НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

"ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Федорович Володимир Олексійович

УДК 621.91

РОЗРОБКА НАУКОВИХ ОСНОВ ТА СПОСОБІВ ПРАКТИЧНОЇ РЕАЛІЗАЦІЇ УПРАВЛІННЯ ПРИСТОСОВУВАНІСТЮ ПРИ АЛМАЗНОМУ ШЛІФУВАННІ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Харків – 2002 р.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі "Різання матеріалів та різальні інструменти" Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Грабченко Анатолій Іванович,

Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", завідувач кафедри "Різання матеріалів та різальні інструменти".

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Внуков Юрій Миколайович,

Запорізький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя,

проректор з наукової роботи;

доктор технічних наук, професор

Матюха Петро Григорович

Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк,

завідувач кафедри “Металорізальні верстати та інструменти”;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Філатов Юрій Данилович

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, м. Київ,

провідний науковий співробітник

Провідна установа 

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", кафедра "Інструментальне виробництво" Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться "24" жовтня 2002 р. о "14" годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.050.12 у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут " за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут ".

Автореферат розісланий " 20" вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Узунян М.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасних умовах розвитку ринкової економіки в Україні найважливішим фактором успішної діяльності підприємств є підвищення якості і зниження собівартості продукції. В машинобудівних галузях промисловості ці фактори нерозривно пов'язані з інтенсифікацією механічної обробки, що у свою чергу багато в чому визначається працездатністю різального інструменту. Таким чином, підвищення ресурсу роботи інструменту є необхідною умовою ефективного функціонування сучасного машинобудівного підприємства. Далеко не розкритими можливостями реалізації цих умов характеризуються синтетичні надтверді матеріали (НТМ) на основі алмазу і щільних модифікацій нітриду бору. Широке застосування НТМ і організація масового виробництва з них різального, вигладжуючого, волочильного, бурового і вимірювального інструменту потребує розроблення високопродуктивних прецизійних методів їхньої обробки.

Актуальність названої проблеми зумовлена низькою продуктивністю процесу шліфування, значною витратою дуже дорогих алмазних зерен і, як наслідок, високою собівартістю обробки. Також є нагальною проблема підвищення якості та надійності інструменту із НТМ, без чого неможливо застосування його в автоматизованому виробництві. Істотно скоротити обсяг і трудомісткість дорогих експериментальних досліджень при вирішенні проблеми ефективної обробки різних марок НТМ, у тому числі тих, що тільки створюються, можна за рахунок розробки сучасної експертної системи процесу алмазного шліфування НТМ, що базується на встановлених фізичних і технологічних закономірностях, які пов'язані з аномальною нестабільністю процесу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язано з держбюджетною і міжнародною науковою тематикою кафедри "Різання матеріалів і різальні інструменти" Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" з наступних тем і програм: М2201 "Розробка теоретичних основ та створення нових методів, обладнання і високоефективних інструментів для обробки неметалічних композиційних та інших важкооброблювальних матеріалів", 1991-1993 рр.; КН2211 "Фізичне та математичне моделювання базових процесів прецизійної обробки для забезпечення структурної та параметричної оптимізації", 1993 р.; М2211 "Розробка та дослідження прогресивних методів виготовлення сучасних конструкцій різальних інструментів та виробів з надтвердих матеріалів", 1994-1996 рр.; ЕС2201 "Прецизійне та ультрапрецизійне точіння та шліфування металів, конструкційної кераміки та полімерів" (проект MINOS № ERB 3512PL964070 по програмі ЄС INCO-COPERNICUS), 1997-2000 рр.; М2223 "Розробка концепції способів формування високоточних поверхонь виробів машинобудівного та медичного призначення з заданими функціональними властивостями на основі комплексного застосування нових видів покриттів та управління трансформацією стану ріжучих поверхонь алмазно-абразивних інструментів", 1999-2001 рр.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності алмазного шліфування синтетичних надтвердих матеріалів за рахунок управління явищем взаємної пристосовуваності поверхонь круга та оброблюваної деталі, розробки і застосування експертної системи процесу, що забезпечує прогнозування та оптимізацію високого рівня вихідних показників.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Розглянути процес алмазного шліфування НТМ у рамках єдиної системи оброблюваний матеріал (НТМ) - алмазне зерно шліфувального круга та зв'язку круга, ефективність функціонування якої визначається рівнем пристосовуваності поверхонь круга і НТМ. Розробити методологію комплексних теоретико-експериментальних досліджень процесу алмазного шліфування НТМ і експериментально-аналітичну модель пристосовуваності елементів системи.

2. З урахуванням раніше виявленої аномальної нестабільності процесу при алмазному шліфуванні НТМ провести на основі 3D моделювання комплексний теоретичний і експериментальний аналіз зміни топографічних параметрів робочої поверхні круга і НТМ, виявити визначальні параметри пристосовуваності при високопродуктивній та прецизійній обробці НТМ.

3. Провести теоретичний аналіз напружнено-деформованого стану зони шліфування шляхом 3D моделювання взаємодії елементів системи "НТМ-зерно-зв'язка" методом кінцевих елементів. На базі теоретичного та експериментального вивчення взаємозв'язку процесів мікроруйнування її елементів розробити експертну систему процесу алмазного шліфування НТМ, у тому числі і наново створюваних, з метою прогнозування й оптимізації вихідних показників їхньої обробки.

4. Виявити причини виникнення дефектів обробленої поверхні НТМ, вплив анізотропії властивостей кристалітів НТМ і алмазних зерен круга, розподілу і розміру мікротріщин на характер їхнього руйнування; визначити умови бездефектної обробки. На цій основі підвищити надійність лезового інструмента із НТМ.

