Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Формирование поверхностного слоя хрупких материалов эластичным инструментом

Формирование поверхностного слоя хрупких материалов эластичным инструментом

Изучение закономерностей микрорезания хрупких неметаллических материалов (стекла, кристаллов, керамики, природного камня) показало, что в зависимости от нормальной силы на абразивном зерне и площади контакта процесс разрушения видоизменяется от пластического до хрупкого [1, 2, 3, 4].

При хрупком разрушении возникающие в зоне контакта продольные, радиальные и кольцевые трещины проникают на значительную глубину и отделение материала происходит в форме блоков различных размеров. При этом формируется трещиноватый слой значительной глубины и сильно развитый поверхностный слой, даже вдоль следа абразивного зерна. При пластическом разрушении удаление материала осуществляется в виде тончайших микростружек, в результате чего формируются царапины с гладкой поверхностью, иногда с навалами по бокам. Глубина трещиноватого слоя и шероховатость поверхности при этом существенно меньше, чем при хрупком разрушении материала.

Уменьшение зернистости применяемого шлифовального инструмента ведет к увеличению количества контактирующих зерен, снижению сил на каждом зерне и, следовательно, увеличению вероятности пластического разрушения материала. Но вследствие того что вершины зерен по высоте распределены случайным образом на операциях тонкого алмазного шлифования, предшествующего полированию, применение шлифовального инструмента на жестких связках, в частности металлических, не может обеспечить пластическое деформирование материала всеми зернами.

Отдельные наиболее выступающие абразивные зерна работают при силах, вызывающих хрупкое разрушение материала, оставляя на поверхности единичные глубокие "рваные" царапины, вызывающие дополнительные затраты при полировании. Поэтому на операциях тонкого алмазного шлифования все более широко применяют шлифовальный инструмент на эластичных полимерных связках[5].При обработке данным инструментом каждое зерно имеет возможность под действием сил резания перемещаться в связке независимо, в определенной степени, от других зерен. Это ведет к относительному нивелированию положения вершин зерен в зоне контакта и более однородному характеру разрушения материала каждым зерном.

Для создания условий работы абразивных зерен, обеспечивающих пластическое разрушение материала, необходимо выбрать характеристики шлифовального инструмента и режимы резания в зависимости от характеристик обрабатываемого материала. Из характеристик шлифовального инструмента существенное влияние на характер работы абразивного зерна оказывает модуль упругости связки, определяющий деформацию рабочей поверхности круга в зоне контакта.

Для определения характеристик рабочей поверхности эластичного шлифовального инструмента были изготовлены шлифовальные круги на основе кремнийорганического каучука с ориентированным расположением абразивных зерен. Зернистость абразива после покрытия ферромагнитным материалом соответствовала 160/100 широкого диапазона зернистости. Обработка рабочей поверхности проводилась шлифованием абразивным кругом 14А 40 СМ1 К5.

Запись рельефа поверхности абразивных брусков проводилась на профилографе-профилометре модели 252 ГОСТ 19300—86. Фрагмент профилограммы представлен на рис. 1.

Рис.1 Пример профилограммы рабочей поверхности эластичного шлифовального бруска

Обработка профилограмм заключалась в определении разновысотности абразивных зерен относительно наиболее выступающего зерна. Гистограмма распределения вершин абразивных зерен представлена на рис. 2

Рис. 2 Гистограмма распределения вершин

Из анализа гистограммы видно, что опытные данные близко подходят к кривой нормального распределения. Для проверки гипотезы о нормальности распределения вершин зерен использовали критерий согласия Колмогорова (λ= 1,32; Р(λ) = 0,062 > 0,05).

Для получения зависимостей перемещения абразивного зерна в связке рассматривалось напряженно-деформированное состояние контакта зерно - связка.

Задача решалась методом конечных элементов. Для решения был привлечен пакет прикладных программ (ППП) "ЗЕНИТ" [6].

В результате решения задачи установлено, что зависимость глубины погружения алмазного зерна в связку от нормальной силы носит линейный характер для полимеров всех исследуемых характеристик. Графическое изображение зависимости перемещения алмазного зерна от нормальной силы при относительной глубине заделки ε = 0,5 приведено на рис. 3.

Рис. 3 Зависимость перемещения алмазного зерна в связке от нормальной силы при ε = 0,5

Коэффициент пропорциональности между перемещением и нормальной силой определяется физико-механическими свойствами связки, в частности модулем упругости. С увеличением модуля упругости угол наклона прямой с осью абсцисс уменьшается.

Если ввести показатель обобщенной податливости связки К, определив его как отношение глубины погружения зерна в связку ΔY к нормальной силе F, то можно утверждать, что показатель податливости связки является функцией от модуля упругости материала: К = = ƒ(F), причем зависимость имеет обратно пропорциональный характер:

K = m/En, (1)

где тип-постоянные величины.

Значение коэффициентов m и n для различной глубины заделки зерна ε были определены аппроксимацией расчетных значений. Уравнения аппроксимирующих кривых в зависимости от глубины заделки зерна имеют вид:

1) при ε = 0,5 К = 1,089*104 / E0,960;

2) при ε = 0,62 К = 1,154*104 / E0,981;

3) при ε = 0,75 K = 1,070*104 / E0,984.

