Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ сведений о процессах и механизмах алмазного микрорезания (шлифования) 9
1.1. Микрорезание - основа процесса шлифования 9
1.2. Алмазно - абразивные инструменты (строение, структура, макротопология и рельеф их рабочей поверхности) 24
1.3. Состояние элементов рабочей поверхности инструмента 33
Выводы, постановка цели и задач исследований 38
2. Методики и средства исследований процесса дискретного скоростного микрорезания 42
2.1. Общая методологическая основа работы 42
2.2. Метод определения импульса силы при дискретном микрорезании 43
2.3. Особенности конструкции экспериментальной установки 49
2.4. Исследуемые материалы и условия проведения экспериментов 52
2.5. Метод определение контактных напряжений на границе системы зерно-связка 56
2.6. Идентификация параметров шлифовочных рисок 58
Выводы 65
3. Особенности моделирования процессов микрорезания на разных уровнях дискретности резания 68
3.1. Абразивное пространство как особая форма совокупностей 1 УДР 70
3.2. Модель кинематики абразивного зерна при единичном микрорезе и особенности этого процесса 82
3.3. Модель, кинематика взаимодействия и особенности процессов второго уровня дискретности резания 91
3.4. Особенности процесса третьего уровня дискретности резания 108
Выводы 124
4. Исследование механики и контактных процессов взаимодействия при микрорезании хрупких неметаллических материалов 126
4.1. Закономерности процесса микрорезания хрупких неметаллических материалов 126
4.2. Исследование характера разрушения поликристаллических и аморфных материалов при скоростном алмазном микрорезании 136
4.3. Влияния элементов режима резания на характер образования микрорисок на поверхностях неметаллов 143
4.4. Взаимосвязи сил резания при шлифовании и импульса сил микрорезания 155
4.5. Показатель обрабатываемости материалов при микрорезании 158
Выводы 162
5. Применение результатов исследований 164
5.1. Общие технологические рекомендации 164
5.2. Примеры использования результатов исследований в технологических процессах 167
Основные результаты работы и выводы 174
Литература 176
Приложения 185
- Алмазно - абразивные инструменты (строение, структура, макротопология и рельеф их рабочей поверхности)
- Идентификация параметров шлифовочных рисок
- Особенности процесса третьего уровня дискретности резания
- Влияния элементов режима резания на характер образования микрорисок на поверхностях неметаллов
Введение к работе
Актуальность темы. Среди финишных процессов механической бработки существует специфичная область абразивного шлифования хрупких еметаллических материалов. Материалы типа поликристалличёские эрячепрессованные ферриты; спечённая керамика, ситаллы, поликор и морфные стёкла имеют повышенную прочность и хрупкость, а также малую гплопроводность и особую структуру, поэтому единственно эффективным пособом формообразования плоских и фасонных поверхностей деталей из гих неметаллов является алмазная обработка шлифованием.
Появившиеся в последние годы работы указывают на необходимость ассматривать процессы и явления в зоне обработки, как сложную іногоуровневую техническую систему деталь-инструмент-среда (ТС ДИС). азой такого системного подхода к процессам шлифования является концепция ктивного рабочего пространства с его атрибутами и принципы дискретности езания. При этом основой большинства процессов абразивной обработки вляется микрорезание связанным зерном, которое определяет явления, іротекающие в зоне контактного взаимодействия ТС ДИС, характер азрушения обрабатываемого материала, влияет на технологические параметры [ участвует в формировании качества обработки.
Известные данные по микрорезанию пластичных материалов не могут !ыть однозначно перенесены на процессы обработки хрупких неметаллических V іатериалов, в том числе из-за совершенно иной механики поверхностного іазрушения, особенно при алмазном шлифовании. Отдельные попытки (сследования процессов микрорезания керамики и стёкол не привели к іесомьш результатам. Поэтому до сих пор при создании рекомендаций по іьібору шлифовальных инструментов и условий их эксплуатации практически іе учитывали основополагающие явления, являющиеся базой для всех уровней шскретности резания (УДР), то есть явления, присущие микрорезанию. Это іегативно сказывалось на получении требуемого качества обработки.
Для решения проблемы повышения качества шлифованных поверхностей срупких неметаллических высокопрочных материалов актуальным является «следование процессов, механизмов и явлений, происходящих при алмазном шскретном микрорезании-шлифовании связанным зерном. При этом важно ісследовать роль процесса дискретного микрорезания в функционировании технической системы ТС ДИС. Особенно это актуально для изучения работоспособности шлифовальных кругов с прерывистой рабочей юверхностью (ПРП). Опираясь на знания о состоянии рабочих поверхностей инструментов с ПРП и с непрерывной рабочей поверхностью, можно по новому эешать вопросы выбора эффективных шлифовальных инструментов, максимально используя их абразивные свойства для получения качественных поверхностей деталей из неметаллов.