5. Розробити методологію управління процесом пристосовуваності, що забезпечує досягнення заданого рівня показників продуктивності, якості і собівартості алмазного шліфування НТМ. Для практичної реалізації розробити комплекс способів алмазного шліфування, що базуються на управлінні інтенсивністю пристосовуваності, спеціальні абразивні інструменти, модернізацію технологічного устаткування й оснащення, що обумовлюють підвищення ефективності алмазного шліфування за рахунок більш повного використання потенційно високих ріжучих властивостей алмазних зерен.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є процес алмазного шліфування надтвердих матеріалів.

Предмет дослідження. Предметом дослідження є пристосовуваність взаємодіючих поверхонь при алмазному шліфуванні надтвердих матеріалів.

Методи дослідження. Робота виконана на основі фундаментальних положень теорії різання матеріалів і трибології, запропонованих нових методологічних підходів до вивчення процесу взаємодії двох поверхонь і розроблених оригінальних методик дослідження процесу алмазного шліфування НТМ. Використано експериментально-теоретичні методи механіки контактного руйнування, сучасні фізичні методи дослідження матеріалів - електронно-мікроскопічний, рентгеноструктурний, металографічний, а також оригінальні, розроблені автором методики: визначення динамічної міцності алмазних зерен, оцінки рівня пристосовуваності, вивчення втомленно-циклічного руйнування НТМ і зерен із накладенням ультразвукових коливань, визначення фактичної площі контакту в системі "НТМ-зерно-зв'язка", оцінки ефективності використання алмазних зерен. В роботі використані пакети прикладних програм Cosmos, MathCAD, MatLab і ін. Вперше застосовано 3D моделювання напружено-деформованого стану єдиної системи "НТМ-зерно-зв'язка" методом кінцевих елементів, а для вивчення параметрів 3D топографії робочої поверхні круга використано метод лазерного сканування. Експериментальні дослідження проводилися на розроблених стендах з використанням сучасної контрольно-вимірювальної апаратури, технологічні випробування - на спеціально модернізованих верстатах. Достовірність теоретичних положень роботи підтверджується результатами експериментальних досліджень і практикою промислового впровадження.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше на основі 3D моделювання напружено-деформованого стану єдиної системи "оброблюваний надтвердий матеріал  алмазне зерно  зв'язка круга" запропонована науково-обгрунтована систематика механізмів руйнування її елементів і визначені шляхи спрямованого регульованого впливу на систему абразивного мікрорізання, що забезпечує управління взаємною пристосовуваністю її елементів.

2. Сформульоване і доведене наукове положення про специфіку топографічного, структурно-фазового й енергетичного аспектів пристосовуваності взаємодіючих рівнотвердих поверхонь при алмазному шліфуванні надтвердих матеріалів як еволюційної властивості процесу, що визначає ефективність обробки. В рамках функціонування єдиної технічної системи "оброблюваний матеріал - алмазне зерно - зв'язка" пристосовуваність характеризується трьома етапами, що відображають трансформацію механізмів руйнування елементів системи.

3. На базі комплексного теоретико-експериментального вивчення 3D топографії оброблюваної поверхні і робочої поверхні шліфувального круга методом лазерного сканування, моделювання 3D напружено-деформованого стану єдиної системи "оброблюваний матеріал-робоча поверхня абразивно-алмазного круга" і динаміки зносу її елементів розроблена експертна система процесу шліфування, що дозволяє прогнозувати й оптимізувати процес бездефектної обробки існуючих і наново створюваних надтвердих матеріалів.

4. Вперше отримано теоретичні залежності, що описують взаємозв'язок і зміну в процесі роботи комплексу параметрів 3D робочої поверхні круга (РПК), і розроблено алгоритм визначення оптимальних умов продуктивного або прецизійного шліфування синтетичних надтвердих матеріалів. Його основою є двохетапний метод 3D експериментально-теоретичного визначення відносної фактичної площі контакту, що враховує навантаження на субмікрорельєф алмазних зерен і обробленої поверхні, анізотропію властивостей кристалітів і алмазних зерен та пружних властивостей зв'язки круга. Встановлено, що головним топографічним параметром, що визначає рівень вихідних показників процесу шліфування, є відносна фактична площа контакту в системі "РПК-НТМ".

5. Сформульоване наукове положення про визначальну роль динамічної міцності алмазних зерен та модуля пружності металевої зв'язки в досягненні необхідного рівня інтенсивності взаємного мікроруйнування елементів системи "НТМ-зерно-зв'язка" за рахунок збільшення сили співудару в контакті "зерно-НТМ" (у зоні шліфування) і "зерно круга-зерно ударника" (у зоні керування), підвищення міцності алмазоутримання й здатності зерна круга оптимальним чином відреагувати на анізотропію кристалітів НТМ, що забезпечує підвищення продуктивності шліфування і скорочення питомої витрати алмазів.