В реальных условиях обработки контактное взаимодействие зерен шлифовального круга с обрабатываемым материалом описывается случайными процессами. Поэтому для аналитического описания удельных сил на алмазном зерне при обработке эластичным инструментом сориентированным расположением зерен примем некоторые допущения:

1) обрабатываемую поверхность считаем абсолютно ровной геометрической поверхностью;

2) уменьшением степени деформации матрицы инструмента за счет внедрения алмазных зерен в обрабатываемый материал пренебрегаем, т.е. полагаем, что до определенного момента алмазное зерно погружается в связку, но не внедряется в обрабатываемый материал;

3) заглубление зерен в обрабатываемый материал происходит после того, как внешняя сила будет уравновешена контактными силами на алмазных зернах.

По мере сближения поверхности инструмента и заготовки все большее число зерен будет участвовать в контакте. При этом происходит непрерывное перераспределение нормальной силы резания между отдельными зернами и, как следствие, изменение удельных сил в зоне контакта. Для инструментов с различными упругими характеристиками связки количество контактирующих зерен будет разное, соответственно будут изменяться силовые параметры в зоне контакта.

Методика расчета контактных сил заключается в следующем. Поверхностный слой шлифовального круга разделим на элементарные слои, приняв допущение, что все расположенные в пределах данного элементарного слоя вершины зерен имеют одинаковую высоту, равную верхней границе слоя. Число вершин в каждом слое определим по формуле

где N - плотность зерен на поверхности шлифовального круга; X, σ -среднее значение и среднеквадратичное отклонение распределения зерен по высоте; ni и ni+i- границы слоя.

При сближении поверхности инструмента и детали максимальная сила на единичном зерне будет на наиболее выступающих в исходном состоянии зернах. Максимальную силу на зерне определим по формуле

Fimax = iΔ / K, (3)

где iΔ — сближение, выраженное в элементарных слоях (ЭС) условного деления поверхностного слоя круга; i- число ЭС, Δ - толщина ЭС, мм; К- упругость связки, мкм/Н.

Минимальная сила на единичном зерне будет на зернах, последними вступившими в контакт с поверхностью детали:

Fimin = Δ / K, (4)

Деформация абразивосодержащего слоя прекратится при компенсировании нормальной составляющей силы резания совокупной силой упругой деформации связки:

где n - число абразивных зерен, перемещающихся при контакте с обрабатываемым материалом

Учитывая характер распределения высоты выступания абразивных зерен (2), выражение (4) примет вид

На основании выражения (6) можно определить сближение поверхностей шлифовального круга и обрабатывающего материала.

В работе [4] приведена зависимость нормальной силы Ру от глубины царапания при царапании единичным алмазным зерном. В исследованном диапазоне зависимость имеет нелинейный монотонно возрастающий характер, причем с увеличением глубины царапания интенсивность нарастания убывает.

Аналитически заглубление алмазного зерна в поверхность обрабатываемого гранита можно представить в виде

hy = cPym, (7)

где с и m - коэффициенты, полученные эмпирическим путем.

Тогда величина заглубления алмазного зерна, расположенного в i-м деформированном слое, будет

hiy = c(iΔ/K)m. (8)

С учетом (8) изменение положения вершины алмазного зерна, лежащего в i-м слое относительно ненагруженного состояния,

hi = iΔ - c(iΔ/K)m (9)

Поскольку степени деформации связки различны для зерен, отличающихся высотой выступания над номинальной поверхностью, смещение hi при контакте с обрабатываемым материалом будет разным. Сформировавшуюся картину распределения алмазных зерен по высоте можно описать, зная закон распределения алмазных зерен в статическом состоянии и используя соотношения (6) и (9).

На основании полученных результатов можно определить характеристики связки эластичного шлифовального инструмента, обеспечивающие пластическое разрушение обрабатываемого материала.

Список литературы

  1. Ардамацкий А.Л. Алмазная обработка оптических деталей. Л.: Машиностроение. 1978. 232 с.
  2. Танович М.Л., Рыжов Э.В. Изучение микрорезания керамических материалов // Сверхтвердые материалы. 1994. № 1. С. 49-53.
  3. Кузнецов С.М., Бурман Л.Л. Упруго-пластическая деформация стекла при алмазном шлифовании // Сверхтвердые материалы. 1980. № 3. С. 42-47.
  4. Александров В.А., Мифлич Д.Н., Мельник В.А. Силовые и энергетические параметры при царапании гранита единичным зерном // Сверхтвердые материалы. 1985. № 3. С. 52-59.
  5. Соснов А.Н., Шлишевский Б.Э., Трифонов Е.Е. Автоматизированная обработка оптических деталей с применением алмазно-абразивных инструментов. Новосибирск: НИИГАиК, 1988. 85 с.
  6. Михайлов А.Н., Банков А.В., Сапленко Н.Г. Оценка перемещений ориентированно расположенных алмазных зерен в полимерной матрице// Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Сб. научн. тр. Донецк: ДонГТУ, 1999. Вып. 8. С. 155-160.

А.Н. МИХАЙЛОВ, д-р техн. наук, А.В. БАНКОВ (Донецкий национальный технический университет {Украина))

Приложение. Справочник. Инженерный журнал, №9,2002 стр. 8-10

Статьи партнеров