Работа выполнялась на кафедрах «Прикладной механики» Воронежского государственного аграрного университета и «Технология электронного машиностроения» Воронежского государственного технического университета
по координационным планам ГК по высшему образованию на 1995-2000 г г. и соответствии с разделом программы «Черноземье».
Цель работы. Получение бездефектных поверхностей неметаллически материалов на основе выявленных закономерностей механики микрорезани связанным зерном, присущих работе шлифовальных инструментов разны: уровней дискретности резания.
Задачи работы.
1. Исследовать механику и установить закономерности взаимодействи.
алмазного микрорезца (зерна) с поверхностью хрупких неметаллически;
материалов при дискретных резах.
2. Определить взаимосвязи технологических показателей процесс:
микрорезания с работой шлифовальных инструментов различных уровнеї"
дискретности резания, провести математическое моделирование этих процессої
и установить рациональные условия применения инструмента с непрерывной и
прерывистой рабочей поверхностью при плоском шлифовании.
-
Экспериментально исследовать процессы скоростного дискретного микрорезания-шлифования неметаллических материалов; их динамические показатели; установить особенности характера разрушения хрупких материалов; определить закономерности и влияние технологических факторов на качество обрабатываемой поверхности детали.
-
Разработать рекомендации по выбору алмазных инструментов для шлифования труднообрабатываемых хрупких материалов, основанные на выявленных закономерностях и механики микрорезания, с целью получения малонарушенного поверхностного слоя деталей; провести промышленную апробацию.
Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач использовали основы теории резания (шлифования), механики, физики, теории разрушения материалов, математического моделирования, математической статистики и планирования эксперимента, а также других областей знаний.
Научная новизна. Созданы математические модели процессов микрорезания и шлифования алмазными инструментами, основанные на механике взаимодействия с. деталью единичных рабочих зёрен и их совокупности в форме кругов со сплошной и прерывистой рабочими поверхностями разных уровней дискретности резания.
Для ферритов, керамики и стёкол определены взаимосвязи, опытно подтверждены и математически описаны зависимости составляющей силы резания процесса плоского шлифования от импульса силы дискретного микрорезания.
Теоретически обоснована высокая режущая способность алмазных зёрен, работающих в режиме массового микрорезания на фронтальной поверхности выступов шлифовальных инструментов с прерывистой рабочей поверхностью.
Используя предложенный коэффициент интенсивности зонного хрупкого разрушения, предложена классификация видов дискретных резов, являющихся основой для оценки характера разрушения и управления разрушением поверхностей хрупких неметаллических материалов.
Практическая ценность. Предложен^ эффективный способ и устройство (я определения закономерностей процесса микрорезания и изучения ірабатьіваемости любых материалов посредством дискретного резания атент РФ № 2105960), с использованием импульса сил микрорезания, что ізволяет создавать технологические процессы финишной обработки металлов с учётом этого динамического параметра, и способствует лучению малонарушенных шлифованных поверхностей.
Установленные механизмы воздействия алмазных зёрен на поверхности ликристаллических и аморфных материалов при разных уровнях скретности резания позволяют: формировать требования к шлифовальным угам с заданной макротопологией; разрабатывать рекомендации по циональным условиям эксплуатации инструментов и управлять процессом ёма припуска, обеспечивая получение высококачественных деталей.
Созданные обобщённые физические и математические модели процессов крорезания и шлифования инструментами с прерывистой и сплошной эочей поверхностью позволяют управлять процессом обработки путём значения оптимальных характеристик и выбором рациональных режимов сокопроизводительного плоского шлифования, а также и унифицировать гали из хрупких неметаллических материалов.
Реализация полученных результатов. Научные и практические разработки адрены в технологические процессы шлифования труднообрабатываемых гериалов. Использование предложенных рекомендаций по выбору алмазных лрументов, назначению рациональных режимов шлифования, основанных учёте импульса силы микрорезания при обработке позволило повысить эизводительность на 12-18 %, улучшить качество поверхности деталей по )аметрам микрогеометрии и уменьшить величину нарушенного слоя, что :спечило получение экономического эффекта 12,6 тыс. руб. на Воронежском нкозаводе и 45,3 тыс. руб. на заводе ВЭЛТ (г. Воронеж).
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и :уждались на Международной научно-технической конференции «Теория и іктика машиностроительного оборудования» ВГТУ (Воронеж, 1996), на крегиональной научно-практической конференции молодых учёных и циалнстов ВГАУ (Воронеж, 1997), на ежегодных научных конференциях іфессорско-преподавательского состава, на кафедрах и семинарах в ВГТУ 5ГАУ (Воронеж, 1995-2000 гг.).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, овных выводов, списка используемых литературных источников наименований) и приложения. Она содержит 183 страницы основного ста, 40 рисунков, 5 таблиц.