6. Встановлено, що на структурно-фазову пристосовуваність істотно впливає анізотропія властивостей кристалітів оброблюваного матеріалу і алмазних зерен. Це стосується різниці значень мікротвердості, зносостійкості, енергії руйнування і міцності контактуючих елементів. На базі 3D моделювання напружено-деформованого стану системи виявлено, що для підвищення точності теоретичних розрахунків що до процесів руйнування елементів системи слід використовувати їхні фізико-механічні характеристики з урахуванням анізотропії властивостей. У розрахункових схемах 3D моделювання для продуктивного або доводочного (прецизійного) шліфування слід враховувати швидкості круга, розміри зерен, частоти їхніх власних коливань, розміри кристалітів оброблюваного надтвердого матеріалу через виведені залежності їх взаємного зв'язку та впливу на ефективність процесу.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена і реалізована на рівні готового програмного продукту для виробничих умов експертна система процесу алмазного шліфування НТМ. Розроблено алгоритм і програмне забезпечення для визначення оптимальних умов продуктивного і прецизійного шліфування НТМ. Розроблені методики: визначення динамічної міцності алмазних зерен безпосередньо в крузі; визначення і прогнозування коефіцієнта використання потенційних ріжучих властивостей алмазних зерен при шліфуванні НТМ (А.с. 1404832); комп'ютерного кольоровометричного визначення параметрів рельєфу і дефектів на поверхні НТМ шляхом сканування кольорових фотографій, отриманих у поляризованому світлі; визначення рівня пристосовуваності при шліфуванні НТМ за розміром струму електризації й електропровідності алмазних пар тертя, що дозволяє значно скоротити об'єм експериментальних досліджень і використати його в адаптивній системі управління. Рекомендований до використання у виробництві комплекс способів алмазного шліфування з адаптивним комбінованим управлінням ріжучим рельєфом круга і пристрої для його реалізації, що дозволяють у 1,5-2 рази підвищити ефективність обробки НТМ (А.с. 1085146, 1519017). Запропоновано склад матеріалу абразивного круга з металевої зв'язкою, що має максимально можливий модуль пружності (наприклад, твердосплавні) для розроблених способів алмазного шліфування НТМ із комбінованим управлінням макро- і мікрорельєфом робочої поверхні круга (А.с. 1148761).

Результати роботи впроваджені у виробництво з загальним економічним ефектом 385 тис. гривень (ДП ХМЗ "ФЕД", м. Харків; ЗАТ ХІЗ, м. Харків; МНТК "Практика", м.Харків).

Ряд наукових розробок впроваджено в навчальний процес Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".

Особистий внесок здобувача. Теоретичні й експериментальні дослідження, розробка алгоритмів і програмного забезпечення, модельні іспити виконані автором самостійно. Постановка задач і аналіз результатів досліджень робилися разом із науковим консультантом. Роботи з підготування авторських посвідчень і деяких статей виконані за участю співавторів. Розробка технічної документації, модернізація устаткування і проведення виробничих іспитів виконані разом із співробітниками кафедри "Різання матеріалів та різальні інструменти" НТУ "ХПІ". Визначальні наукові і практичні результати роботи отримані автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на 15 міжнародних конференціях і семінарах: "International Computer Science Conference" (microCAD).- Miskolc:.-1996-2002; "Proceeding of the fourth international symposium on measurement technology and intelligent instruments" (ISMTII '98) - Miskolc: University of Miskolc. - 1998; "Високі технології в машинобудуванні". - Харків: ХПІ. - 1992-2002; "Проблеми різання матеріалів у сучасних технологічних процесах", Харків: ХПІ. - 1991; "Proceeding of the tenth international conference on tools" (ICT-2000). -Miskolc-2000; IV Міжнар. конгр. "Конструкторсько-технологічна інформатика-2000" Станкін - Москва - 2000; "Наука і соціальні проблеми суспільства: людина, техніка, технологія, навколишнє середовище" - Харків: НТУ "ХПІ". -2001; II Міжнар. конф.: "Прогресивна техніка і технологія", Київ-Севастополь, 2001; "Надтверді інструментальні матеріали на рубежі тисячоліть: одержання, властивості, застосування" (СТИМ-2001), Київ, 2001. У повному обсязі дисертаційна робота доповідалася на наукових семінарах кафедри "Різання матеріалів та різальні інструменти" Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут"; Запорізького національного технічного університету, а також на спеціальному засіданні міжнародного науково-технічного семінару "Високі технології в машинобудуванні", Алушта, 2000 .

Публікації. За результатами роботи опубліковано 62 роботи, із них 11 без співавторів, 15 у закордонних виданнях, 18 - матеріали міжнародних конференцій і семінарів, 6 авторських посвідчень на винаходи.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 7 розділів, висновків та 4 додатків. Повний обсяг дисертації складає 469 сторінок, з них 1 ілюстрація по тексту, 76 ілюстрацій на 70 сторінках, 5 таблиць по тексту, 20 таблиць на 10 сторінках, 4 додатка на 72 сторінках, 245 використаних літературних джерел на 20 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обгрунтована актуальність розглянутої проблеми, сформульована мета дисертаційної роботи, визначені її наукова новизна і практична цінність.

Розділ 1. В розділі проведено аналіз стану питання, визначені тенденції рішення проблеми управління процесами контактної взаємодії в умовах, коли відсутнє необхідне за теорією різання перевищення твердості матеріалу інструмента над твердістю оброблюваного матеріалу.

Великий внесок у дослідження процесів контактної взаємодії, тертя і зношування при абразивній обробці, розглянутих у роботі, внесли вчені А.А.Аваков, М.К.Беззубенко, Г.В.Бокучава, Л.Ф.Верещагін, Ю.М.Внуков, А.І.Грабченко, Г.І.Грановський, О.Н.Григор'єв, Є.И.Гриценко, Н.Б.Дьомкін, С.Н.Дуб, В.В.Запорожець, І.П.Захаренко, Ю.Г.Кабалдін, Я.А.Калашніков, В.В.Коломієць, Ю.С.Коняєв, Б.І.Костецький, Г.І.Костюк, І.В.Крагельський, В.І.Лавриненко, Т.М.Лоладзе, А.Мамаліс, П.Г.Матюха, Е.Н.Маслов, Л.Л.Мішнаєвський, Ю.О.Муковоз, М.В.Новіков, А.Н.Рєзніков, О.О.РозенбергМ.Ф.СемкоМ.М.Тененбаум, М.Д.Узунян, Ю.Д.Філатов, А.О.Шепелєв, М.М.Хрущов, О.В.Якимов, Ф.Я.Якубов, П.І.Ящерицин та інші. Висунуте Б.І.Костецьким положення про роль структурно-енергетичної пристосовуваності матеріалів при терті і необхідність її інверсії в процесах фінішної алмазної обробки розвинуте і успішно використано А.І.Грабченко при розробці теорії і практики стабілізації процесу шліфування регулюванням інтенсивності видалення зв'язки круга. Однак, проблема підвищення ефективності алмазного шліфування НТМ у такий спосіб повністю вирішена не була, діапазон можливостей управління процесом пристосовуваності широкий і багатофакторний, а тому вимагає глибоких теоретичних і експериментальних досліджень.

