процессе работы комплекса параметров 3D рабочей по- верхности круга и разработан алгоритм определения оптимальных условий производительного и (или) прецизионного шлифования синтетических сверх- твердых материалов. Его основой является двухэтапный метод 3D эксперимен- тально-теоретического определения фактической площади контакта, учитыва- ющий субмикрорельеф алмазных зерен и обработанной поверхности, анизотро- пию свойств кристаллитов и алмазных зерен, упругих свойств связки круга.
Определяющим параметром является давление в контакте «единичное зерно–
СТМ».
Реализована возможность совмещения термодоводочной и контрольной операций при изготовлении лезвийного инструмента из СТМ путем осуществ- ления термоактивируемой доводки при термосиловых нагрузках, превышаю- щих создаваемые в экстремальных условиях его эксплуатации, что существен- но повышает надежность лезвийного инструмента из СТМ. Разработан алго- ритм и программное обеспечение для определения оптимальных условий про- изводительного и прецизионного шлифования СТМ. Разработаны методики:
определения динамической прочности алмазных зерен непосредственно в кру- ге; усталостно-циклического разрушения СТМ и зерен с наложением ультра- звуковых колебаний, определения фактической площади контакта в системе
«рабочая поверхность круга –СТМ», определения и прогнозирования коэффи- циента использования потенциальных режущих свойств алмазных зерен при шлифовании СТМ (а.с. 1404832); определения уровня приспосабливаемости при шлифовании СТМ по величине тока электризации, позволяющая значи- тельно сократить объем экспериментальных исследований и использованная в адаптивной системе управления; компьютерного цветометрического определе- ния параметров РПК и дефектов на поверхности СТМ путем сканирования цветных фотографий, полученных в поляризованном свете. Рекомендован к ис- пользованию в производстве комплекс способов ультразвукового алмазного шлифования с адаптивным комбинированным управлением приспосабливаемо- стью и устройства для их реализации, позволяющих в 1,5 – 2 раза повысить эф- фективность обработки СТМ. Предложен состав материала абразивного круга с металлической связкой на основе железа или твердого сплава, имеющей мак- симально возможный модуль упругости для разработанных способов алмазного
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
шлифования СТМ с комбинированным управлением макро- и микрорельефом РПК.
На базе комплексного теоретико-экспериментального изучения 3D топо- графии обрабатываемой поверхности и рабочей поверхности шлифовального круга методом лазерного сканирования, моделирования напряженно- деформированного состояния 3D системы «обрабатываемый материал – рабо- чая поверхность абразивно-алмазного инструмента» и динамики износа ее эле- ментов разработана экспертная система процесса шлифования, позволяющая прогнозировать и оптимизировать процесс бездефектной обработки как суще- ствующих, так и вновь создаваемых сверхтвердых материалов.
Таким образом, предложенная методология исследования процесса ал- мазного шлифования в трехмерном представлении открывает новые возможно- сти в познании физической сущности процесса и определения путей его даль- нейшего совершенствования.
Глава 1
Предпосылки изучения процесса алмазного шлифования в трехмерном (3D) представлении
Equation Section 1
В главе проведен анализ путей повышения эффективности процесса ал- мазного шлифования сверхтвердых материалов (СТМ), определены тенденции решения проблемы управления процессами контактного взаимодействия в условиях, когда отсутствует требуемое теорией шлифования превышение твер- дости материала инструмента над твердостью обрабатываемого материала, определены направления научного поиска, сформулированы цель и задачи ис- следования.
1.1. Современные тенденции создания и эффективного применения сверхтвердых материалов
Как одну из тенденций развития материаловедения и высоких технологий в машиностроении можно назвать повышенное внимание в последние десяти- летия к созданию сверхтвердых материалов. Обычно твердость соединений связывают с энергией межатомной связи (рис. 1.1) [206]. К сверхтвердым отно- сят многие материалы с преимущественно ковалентными межатомными связя- ми и твердостью выше твердости карбида бора (или > 20 ГПа). Из десятков та- ких материалов наибольший интерес представляют синтетические алмазы и плотные нитриды бора, поэтому они и выбраны для исследований в данной ра- боте. Есть все основания ожидать появления новых сверхтвердых материалов [215], в частности на основе C2BN.
Возможность получения синтетических материалов со свойствами, близ- кими к природному алмазу, впервые была теоретически обоснована в работе О. И. Лейпунского в 1939 году [94].
Однако ее практическая реализация задержалась до 50 – 60-х годов, когда физика и техника высоких давлений, а также материаловедение достигли опре- деленного уровня развития. С момента появления первых синтетических алма-
Примечание [V1]: Стр: 17 [а№3254] Шафрановский И.И. Алмазы.