Алмазно - абразивные инструменты (строение, структура, макротопология и рельеф их рабочей поверхности)
Для управления процессом обработки, обеспечения высокого качества шлифуемых деталей и эксплуатационных свойств обработанных поверхностей необходимо знать закономерности формирования качества обработки. Важное влияние на распределение элементов рельефа на режущей поверхности оказывает макротопология используемого абразивного инструмента.
Исследования в этом направлении позволяют определить рациональное количество абразивных зёрен, которое необходимо для участия в процессе формообразования и создания требуемого качества поверхности детали. Для этого необходимо провести или точное измерение (что весьма затруднительно), или моделирование рабочей поверхности инструмента на уровне элементарных режущих профилей. Более того, необходимо также оценить совокупное влияние рельефа, режимов резания и характеристик инструмента на процесс шлифования. В итоге можно будет дать рекомендации по проектированию и изготовлению шлифовальных инструментов, способам правки, а также режимам и условиям обработки. Это сложный, но рациональный общий алгоритм работы.
Рельеф обработанной поверхности детали можно рассматривать как производную от рельефа рабочей поверхности абразивного инструмента [78]. Число единичных рисок, на обработанной поверхности определяется числом контактов единичных формообразующих элементов и вероятностью участия каждого абразивного элемента в формировании конечного профиля поверхности. Следовательно, формообразование поверхности, в значительной степени, зависит от геометрии рабочей (режущей) части абразивных зёрен, распределении и ориентации режущих элементов в абразивном пространстве, их количества зёрен на рабочей поверхности инструмента, режимов и условий обработки.
Для установления количества зёрен на заданном участке поверхности алмазно-абразивных инструментов разработано и широко применяются множество эффективных методик.
Анализ литературных данных показывает, что наиболее распространённым методом исследований рельефа алмазно-абразивных инструментов является профилографирование режущей поверхности.
П. И. Ящерицыным [94] установлено, что количество режущих зёрен на рабочей поверхности абразивного инструмента в зависимости от давления на инструмент составляет 4-17 % от общего числа зёрен в круге. Опыты по оценке количества активных рабочих кромок показали, что в процессе резания принимает участие 10 % абразивных зёрен, 12 % производит давление, а 78 % зёрен режущего рельефа не контактируют с обрабатываемой поверхностью (находятся в стадии ожидания).
При моделировании форм и геометрии абразивных зёрен авторами работ [3, 42, 54, 73, 91] предлагаются подходы, связанные с наличием ряда допущений. Принятые допущения позволяют перейти к моделям режущих зёрен, имеющим чёткое математическое описание и теоретически определить законы их расположения в связке инструмента.
По мнению авторов [54] наилучшее приближение даёт аппроксимация вершин абразивных зёрен в виде параболоида вращения или поверхности нормального распределения. Близкую аппроксимацию можно получить в виде наложения ряда призм или цилиндров, размеры и количество которых устанавливаются расчётно-экспериментальным методом.
Известен подход [3], где поперечное сечение абразивного зерна представлено в виде неправильного многоугольника, полученного из геометрической фигуры (ромба или параллелограмма), в результате скола у / них одной или нескольких вершин.
А. В. Королёв [24] для построения наиболее близкой эквивалентной модели, способной заменить зёрна проектируемого инструмента, применял методику наложения фотопроекций 100 зёрен друг на друга путём совмещения центров и больших диагоналей зёрен. В ходе реализации данной методики из массы зёрен получен фотоотпечаток формы эллипса.
А. К. Байкалов [3] полагает, что за эквивалентную форму зерна следует принять форму шара, считая все его точки рабочей поверхности режущими кромками.
Анализ работ по моделированию единичных режущих элементов показал наличие большого количества расчётно-математических форм и средств описания режущих элементов. Однако, наиболее важное практическое значение имеет создание модели режущей части абразивных зёрен, принимающей непосредственное участие в процессе резания.
П. И. Ящерицын и А. Г. Зайцев установили, что значения углов заострения режущей части алмазно-абразивных зёрен с увеличением номера зернистости незначительно возрастают. Наибольший процент острых углов имеют синтетические алмазы, а значения острых углов при вершине зёрен эльбора больше чем у синтетических алмазов, но меньше чем у других видов абразивных зёрен [91]. Основные параметры алмазных зёрен различных видов, представлены в табл. 1.1.