Проведений аналіз стану питання дозволив зробити висновок про те, що в літературі відсутня узагальнена модель процесу шліфування для умов, коли взаємодіючі матеріали до того ж мають граничну в природі твердість, що властиво алмазним структурам, де практично не спостерігається або мізерно мале заглиблення абразивних зерен в оброблюваний матеріал, що унеможливлює використання поняття товщини зрізу.

Це дає підставу для того, що при вивченні умов контактування робочої поверхні круга з НТМ можуть бути використані закономірності, які установлені для процесів тертя і зносу. Відомі запропоновані Н.Б.Дьомкіним, І.В.Крагельським та І.Х.Чеповецьким розрахункові залежності для визначення фактичної площі контакту шорстких поверхонь потребують удосконалення з урахуванням істотного розходження в параметрах поверхонь, що контактують, і пружного та демпфуючого впливу металевої зв'язки.

Попередні теоретичні дослідження в основному вирішували проблему опору руйнуванню НТМ, а не інтенсифікації керованого мікроруйнування припуску при їх обробці. Більш глибокого вивчення вимагають розкриття й опис причин і механізму об'ємного руйнування поверхні НТМ при шліфуванні, бо вихід придатного лезового інструмента із НТМ при заточці досягає тільки 70-80%. У даний час є наукові і методичні передумови і назріла практична необхідність у створенні експертної системи процесу алмазного шліфування, яка б базувалась на комп'ютерному 3D моделюванні напружено-деформованого стану зони обробки, що дозволило б істотно скоротити обсяг і трудомісткість дорогих експериментальних досліджень для прогнозування і визначення оптимальних умов обробки різних марок НТМ, у тому числі і наново створюваних. Проведений аналіз дозволив визначити основні задачі наукового дослідження.

Розділ 2. У розділі запропонована комплексна методологія дослідження 3D системи "НТМ-зерно-зв'язка", що включає 3D моделювання та експериментальне вивчення 3D параметрів взаємодіючих поверхонь, вивчення 3D напружено-деформованого стану зони шліфування і методики дослідження процесу пристосовуваності при алмазному шліфуванні надтвердих матеріалів. Комплексний підхід до вивчення пристосовуваності - експериментальне (лазерне комп'ютерне сканування рельєфу круга і НТМ) і теоретичне (3D моделювання напружено-деформованого стану системи "НТМ-зерно-зв'язка") - істотно наближує результати досліджень до дійсності. З урахуванням особливостей досліджуваного процесу розроблено і використано ряд оригінальних методик досліджень, що забезпечують багатосторонність підходу до вивчення. Запропоновано методику, засновану на процесі електризації пари тертя "алмаз-алмаз", що дозволяє судити про ступінь утворення на зернах площадок зносу, тобто оцінювати рівень топографічної пристосовуваності. Розроблено оригінальну методику теоретичного й експериментального визначення динамічної міцності алмазних зерен безпосередньо в алмазному крузі, засновану на впливі на них алмазними інденторами (зернами) у режимі ультразвукових коливань. Це дозволяє прогнозувати ефективність використання алмазних зерен при шліфуванні різних марок НТМ, оцінити роль модуля пружності металевої зв'язки. Методика рекомендована для атестації алмазних кругів при їх виготовленні.

При 3D моделюванні напружено-деформованого стану системи "НТМ-зерно-зв'язка" використані сучасні пакети прикладних програм для методу кінцевих елементів типу "Cosmos", що дозволило в максимально наближених до реальних умов оцінювати взаємовплив фізико-механічних властивостей алмазних зерен, НТМ і зв'язки на рівень головних і приведених напруг (силових, температурних і термосилових), енергії і щільності енергії деформації, частоти власних коливань алмазних зерен. Методика дозволяє оцінювати характеристики всіх елементів системи одночасно, що важливо при визначенні області оптимальних сполучень їхніх фізико-механічних властивостей і режимів взаємодії. Тривимірний підхід істотно підвищує достовірність результатів у порівнянні з відомими рішеннями плоскої задачі. Розроблена комплексна методика визначення питомого зносу і коефіцієнта використання потенційних властивостей алмазних зерен, заснована на експериментальному вимірі їхньої робочої висоти (А.с. №1404892) і теоретичному визначенні об'ємів зруйнованих зерен і НТМ, дозволяє оцінювати ефективність алмазного шліфування НТМ, підбирати оптимальні пари "марка НТМ-марка алмазного зерна" і істотно скоротити обсяг експериментальних досліджень.

Запропонована і реалізована методика лазерного сканування і комп'ютерної обробки топографії робочої поверхні круга і поверхні обробленого НТМ дозволяє досліджувати зміни 3D параметрів субмікрорельєфу окремих алмазних зерен круга, агрегатів НТМ, у комп'ютерному режимі визначати фактичну площу контакту, оцінювати відносну опорну площу поверхні. Приклади лазерного сканування поверхні круга і НТМ подані на рис.1.

