Введение к работе
Актуальность работы. Алмазно-абразивные режущие инструменты на полимерных матрицах составляют более половины от общего потребления алмазного инструмента при обработке различных материалов, в основном металлов и сплавов, используемых в машиностроении. Алмазоносный слой этих инструментов – это инструментальный алмазосодержащий композит, представляющий собой матричную систему, в которой связующее является непрерывной фазой, а зерна алмазов распределены в ней в виде включений. Исследования и опыт эксплуатации алмазно-абразивных инструментов показывают, что уникальные свойства алмаза как инструментального материала, используются крайне неэффективно, так как большая часть алмазов выпадает из матрицы, не достигая значительного износа. Для алмазосодержащих инструментальных композитов на полимерной матрице проблема осложняется ещё и низкой теплостойкостью полимера, так как прочность алмазоудержания в значительной мере определяется его термовязкоупругими свойствами.
Исходя из изложенного, в структуре инструментальных алмазосодержащих композитов можно выделить систему алмаз – переходный слой – матрица, процессы в которой в значительной степени определяют эксплуатационные свойства этих материалов. Выделение переходного слоя на границе алмаза и матрицы, формирующегося в процессе изготовления инструмента, как отдельного элемента, связано с его существенным влиянием на алмазоудержание. Раскрытие явлений в системе алмаз – переходный слой – матрица при действии силовых и температурных факторов позволяет определить эффективные пути повышения работоспособности алмазно-абразивных инструментов.
Основная цель работы – разработка математического и программно-алгоритмического обеспечения и численное моделирование температурного поля и напряженно-деформированного состояния алмазосодержащих инструментальных композитов на полимерной матрице.
Поставленная цель определила необходимость решения следующих задач:
разработка математической модели и программно-алгоритмического обеспечения для конечноэлементного моделирования нестационарного температурного поля системы алмаз – переходный слой – матрица;
разработка математической модели и программно-алгоритмического обеспечения для конечноэлементного моделирования напряженно-деформированного состояния системы алмаз – переходный слой – матрица при силовых и тепловых возмущениях;
численное моделирование температурного поля системы алмаз – переходный слой – полимерная матрица;
численное моделирование напряженно-деформированного состояния системы алмаз – переходный слой – полимерная матрица при силовых и тепловых возмущениях;
численное моделирование нестационарного теплового процесса в системе алмаз – переходный слой – полимерная матрица.
Научная новизна полученных результатов заключается в:
разработанной нелинейной математической модели температурного поля и напряженно-деформированного состояния в системе алмазное зерно – переходный слой – полимерная матрица;
установлении влияния теплопроводности матрицы, переходного слоя и его толщины на температурное поле в системе алмазное зерно – переходный слой – полимерная матрица;
теоретическом анализе напряженно-деформированного состояния в системе алмазное зерно – переходный слой – полимерная матрица при тепловых возмущениях и установлении зависимости напряжений от материала покрытия, теплопроводности матрицы и коэффициентов теплового расширения матрицы и переходного слоя;
результатах моделирования напряженно-деформированного состояния в системе алмазное зерно – переходный слой – полимерная матрица при действии силовых и температурных возмущений.
теоретическом анализе нестационарного теплового процесса в системе алмазное зерно – переходный слой – полимерная матрица и установлении влияния на него наиболее существенных факторов – теплофизических свойств матрицы и теплоотдачи во внешнюю среду.
Практическая значимость работы заключается в:
программно-алгоритмическом обеспечении расчётов температурного поля и напряженно-деформированного состояния в системе алмазное зерно – переходный слой – полимерная матрица при силовых и тепловых возмущениях;
рекомендациях по выбору физических свойств матрицы и переходного слоя, обеспечивающих снижение температур, напряжений и деформаций в инструментальных алмазосодержащих композитах;
установленных закономерностях перехода нестационарного температурного поля в стационарный, позволяющих оптимизировать режимы эксплуатации алмазных инструментов на полимерной матрице.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены:
на Международных научно-технических конференциях: «Наука, техника и технология XXI века» (Нальчик, 2007 г.); «Компьютерное моделирование 2008» (Санкт-Петербург, 2008 г.); «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2010, 2011 годы);
на Всероссийских научно-технических конференциях: «Наука, техника и технология нового века» (Нальчик, 2003, 2005 годы); «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2005 г.).
Публикации. Основные результаты исследований изложены в 10 научных работах, из которых одна – в рецензируемом журнале.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и четырёх глав, выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 18 таблиц и список литературы, включающий 90 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность доктору физико-математических наук, профессору, заведующему кафедрой вычислительной математики КБГУ Шханукову-Лафишеву Мухамеду Хабаловичу за помощь и научную консультацию при выполнении диссертационной работы.