Для определения геометрии режущей части абразивных зёрен М. Мацуи [97] производил царапание рабочей поверхностью шлифовального круга полированной поверхности образцов из латуни. Анализ профилограмм позволил получить частотность распределения углов при вершине режущих кромок абразивных зёрен. Полуугол при вершине распределяется в интервале 66 - 88 , а его среднее частотное значение распределения составило 80.
Важным этапом проектирования шлифовального инструмента является создание модели рабочей части участков инструмента с учётом расположения в них абразивных зёрен, принимающих непосредственное участие в процессе резания. В. И. Островский считает, что задачу размещения абразивных зёрен, как геометрических объектов в объёме шлифовального круга, можно рассматривать, как разновидность обшей статистической задачи расположения объектов фиксированных случайных размеров в заданном объёме пространства [42].
По мнению А. К. Байкалова в зоне контактного взаимодействия абразивного инструмента с обрабатываемым материалом действует закон распределения Пуассона, а для описание распределения зёрен по глубине матрицы абразивного инструмента целесообразно использование параболического закона [3].
Автором работы [42] в результате обработки экспериментальных данных построены гистограммы распределения четырёх случайных аргументов, характеризующих рельеф круга, отмечено, что экспериментальные гистограммы наилучшим образом аппроксимируются законом логарифмически - нормального распределения. Отметим ещё одно обстоятельство. Специфика алмазно-абразивных инструментов состоит в том, что государственные стандарты не регламентируют параметры режущей части, а только характеризуют внутреннее показатели - зернистость, твёрдость и структуру матрицы. Поэтому одной из задач исследований может быть установление закономерностей влияния регламентированных параметров на макротопологию рабочей поверхности шлифовальных инструментов. По нашему мнению, определённую роль в этом могут сыграть проведение исследований процессов скоростного микрорезания, направленных на изучение макротопологии инструментов, работающих при разных уровнях дискретности резания.
Идентификация параметров шлифовочных рисок
Формирование микротопологии шлифованной поверхности осуществляется в результате совокупного воздействия многих абразивных зёрен - микрорезцов поверхности инструмента по поверхности детали. Поэтому важное значение приобретает анализ факторов, влияющих на тип, форму и размеры микрорезов или шлифовочных рисок.
В «идеальных» условиях резания, полученная на детали риска должна соответствовать геометрическому следу микрорезца или абразивного зерна, а объём риски - объёму материала стружки (это чистый срез [40]), но в реальных условиях они несколько отличаются друг от друга. Поэтому предлагаем полученные в процессе микрорезания всевозможные микропрофили и риски поверхности детали идентифицировать по определённой системе параметров микрорельефа рисок, отражающих характер дискретных микрорезов.
Пластичные материалы. Рассмотрим особенности контактного взаимодействия микрорезца или абразивного зерна с пластичным материалом. В результате внедрения, например, алмазного индентора в поверхность обрабатываемой детали осуществляется пластическое деформирование и сдвиг микрослоёв материала. Увеличение глубины внедрения микрорезца в деталь сопровождается образованием навалов впереди и по боковым сторонам алмазного индентора. Дальнейшее движение режущего элемента обеспечивает частичное удаление материала из зоны резания в виде стружки сегментообразной формы [25]. Однако при этом некоторая часть пластически деформированного материала остаётся в зоне резания и распределяется по краям микрореза в виде навалов различной формы. Количество пластически деформированного по краям микрореза материала зависит от свойств обрабатываемых материалов и скорости протекания процесса микрорезания.
Обычно навалы по краям микрореза состоят из слоев «полуразрушенного» материала с большим количеством трещин, надрывов и характеризуются низкими показателями прочности и твёрдости [23]. Можно предположить, что увеличение объёма вытесненного в виде навалов материала, оказывает влияние на рабочий рельеф алмазно-абразивных инструментов (например, способствует засаливанию инструмента). Это приводит к ухудшению качества обрабатываемой поверхности, в том числе, увеличивает шероховатость и наклёп. Появляются дефекты, обусловленные увеличением температурных воздействий на структуру материала детали.
Поэтому при исследованиях параметров рельефа рисок пластичных материалов важна количественная оценка навалов пластически деформированного микрослоёв материала по краям шлифовочных канавок-рисок.
В работах [37, 26, 40] затронут вопрос поиска критерия оценки навалов по краям микрорисок. В качестве основного критерия предлагается использовать коэффициент стружкообразования равный соотношению объёма навалов к объёму микростружки. Однако прямая экспериментальная оценка по предложенному критерию затруднительна, что связано со сложностями точного определения объёма микростружки. Тем более что стружкам свойственна большая усадка.