а) б)

Рис.1. Топографія обробленої поверхні НТМ (а) і робочої поверхні круга (б). Відносна опорна площа робочої поверхні круга (в).

в)

Запропонований і реалізований кольоровометричний метод обробки фотографій робочої поверхні круга й обробленої поверхні НТМ, отриманих у поляризованому світлі, що дозволяє в комп'ютерному режимі визначати: відносну площу площадок зносу на алмазних зернах, зони крихкого і пластичного руйнування НТМ, відносну площу і довжину дефектів і

мікропорожнин на обробленій поверхні НТМ. Розроблено методику, алгоритми і програмне забезпечення для її реалізації у виді готового програмного продукту.

Розділ 3. У розділі проведено аналіз процесу традиційного алмазного шліфування з метою порівняння пристосовуваності двох надтвердих, але істотно різних по топографії поверхонь: дискретної робочої поверхні круга і квазібезперервної оброблюваної поверхні надтвердого матеріалу. Розкрито закономірності, що не мають місця при алмазному шліфуванні матеріалів звичайної твердості. Обгрунтовано, що ефективність будь-якого процесу алмазного шліфування визначається рівнем пристосовуваності взаємодіючих поверхонь і можливостями зміни цього рівня за рахунок вибору умов шліфування (режими обробки, введення в зону шліфування додаткової енергії і т. д.). Визначено основні складові процесу пристосовуваності: топографічна, структурно-фазова й енергетична в трьох різних її етапах - високо інтенсивному (I), перехідному (II), сталому (III) (рис.2).

Топографічна пристосовуваність характеризується змінами геометричних параметрів топографії робочої поверхні круга та оброблюваного НТМ.

Структурно-фазова пристосовуваність включає аспекти, пов'язані зі зміною структурно-фазового складу і фізико-механічних властивостей поверхневих шарів взаємодіючих елементів системи. Вивчено такі елементи структурно-фазової пристосовуваності, як зміна співвідношення в контакті "твердих" і "м'яких" граней кристалітів НТМ і алмазних зерен, що обумовлені анізотропією властивостей, їхня графітизація й окислювання, міграція металофази до зони контакту.

Рис.2. Складові процесу пристосовуваності

Енергетична пристосовуваність включає енергетичні аспекти еволюції невизначених властивостей системи з погляду мінімізації енергетичних витрат: сили різання, потужності, питомої енергоємності і коефіцієнту шліфування. У процесі енергетичної пристосовуваності відбувається перерозподіл поданої у зону шліфування енергії між елементами системи "НТМ-зерно-зв'язка" Управління процесом пристосовуваності повинно базуватися на керуванні цим розподілом енергії.

Виділено два принципово різних типи взаємодії робочої поверхні круга з оброблюваним НТМ - за участю і без участі зв'язки. Традиційні процеси абразивної обробки реалізуються по першій схемі, а запропоновані нами - по другій, або частково по першій.

Цим двом типам взаємодії елементів відповідають принципово різні аспекти процесу пристосовуваності. При відсутності контакту зв'язки це переважно процеси крихкого мікроруйнування алмазних зерен і припуску оброблюваного НТМ, а при наявності контакту - це переважно термоактивовані процеси. У першому випадку забезпечується висока продуктивність процесу, однак він супроводжується великою питомою витратою алмазних зерен і гіршою шорсткістю обробленої поверхні. Другий випадок характеризується високою розмірною стійкістю круга і кращою шорсткістю поверхні, що робить його потенційно придатним для прецизійних і ультрапрецизіоних процесів шліфування. Розроблена систематика найбільше представницьких складових процесу пристосовуваності при алмазному шліфуванні НТМ (рис.3).

Доведено, що при традиційному алмазному шліфуванні НТМ кругами на металевих зв'язках рівень топографічної пристосовуваності визначається не власне висотою виступання зерен із зв'язки, як вважалося раніше, а відносною величиною фактичної площі контакту. Досліджено вплив анізотропії фізико-механічних властивостей НТМ і алмазних зерен на процес пристосовуваності, обґрунтована необхідність врахування анізотропії властивостей цих матеріалів при визначенні умов їхньої обробки. Висунуто гіпотезу про можливість управління процесом пристосовуваності для ефективного використання переваг кожного його періоду й усього діапазону.

Вивчена динаміка зміни вихідних показників і їхній зв'язок із комплексом з основних дев'ятьох обраних параметрів пристосовуваності. Методом кореляційного аналізу доведено, що визначальний вплив має відносний розмір фактичної площі контакту , що у свою чергу залежить від робочої висоти зерен, ступеня алмазоутримання і пружного заглиблення зерен у зв'язку. Встановлено, що причиною відбракування через появу сітки мікротріщин на поверхні НТМ є масове утворення площадок зносу на алмазних зернах і надмірно велика їхня кількість у контакті зі НТМ. Методом 3D моделювання напружено-деформованого стану системи "кристаліти НТМ–металофаза–зерно-зв'язка" проведено аналіз поводження системи як єдиного цілого в залежності від силового і температурного навантаження, наявності або відсутності змащувально-охолоджуючих середовищ (рис.4).

а) б)

Рис.4. Розрахункова схема моделі (а) і поля щільності енергії деформації в елементах системиб)

Така модель дозволяє визначати умови виникнення невиправних дефектів у НТМ через істотне розходження в коефіцієнтах термічного розширення алмазних кристалітів і металофази при силовому і температурному навантаженні системи. Розглянуто можливість трансформації процесу високопродуктивного шліфування в прецизійний.