- М.: Наука, 1964. - 173 с. {Book: Date 31/08/02 Time 16:57:38}
Примечание [V2]: Стр: 17 [а№460] Dornfeld, D., Liu, J.J.B., 1993, Abrasive Texturing and Burnishing Process Monitoring Using Acoustic Emission, An- nals of CIRP, 42/1: 397-400. {Book: Date 31/08/02 Time 17:20:36}
Примечание [V3]: Стр: 17 [а№3315] Лейпунский О.И. Об ис- скуственных алмазах. -Успехи химии, 1939, вып. 8, с.1519-1534. {Book: Date 18/08/02 Time 14:36:31}
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
зов (1953 г. – Швеция, 1954 г. – США, I960 г. – СССР) исследования в этой об- ласти в нашей стране и за рубежом были направлены на получение крупных монокристаллов и поликристаллических образований. Второй путь на совре- менном этапе оказался более результативным в научном, техническом и эконо- мическом плане.
а б в
Рис. 1.1. Графическое представление структуры алмаза (а), C2BN (б) и кубиче- ского нитрида бора (в) с серыми, белыми и черными сферами, представляющими со-
бой атомы углерода, бора и водорода соответственно
В 1963 г. под руководством выдающегося советского физика, академика Верещагина Д. Ф. на кафедре физики и химии высоких давлении Московского государственного университета совместно с институтом физики высоких дав- лений АН СССР при определенных условиях, характеризующихся высокими давлениями и температурой, удалось впервые, используя металл в качестве ка- тализатора, получить синтетический поликристаллический алмаз типа баллас (АСБ). Продукт синтеза имел форму шара, величиной около 6 – 6.5 мм. Позд- нее в Институте физики высоких давлений АН СССР также под руководством академика Верещагина Л. Ф. была синтезирована другая разновидность поли- кристаллического алмаза-карбонадо (АСПК), в форме цилиндра [21]. Эти рабо- ты положили начало созданию принципиально новой группы синтетических сверхтвердых материалов (СТМ), сразу же нашедших широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В короткий срок – до трех лет – в стране была создана специализированная подотрасль по широкомасштабному производству СТМ и инструмента из них. Практическим результатам здесь
Примечание [V4]: Стр: 18 [а№3313] Верещагин Л.Ф.
Синтетические алмазы и гидроэкструзия.
- М.: Наука, 1982. - 328 с. {Book: Date 18/08/02 Time 14:38:09}
Глава 1. Предпосылки изучения процесса алмазного шлифования в трехмерном (3D) представлении
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
19 предшествовала интенсивная разработка научных основ физико-химического синтеза и спекания СТМ советскими учеными Г. М. Безруковым, А. В. Бочко, А. И. Бутузовым, В. И. Вепринцевым, Б. В.Дерягиным, Я. А. Калашниковым, Ю. С. Коняевым, А. В. Курдюмовым, А. М. Мазуренко, Н. В. Новиковым, В. И. Трофимовым, Д. В.Федосеевым, Н. Е. Филоненко, И. Н. Францевичем, А. А. Шульженко, Е. Н. Яковлевым и др., а также зарубежными исследователя- ми Банди, Вахатеуки, Венторфом и др.
Наша обработка информации по отечественным и зарубежным источни- кам показала, что количество публикаций по этим вопросам возросло с 1960 года по 2000 год в тысячи раз и тенденция эта сохраняется в настоящее время.
Проблема создания и широкого использования СТМ заняла важное место в государственных планах и исследованиях таких научных центров: ИФВД, ИСМ НАН Украины, ИПМ НАН Украины, ВНИИ Алмаз, ВНИИАШ, ВНИИ, ВНИИТС, многих политехнических вузов в Киеве, Харькове, Одессе, Тбилиси, Ленинграде, Куйбышеве, Тольятти и др. Этой проблемой занимались такие ве- дущие ученые, как А. А. Аваков, Н. К. Беззубенко, Г. В. Бокучава, А. В. Бочко, Л. Ф. Верещагин, Ю. Н. Внуков, А. И. Грабченко, Г. И. Грановский, О. Н. Гри- горьев, Э. И. Гриценко, Л. Н. Девин, Н. Б. Демкин, С. Н. Дуб, В. В. Запорожец, И. П. Захаренко, Ю. Г. Кабалдин, Я. А. Калашников, В. В. Коломиец, Ю. С. Ко- няев, Б. И. Костецкий, Г. И. Костюк, И. В. Крагельский, Я. Кундрак, В. И.
Лавриненко, Ф. Лиерат, Т. Н. Лоладзе, А. Л. Майстренко, А. Мамалис, П. Г.
Матюха, Е. Н. Маслов, Л. Л. Мишнаевский, Ю. А. Муковоз, Н. В. Новиков, А. Н. Резников, О. А. Розенберг, М. Ф. Семко, М. М. Тененбаум, М. Д. Узунян, Ю. Д. Филатов, И. Н. Францевич, А. А. Шепелев, М. М. Хрущев, А. В. Якимов, Ф. Я. Якубов, П. И. Ящерицын и другие.
1.2. Общая характеристика сверхтвердых материалов (СТМ) На протяжении последних 25 – 40 лет «алмазная проблема» устойчиво привлекает внимание многих исследователей, институтов Академии наук, от- раслевых НИИ, проектно-конструкторских организаций, заводов-изготовителей сверхтвердых материалов и инструмента и предприятий потребителей. Только в 1965 – 1990 г.г. в работах по координационным планам по этой проблеме участвовало более 300 организаций.