Размеры навалов пластичного материала, вытесненного на краях микрорисок, измеряли, используя микроскоп МИМ-7. Измеряли и фиксировали основные параметры микрорельефа риски (ПМР). Предварительные эксперименты по оценке геометрии шлифов поперечного сечения рисок и результаты наблюдения в микроскопе показали, что в диапазоне скоростей резания 30-50 м/с, распределение пластичного материала с внешней стороны навалов наиболее приближено по геометрии к форме, указанной на рис. 2.7. Такая геометрия навалов с внешней стороны микрориски свидетельствует об особом механизме стружкообразования при скоростном микрорезании.
Для расчёта параметров микрорельефа материала с пластичным характером его течения рассмотривали профиль поперечного сечения микрошлифа, рис.2.7.
Условимся, что все дальнейшие рассуждения касаются областей наибольших размеров риски. Как правило, это средняя часть любой риски, причём протяжённость этой части обычно не превышает 30-40% от длины всей риски. Итак, расчёты относятся к наибольшим размерам площади сечения риски, а максимальные размеры навалов пластически выдавленных слоев материала определяли в средней области риски.
Приняты следующие обозначения измеряемых величин: t - наибольшая глубина микрорезания, где AjO = t ; А =tcosa; AB = b. Величина 2b является наибольшей шириной риски. Размер с характеризует величину от наибольшего выступа валика до границы между плоскостью поверхности образца-детали и слоями пластически деформированного материала. Угол є/2 - половина угла при вершине алмазного индентора.
Предложенная методика позволяет достаточно точно оценить процентное соотношение навалов микрореза. Хотя этот показатель имеет больше теоретическое, чем практическое значение.
Хрупкие материалы. Исследования характера разрушения хрупких материалов при контактном взаимодействии микрорезца (алмазных зёрен) с поверхностью образцов показали, что рельеф рисок сложный. Он характеризуется двумя разнородными по структуре зонами разрушения. Природа формирования первой зоны сходна с пластичным разрушением, в результате которого профиль поперечного сечения риски близок к профилю абразивного зерна (микрорезца). В основе механизма образования зоны второго вида лежит хрупкое разрушение, с характерным выкрашиванием конгломератов зёрен материала детали. В ряде случаев наблюдали сколы в форме крупных блоков. Это зоны интенсивного хрупкого разрушения.
По нашему мнению формы и зоны разрушения материала детали следует классифицировать. При этом особое внимание надо уделить зоне интенсивного хрупкого разрушения. Она образуется от фронта трещин [48], возникающих в процессе разрушения и связана с трещиноватым слоем, имеющимся на детали после обработки. Для хрупких материалов, трещины являются фактором, оказывающим наибольшее влияние на формирование дефектного слоя и микрорельефа обрабатываемой поверхности, т.е. на качество всего поверхностного слоя.
Для определения предельно допустимых режимов обработки справедливо условие, что наибольшая величина зон интенсивного разрушения (ИР) не должна превышать определённых значений параметров поверхностного слоя, т.е. существуют критические значения геометрических параметров зон ИР, и есть требования к величине приповерхностного трещиноватого слоя.
Особенности процесса третьего уровня дискретности резания
При исследовании процесса 2 УДР предполагаем, что абразивное пространство, непрерывное в трёх координатах (хотя и ограничено контуром инструмента), представляет собой совокупность бесконечно чередующихся режущих контуров, расположенных последовательно друг за другом на всей рабочей поверхности. Однако в реально работающем инструменте режущий поверхностный слой представляет собой более сложный профиль. Даже, если его представить каким-то идеализированным контуром, описывающим микротопологию и спрофилированном, например, по направлению скорости резания, то это будет поверхность волнистой формы. Обстоятельные исследования, представленные в работах [3, 54] и других, указывают на то, что шлифовальный инструмент изнашивается неравномерно. Его периферийная рабочая поверхность (в направлении по окружности) имеет форму цилиндра со значительными отклонениями от цилиндричности. Кромки рабочей поверхности также имеют значительные изменения формы. Они представляют собой поверхности с большими радиусами округления или ярко выраженные скосы. Более того, после длительной работы практически все шлифовальные круги имеют поверхность с заметной волнистостью, причём её шаг зависит от свойств связки и зёрен инструмента, от условий контактного взаимодействия и физико-механических свойств обрабатываемого материала. Природа износа РП шлифовальных кругов сложна, так как при обработке одновременно протекают процессы адгезионного, абразивного, диффузионного и других видов износа. В зависимости от условий контактного взаимодействия любой из видов износа, включая окислительные и гидродинамические процессы разрушения, может быть преобладающим, что во многом определяет форму и вид рабочей поверхности инструмента.