Управляти розміром фактичної площі контакту можна двома шляхами: за рахунок вибору умов навантаження системи (режими шліфування) і додаткового примусового керованого впливу на зв'язку круга, але цей підхід обмежений і практично вичерпав свої

можливості. Більш широкі можливості має спосіб, реалізований у даній роботі. На підставі аналізу причин періодичності процесу шліфування НТМ і шляхів її усунення висунута гіпотеза про можливість і ефективність управління процесом пристосовуваності шляхом примусового формування на площадках зносу алмазних зерен розвинутого субмікрорельєфа.

Розділ . Розділ присвячений теоретичним і експериментальним дослідженням процесів мікроруйнування елементів системи "НТМ-зерно-зв'язка" при алмазному шліфуванні. Теоретичний аналіз проведено шляхом 3D моделювання напружено-деформованого стану системи методом кінцевих елементів. Розрахунок 3D напружено-деформованого стану елементів єдиної системи "НТМ-зерно-зв'язка" дозволив у комп'ютерному режимі кількісно визначити напруги і пружні переміщення в елементах, що контактують, у залежності від їхніх фізико-механічних властивостей і умов взаємодії. Визначені об'єм матеріалу зерен і НТМ із закритичними значеннями приведених напруг або енергії деформації, критичний розмір закріплення й величина пружної деформації (вдавлювання) алмазних зерен у зв'язку. Розрахункові схеми різних варіантів взаємодії елементів 3D моделі і результати розрахунку напружено-деформованого стану елементів системи приведені на рис.5. Теоретичні розрахунки в пакеті прикладних програм дозволили визначити об'єми зруйнованих НТМ і алмазних зерен у різних умовах функціонування системи "НТМ-зерно-связка". У табл.1 приведені результати, що дозволяють визначати розмір питомого зносу як відношення об'єму зруйнованих зерен (Vз) до об'єму знятого НТМ.

Таблиця 1

Результати розрахунків об'ємів зруйнованих НТМ і алмазних зерен

Зруйновані об'єми, мм3 Модуль пружності зв'язки Е, ГПа

50 100 150 200

VЗ 0,248 0,365 0,483 0,564

VНТМ 0,117 0,183 0,274 0,383

Кут при вершині зерна ?

30° 60° 90° 120°

VЗ 0,317 0,265 0,113 0,09

VНТМ 0,256 0,183 0,11 0,07

Примітка. Загальні умови: оброблюваний матеріал - АСПК; марка зерна - АС6; концентрація зерен - 100% (4); відносний розмір критичного закріплення зерен екр = 0,5; нормальний тиск Рн = 2,0 МПа; Vкр = 30 м/с.

Доведено, що утворення площадок зносу на зернах на декілька порядків зменшує напруги й енергію деформації в контакті, що і призводить до утворення зносостійкої пари тертя "алмаз-алмаз". Визначено умови, що забезпечують раціональний розподіл енергії, яка подається в зону шліфування, між елементами системи:

Е=ЕНТМ+Езв+Ез, (1)

де Е – енергія, що подається в зону шліфування; ЕНТМ - енергія поглинання НТМ; Езв - енергія поглинання зв'язкою; Ез - енергія оглинання зерном.

Керуючи розміром відносної фактичної площі й умовами навантаження системи "НТМ-зерно-зв'язка" (швидкість, подача, нормальний тиск, введення в зону керування енергії ультразвукових коливань), можна змінювати розподіл поданої енергії між елементами системи. Методика 3D моделювання системи "НТМ-зерно-зв'язка" дозволяє визначати енергію і щільність енергії деформації в кожному елементі системи при різних умовах навантаження і параметрах взаємодії і визначати загальні умови, при яких максимальна частина енергії, що підводиться до зони шліфування, буде спрямована на мікроруйнування НТМ, руйнування алмазного зерна буде мінімальним і крім того буде упереджуватись випадання його із зв'язки. Теоретичними розрахунками визначені оптимальні зони мікроруйнування системи "НТМ-зерно-зв'язка" (рис.6). Аналітичний опис процесу руйнування алмазних зерен і НТМ дозволив без трудомістких експериментів визначити область оптимальних умов шліфування при обробці різних НТМ, у тому числі наново створюваних. Отримано вихідні дані для розробки теоретичного модуля експертної системи процесу алмазного шліфування НТМ.

Розрахунки показали, що в умовах, коли контактують рівнотверді абразивний і оброблюваний матеріали, істотно посилюється роль модуля пружності металевої зв'язки як фактора ефективності мікроруйнування НТМ за рахунок збільшення сили співудару в контакті "зерно-НТМ" (у зоні шліфування) і в контакті "зерно кругу-зерно ударника" (у зоні управління). Навіть незначне його збільшення забезпечує істотне зростання рівня напруг у контакті "зерно-НТМ" і, як наслідок, підвищення ефективності його руйнування.

Позитивний вплив збільшення модуля пружності металевої зв'язки на ефективність взаємного мікроруйнування елементів системи "НТМ-зерно-зв'язка" ілюструється рис 7 .

В результаті розрахунків напружено-деформованого стану 3D моделі системи встановлено, що для підвищення точності теоретичних розрахунків процесів руйнування елементів системи "НТМ-зерно" слід використовувати не усереднені фізико-механічні характеристики, а критичні, тобто найбільш "несприятливі" їхні значення. Розрахунок 3D напружено-деформованого стану системи "НТМ-зерно-зв'язка" дозволив визначити розмір

пружного деформування зерен у зв'язку і критичний розмір їхнього закріплення в залежності від фізико  механічних властивостей і товщини алмазоносного шару. Величина враховується при розрахунку фактичної площі контакту НТМ  зерно.