Непрерывная или сплошная рабочая поверхность обеспечивает высокое качество поверхности детали. Но при тонком шлифовании, т. е. при малом съёме припуска малозаглубляющимися в тело детали абразивными зёрнами, производительность невелики. Высокому качеству обработки способствует тот фактор, что абразивные зёрна, достаточно выступающие над поверхностью связки, снимая микростружки, дополнительно разрушают шлам в своих «карманах», образующихся как между соседними зёрнами, так и в полостях связки. При движении с высокими скоростями поверхности инструмента и детали, между ними образуется активная подвижная система [70], которая дополнительно воздействует на деталь и инструмент, разрушая их. Высокие локальные температуры и давления создают активные области и зоны, где разрушения наибольшие. В этих местах на инструменте могут образовываться, так называемые, ямки [58]. Чередующиеся по всей рабочей поверхности ямки преобразуют РП работающего инструмента в режущую микротопологию с выступами и ямками, т. е. реально имеем как бы не совсем сплошную РП. Если учесть биение, вибрацию и иные колебательные процессы, то получается, что при периферийном шлифовании рабочая поверхность преобразуется в неявно выраженную поверхность с прерывистым характером резания.
У торцевого чашечного шлифовального инструмента рабочая поверхность также имеет сложный профиль. Причём из-за больших сил, температуры шлифования и давления, сопровождающих торцевое шлифование, рабочая поверхность чашечного круга более сложна, чем РП инструмента с периферийной рабочей частью. Но в обеих случаях, в результате совокупности движений вращения и продольной подачи, особенностей износа под действием процессов контактного взаимодействия на инструменте образуется, так называемый, кинематический заборный конус с углом ФЗАБ и протяжённостью образующих сторон ЬЗАБ- При обработке хрупких неметаллов (керамики, ферритов) в зависимости от вида связки используемого инструмента, параметров абразивных зёрен, условий контакта и свойств шлифуемой детали протяжённость образующих сторон угла ФЗАБ В наших опытах составляла 1,5...3,5 мм при ширине абразивного слоя В=10 мм. Шлифовальный инструмент имеет сложный профиль, особенно при воздействии на него правящим роликом, на это указывает в своих работах А. К. Байкалов. Проведённое им графическое моделирование абразивного слоя шлифовальных инструментов на основе алмазов и кубонита показали, что на заданной глубине резания в работе принимает участие заборная конусная часть инструмента длиной L=2 мм, цилиндрическая (зачистная) часть шириной Єо=1 мм и отдельные зёрна обратного конуса РП шлифовального круга при его ширине 5 мм и диаметре 125 мм [3]. При этом подтверждается мнение о том, что зёрна на заборной части не срезают полностью весь припуск детали, а оставляют его для срезания зачистной кромки. Наибольшая плотность режущих зёрен приходится на участок стыковки конуса и зачистного пояска. В результате, в этой части абразивного кольца инструмента износ происходит относительно интенсивнее. Со временем работы инструмента возрастает длина заборной части и уменьшается длина участка є
Анализируя представленные в работе [3] графические модели абразивных инструментов в статическом состоянии, можно отметить, что на заборной части инструмента наблюдаются ямки, подобные тем, о которых говорится в работе [74]. Это ещё раз подтверждает, что заборная конусная абразивная часть имеет сложную форму.
Согласно работ А. В. Якимова [89], высокая режущая способность шлифовальных инструментов с прерывистой рабочей поверхностью во многом объясняется наличием фронтальной заборной поверхности с определённым углом атаки, имеющимся на выступах круга. Характер формирования фронтальной поверхности зависит от жёсткости упругой системы СПИД, от глубины шлифования, конструкции кругов, условий контактного взаимодействия инструмента и детали. В зависимости от угла наклона фронтальной зоны процесс взаимодействия режущих зёрен с обрабатываемой поверхностью будет протекать по-разному. В тех случаях, когда этот угол составляет 20-50 , а амплитуда высокочастотных колебаний не превышает 0,005 мм, режущие зёрна располагаются на разных радиусах от центра вращения инструмента и, перемещаясь по определённым траекториям, они удаляют припуск отдельными тонкими слоями. При таких малых углах наклона зёрна работают с большими глубинами внедрения в материал. Основная часть припуска при этом удаляется зёрнами, расположенными на передней кромке фронтальной зоны. Количество режущих зёрен на участке фронтальной зоны в результате её особой формы увеличивается не менее, чем на 30 %, по сравнению с соответствующей зоной при обычном шлифовании [3]. Однако малые углы атаки (порядка 5-10 ) фронтальной зоны увеличивают количество зёрен только на 5-6 %, это незначительно.