Рис.7. Вплив модуля пружності зв'язки на ефективність процесу шліфування

Схема процесу шліфування НТМ (периферією чи торцем круга) визначає не параметри зрізу, як це загальноприйнято в кінематичних розрахункових схемах, а характер і силу ударної взаємодії і, отже, механізм взаємного мікроруйнування елементів системи "НТМ–зерно-связка".

Для виявлення позитивних ефектів від введеної у зону шліфування енергії ультразвукових коливань проведені теоретичні й експериментальні дослідження втомлено-циклічного мікроруйнування НТМ і зерен. Показано, що застосування поперечних коливань не тільки сприяє інтенсифікації мікроруйнування припуску, але і сприятливо впливає на процес самозаточування зерен. Для експериментального підтвердження теоретичних розрахунків досліджувався процес мікрорізання поодиноким алмазним зерном в ультразвуковому режимі з поперечними коливаннями. Встановлено число циклів до руйнування НТМ на зернах різних марок. Отримані експериментальні результати підтверджують достовірність теоретичних розрахунків і можуть бути використані при визначенні оптимального складу пар "марка НТМ- марка алмазного зерна" і оптимальних умов обробки різних марок НТМ.

Розділ . У розділі проведено комплексний теоретико-експериментальний аналіз топографічної пристосовуваності робочої поверхні круга й оброблюваної поверхні, заснований на теоретичному описі параметрів топографії робочої поверхні круга і їхньої зміни в процесі його зносу та експериментальній перевірці лазерним топографуванням поверхні.

Встановлено, що анізотропія фізико-механічних властивостей алмазних зерен впливає на інтенсивність їхнього зносу і зміну параметрів РПК у процесі пристосовуваності. Розглянуто питання теоретичного обгрунтування можливості управління розміром фактичної площі контакту. Отримано теоретичні залежності, що описують взаємозв'язок і зміну топографічних параметрів пристосовуваності.

Установивши в розділі 3, що визначальний вплив на інтенсивність і характер взаємного мікроруйнування елементів системи "НТМ-зерно-зв'язка" має відносний розмір фактичної площі контакту, провели теоретичний аналіз ії зміни по мірі зносу круга. Розрахункова схема 3D моделі "зерно-зв'язка" подана на рис.8. Отримано теоретичні залежності для розрахунку та реагування на міру зносу круга зміни таких параметрів, як число зерен (n) і відносна опорна площа поверхні (tPs) в залежності від зернистості круга, концентрації, властивостей зв'язки, ступеня зносу круга, робочої висоти зерен і критичного розміру їхнього закріплення в зв'язці:

(2) , (3)

де Sз - середня площа перетину зерна; hр- робоча висота зерен; hкр - критичний розмір закріплення зерен в зв'язці; lз – розмір зерна; К – концентрація зерен .

Ці залежності використані при розробці теоретичного модуля експертної системи процесу шліфування НТМ.

Встановлено, що відносна опорна площа зерен на робочій поверхні круга із 100% концентрацією зерен при відсутності контакту зв'язки з оброблюваним матеріалом не може перевищувати 20 %, що розмір відносної опорної площі поверхні, обумовлений розміром фактичної площі контакту, залежить не тільки від висоти виступання зерен, але і від критичного розміру їхного закріплення в зв'язку.

Експериментальне вивчення параметрів поверхні при її топографуванні здійснювалося методом лазерного сканування робочої поверхні круга. Одна з найважливіших переваг даного методу - можливість у 3-х мірному варіанті і комп'ютерному режимі аналізувати динаміку зміни такого важливого для досліджуваного процесу параметра, як відносна опорна площа поверхні. Розроблено методику двохетапного визначення фактичної площі контакту. На першому етапі розраховується фактична площа контакту круга з НТМ на макрорівні через відносну опорну площу поверхні, а потім, прийнявши її за контурну, застосовуючи модернізовану методику розрахунку параметрів дискретної відносної опорної поверхні РПК (b и g), проводили розрахунок фактичної площі контакту на мікрорівні "НТМ-мікрорельєф зерен" за відомими залежностями Н.Б.Дьомкіна і І.В.Крагельского При цьому в якості характеристики жорсткості системи використовувався модуль пружності металевої зв'язки. Розрахункові схеми приведені на рис.9.

а) б) в)

Рис.9. Розрахункові схеми контакту елементів "НТМ-зерно-зв'язка":

а - розрахункова схема; б - на макрорівні; в - на мікрорівні.

Розроблено методику теоретичного визначення параметрів топографії круга (b і ) з урахуванням її дискретності, засновану на штучній заміні дискретної поверхні круга - суцільною. Параметри b і визначені теоретично:

(4)

(5)

Радіус округлення вершин алмазних зерен дорівнює:

, (6)

де позначення відповідають (2).

Встановлено, що в процесі топографічної пристосовуваності фактична площа контакту може змінюватися на декілька порядків, відповідно буде змінюватися і питомий тиск у контакті алмазних зерен із НТМ і, отже, характер і інтенсивність їхнього взаємного руйнування.

Теоретично обґрунтовано й експериментально доведено положення про те, що концентрація алмазів у крузі, робоча висота зерен і критична глибина їхнього закріплення в зв'язці є взаємозалежними найважливішими чинниками процесу алмазного шліфування НТМ. Зменшення концентрації алмазів у крузі до рівня 5-20% із відповідним зменшенням робочої висоти зерен до рівня мікронерівностей зв'язки і збільшенням модуля її пружності не приводить до погіршення вихідних показників алмазного шліфування НТМ, тому що розмір фактичної площі контакту РПК із НТМ залишається незмінним, але істотно знижується питома витрата і собівартість обробки, підвищується ступінь використання алмазних зерен. Ця інформація використана в теоретичному модулі експертної системи (розділ 7).