Поэтому, чтобы осуществлять эффективное шлифование необходимо предварительно формировать особую макротопологию выступа инструмента прерывистой рабочей поверхностью. Ускоренному формированию способствуют методы, предложенные в работе [45], когда перед обработкой выступом инструмента создают предварительный увеличенный угол атаки фронтальной зоны выступа. Далее в процессе работы угол атаки самоустанавливается в рациональных для этих условий обработки диапазонах и продолжает оказывать определённое влияние на съём припуска детали. Однако саморегулирование абразивного слоя в процессе его износа определяется двумя основными факторами. Во-первых, общими свойствами поверхностного абразивного слоя, которые суммарно определяются его строением (законом распределения вершин зерен в нём), физико-механическими свойствами абразивных зёрен, свойствами связки, всей матрицей шлифовального инструмента. Во-вторых, кинематикой взаимодействия абразивных зёрен с обрабатываемой поверхностью детали и условиями протекания процессов контактного взаимодействия поверхностей инструмента и детали, главными показателями которых являются силы резания, температура шлифования, темпы износа матрицы инструмента (связки и самих зёрен). В то же время А. К. Байкалов утверждает, что для саморегулирования абразивного слоя необходимы следующие условия [3]: а) усилия удержания зерна в связке должно превышать усилие, вызывающее разрушение самого зерна и усилие скола его рабочей части (вершины); б) радиальная скорость износа вершин не должна существенно превышать радиальную скорость износа связки; в) общее число вершин зёрен, заложенных изначально в слой, с глубиной его должно изменяться с нарастающей плотностью; г) усилие резания на зёрнах в среднем должно быть в несколько раз меньше нагрузки, разрушающей абразивные зёрна.
Влияния элементов режима резания на характер образования микрорисок на поверхностях неметаллов
Характер разрушения обрабатываемого материала в значительной степени определяется его физико-механическими свойствами. Исследования показали, что существенное влияние на разрушение поверхности детали в зоне контактного взаимодействия индентора с обрабатываемым материалом оказывают режимы микрорезания. При этом у хрупких материалов происходит разрушение и выкрашивание краёв рисок, а у пластичных -деформирование приповерхностных слоев детали, сопровождающееся образованием на краях навалов - наростов.
Для оценки влияния режимов резания на объём пластически вытесненного материала по краям риски проведены сравнительные эксперименты по микрорезанию различных сталей при значениях Vp=30-50 м/с, t=20-65 мкм и разной поперечной скорости подачи образцов.
Установлено, что значительное влияние на величину навалов на краях микрорисок оказывает твёрдость обрабатываемых материалов. Так во всём исследуемом диапазоне режимов резания наибольший объём пластически вытесненного материала име,рт Сталь З (НВ 101), а минимальные значения сталь ШХ 15 (НВ 202) (рис. 4.7, 4.8). В связи с чем, в реальном процессе шлифования, при прочих равных условиях, следует ожидать снижения параметров шероховатости с увеличением твёрдости обрабатываемого материала.
Исследовали особенности характера разрушения хрупких материалов при контактном взаимодействии с индентором на разных режимах микрорезания.
Микрорезание стекла. Характер микрорисок на поверхности стекла относится к 5 ФС и 6 ФС типам рисок предложенной нами классификации.
Фотографии поверхностей разрушений в зоне контакта микрорезца с обрабатываемым материалом и результаты исследования образцов с использованием микроскопа показали, что увеличение глубины микрорезания приводит к возрастанию крупноблочных выкрашиваний с поверхности материала. При глубинах 50-60 мкм количество крупных блоков больше, чем мелких, а сетка трещин по поверхности - наибольшая.
Микрорезание стекла имеет свои особенности (рис. 4.10). Это проявляется в форме и конфигурации преобладающих микрорисок. Такой сложный профиль обусловлен спецификой характера разрушения стекла. Как правило, риска представляет собой сочетание чередующихся разрушенных участков разных размеров. Это совокупность зон, предшествующих появлению крупноблочных сколов (аь а2, ... ап) и участков с зонами блочных выкрашиваний (Аь А2, ... Ап ) (рис. 4.6). Можно утверждать, что риска представляет собой сочетание зон, соответствующих двум видам разрушений: пластичное (зоны аь а2... ап) и хрупкое (зоны Аь А2, Ап). След от движения микрорезца по стеклу имеет дискретное сочетание зон двух видов разрушения. На риске-канавке, как бы наложены с чередованием участки-выколки в форме блоков-многогранников. При этом размеры участков риски-канавки аь а2, ... ап симметрично соответствуют схеме, близкой к ai = ап, а2 = an_i и т. д. Размеры крупноблочных зон также симметричны и сопоставимы: Ai = Ап, А2 = Ап_] и т. д. Относительно центра риски расходящиеся к обоим краям зоны разрушений, расположены симметрично. А их размеры возрастают от краёв к середине риски вдоль её продольной оси OOj.
Измерения размеров рисок и оценка их по критериям ПМР показали, что с увеличением глубины микрорезания с 20 до 40 мкм, сколы и размеры блоков - многогранников возрастают не менее, чем в 1,5 раза. При глубине резания t = 80 мкм отношение ширины выколок к глубине резания равно 5. Это указывает на то, что с увеличением глубины резания, для диапазона скоростей резания 30 - 40 м/с разрушение стекла сопровождается увеличением трещиноватых зон, направленных в тело детали как по поверхности, так и в глубину материала. Увеличения размера трещины не имеет прямо пропорциональную зависимость с глубиной микрореза. Размеры трещин определяются условиями обработки и зависят от кинематики реза, формы (геометрии) режущего элемента (микрорезца, алмазного зерна), вида СОТЖ и режимов резания.
Наибольшие размеры зон разрушения в поверхностном слое при этих режимах в зависимости от глубины внедрения резца в стекло составили 0,4-2 мм. При этом глубина трещиноватого слоя, измеренная при протравливании стекла фтороводородом, достигает до 5 глубин резания, что сопоставимо с результатами работы [48].
Установлено, что при скоростном микрорезании стекла алмазным индентором изменение t от 20 до 80 мкм вызывает изменение характера разрушения материала, поэтому наблюдаются следы хрупкого и хрупко-пластического разрушения аморфного материала. Подобны характер разрушения стёкол алмазным шлифовальным инструментом отмечен в работе [49].
Результаты исследований подтверждают, что, в том случае, когда необходимо осуществить большой съём припуска со стеклодетали, можно рекомендовать проводить обработку детали на режимах с глубиной резания свыше 80-100 мкм. Исходя из установленного характера разрушения при микрорезании стекла, можно предположить, что в идентичных условиях обработки, например шлифования, разрушения аморфного материала по типу рисок с чередующимися зонами интенсивного разрушения не будет превышать 4-5 кратных значений величины глубины резания. Анализ процесса формирования микрорисок показывает, что разрушением материала, по типу 5 ФС с чередованием участков хрупких и пластичных зон, можно управлять. При этом процессу формирования поверхности стеклодетали присущ механизм дискретного разрушения микрообъёмов стекла. Можно предположить, что, наряду с другими механизмами, он имеет ударно - силовую направленность (происхождение), включая уровень микрорезания. Это подтверждает тезис о дискретности процессов разрушения материалов при абразивном взаимодействии, в том числе, и на первом уровне дискретности резания [9].
Вероятно, из-за цикличности в поверхностном слое температурно-силовых воздействий при контактном взаимодействии микрорезца и детали, а также из-за вибрационных процессов в системе СПИД и упругих деформаций, возникающих при скоростном микрорезании хрупких материалов, характер дискретности контактирования абразивного зерна и обрабатываемого материала проявляется в наибольшей степени (в определённых диапазонах режимов резания VP=32-45 м/ с, t=0,02-0,08 мм).
В дальнейшем мы можем говорить о дискретном характере микрорезания, который определяется условиями контактирования и свойствами обрабатываемого материала.
Микрорезание ферритов. Характер поверхностного разрушение ферритовых материала зависит от многих причин. Большое значение имеет сложная поликристаллическая структура материала, которая зависит от способа получения плотных ферритов и вида компонентов, создающих структуру. Поликристаллические горячепрессованные марганец-цинковые ферриты марки 2000МТ1 и никель-цинковые ферриты 1000НТ1 имеют однородную структуру в виде зёрен различных форм. Размеры зерен феррита 1000НТ1 составляют 10-15 мкм, а размеры зёрен 2000МТ1 достигают 50- 70 мкм.
Состав материала и размеры зёрен горячепрессованных ферритов влияют на характер образования микрорисок. Опыты по дискретному микрорезанию ферритов 1000НТ1 при t= 10-30 мкм указывают на наличие зон интенсивного хрупкого разрушения, величина которых соизмерима с размерами зерен материала (рис. 4.13). Отметим, что на поверхности чистого излома мелкозернистых никель-цинковых ферритов нередко просматриваются вырывы, участки вязкого излома и следы пластической деформации. Для ГПФ 2000МТ1 поверхность излома иная (рис. 4.14). Это крупноблочная рельефная поверхность. При микрорезании таких материалов в результате взаимодействия алмазного индентора с мелкозернистой структурой феррита 1000 НТ1 происходит разрушение зёрен как по их границам, так и по телу зёрен. Это способствует квазиупругому отрыву частиц материала и удалению из зоны резания микрообъёмов в виде блоков (рис. 4.14).