Розділ . У розділі розроблена методологія керованого процесу шліфування і на її основі розроблені способи обробки з комбінованим управлінням пристосовуваністю.

Головною причиною топографічної пристосовуваності при алмазному шліфуванні НТМ є масове утворення на зернах площадок зносу, тому підвищення ефективності процесу можливо шляхом примусового формування на них ріжучого субмікрорельєфу. Сформувати його можна або в зоні ультразвукового шліфування в процесі взаємодії алмазних зерен з оброблюваним НТМ і/або в автономній зоні управління за допомогою впливу на площадки зносу надтвердим інструментом-ударником в режимі ультразвукових коливань. Ефективним виявився спосіб ультразвукового шліфування не з подовжніми коливаннями, як це традиційно прийнято для поліпшення якості обробки, а з поперечними, що створюють додаткові ударні навантаження в контакті "зерно-НТМ", а це з одного боку інтенсифікує процес знімання припуску, а з іншого - забезпечує процес формування на площадках зносу зерен ріжучого субмікрорельєфу. Комбіноване управління пристосовуваністю засновано на дозуванні видалення зв'язки електроерозійним або електрохімічним способом і примусовим формуванням на зернах субмікрорельєфу. Схема реалізації способів ультразвукового алмазного шліфування з комбінованим управлінням подана на рис.10.

Основною перевагою розроблених способів шліфування є підвищення коефіцієнта використання коштовних алмазних зерен за рахунок вибору круга з мінімальною концентрацією, забезпечення оптимальної робочої висоти виступання зерен із зв'язки, примусового вдавлювання їх у зв'язку, формування на них ріжучого субмікрорельєфу в зоні управління і використання максимально міцних металевих зв'язок.

Розроблений і реалізований алгоритм визначення умов бездефектного як продуктивного так і прецизійного шліфування, заснований на виборі оптимального навантаження на поодиноке алмазне зерно шляхом комплексного управління субмікрорельєфом на площадках зносу алмазних зерен. Запропонована теоретико-експериментальна модель примусового формування субмікрорельєфу на зернах алмазного круга, що ввійшла в якості підсистеми управління в розроблену експертну систему процесу шліфування.

Робоча поверхня інструмента-ударника являє собою шар з НТМ товщиною 2-3 мм із дрібними і міцними алмазними зернами на металевій зв'язці. Зернистість ударника повинна бути в 2-3 рази менше за зернистість круга, марка зерна максимально міцна (наприклад, АС160Т, КIC ? 10 МПа/м1/2). Викривлення поверхні ударника із-за зношення усувається періодичною правкою безпосередньо в процесі шліфування шляхом умикання зворотної полярності в зоні управління. Розроблені способи дозволяють у 1.4-2.0 рази підвищити продуктивність (за рахунок усунення періодичності процесу), поліпшити якість обробки і скоротити вибраковування при заточуванні інструмента із НТМ (шляхом трансформації процесу з продуктивного в прецизійний), знизити собівартість обробки за рахунок застосування кругів зниженої концентрації і підвищення коефіцієнта використання потенційних ріжучих властивостей алмазних зерен. (А.с. №1085146, №1519017).

Рис.10. Схема управління процесом пристосовуваності

Для регулювання інтенсивності керуючого впливу на пристосовуваність взаємодіючих елементів "НТМ-зерно-зв'язка" запропонована адаптивна система управління, в якій у якості керуючого сигналу використовується розмір струму електризації при терті площадок зносу алмазних зерен круга з оброблюваним НТМ. Для реалізації комбінованого управління субмікрорельєфом алмазних зерен при шліфуванні розроблені спеціальні катодні пристрої й інструменти-ударники (А.с.№1103975, №1009685, №1103976).

Для керованого процесу шліфування розроблено матеріал абразивного круга, що містить оптимальну концентрацію алмазних зерен у металевій зв'язці на основі заліза (А.с. №1148761). Застосування залізовмісних металевих зв'язок у керованому процесі шліфування НТМ забезпечує сумарний позитивний ефект за рахунок підвищення коефіцієнта використання зерен на 30-50% і інтенсифікації термоактивного доведення ріжучих елементів лезового інструмента з НТМ за рахунок хімічної спорідненості заліза і алмазу.

Розділ . Розділ присвячений розробці експертної системи процесу алмазного шліфування НТМ. Експертна система складається з двох взаємозалежних модулів – теоретичного і експериментального. Теоретичний і експериментальний модулі експертної системи вирішують як самостійні задачі, так і доповнюють один одного. База даних експертної системи містить інформацію щодо характеристик алмазних кругів, фізико-механічних властивостей різних марок алмазних зерен і оброблюваних НТМ. Структурно-логічна схема алгоритму функціонування експертної системи подана на рис.11.

У теоретичному модулі розрахунок об'ємів зруйнованих НТМ і алмазних зерен ведеться так: якщо навантаження в контакті "зерно-НТМ" достатні для їхнього мікроруйнування при одноактній взаємодії, розрахунок ведеться за методом кінцевих елементів; якщо навантаження не достатнє - вирішується втомлено-циклічна контактна задача з використанням методики розрахунку, запропонованої М.В.Новіковим. За числом циклів навантаження і за розміром критичної тріщини руйнування розраховується продуктивність шліфування Q:

; (7)

; (8)

де dКР - діаметр круга; SФ - фактична площа контакту; nКР – частота обертання круга, об/хв. ; dНТМ - діаметр НТМ; tPs - відносна опорна площа поверхні РПК; n - число