Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Роль адгезии и диффузии в процессе засаливания алмазных кругов на металлической связке

Роль адгезии и диффузии в процессе засаливания алмазных кругов на металлической связке

При затачивании режущих инструментов (как твердосплавных, так и в особенности быстрорежущих) наилучшие результаты достигаются с помощью кругов на металлической связке. Однако существенным препятствием для их использования является их быстрое засаливание — налипание на рабочую поверхность круга отходов процесса резания [1]. Прочность как самого засаленного слоя, так и его связи с поверхностью круга столь велика, что их разрушение с помощью сил, развивающихся при резании, оказывается невозможным, а на травленых шлифах поперечного разреза трудно обнаружить границу раздела налипшего слоя и связки круга (рис. 1).

Рис.1. Граница контакта засаленного слоя с поверхностью алмазного круга:
а - поперечный разрез алмазного круга и засаленного круга и засаленного слоя; б - сканограмма по меди после двух часов непрерывной работы

Ясно, что только вследствие механического зацепления мелких частиц отходов шлифования за поверхность круга такой монолит образоваться не может. В данной статье обращается внимание на адгезионные и диффузионные процессы, которые инициируются высокими давлениями и температурами, развивающимися в зоне резания.

При обработке инструмента шлифовальным кругом алмазные зерна срезают мелкие частицы его материала. Проанализируем возможные варианты перемещения частиц шлама после срезания удаляемого припуска. Вводятся обозначения:

B(1) — шлифовальный круг или материал его металлической связки;

В(2) — обрабатываемый инструмент (или его материал);

В(3) — срезанная частица (или ее материал).

Предполагаются возможными следующие ситуации.

  1. Частица В(3), отделившись от В(2) переместилась в отход.
  2. Частица В(3) прилипла к поверхности инструмента В(2).
  3. Частица В(3) прилипла к поверхности шлифовального круга B(1).
  4. Частица В(3) прилипла к поверхностям B(1) и В(2) одновременно.

Рассмотрим каждую ситуацию в отдельности. При этом будем учитывать, что шлифовальный круг и обрабатываемый инструмент находятся в относительном движении.

Первая ситуация наиболее благоприятна. Если условия резания обеспечивают ее выполнение, то засаливания шлифовального круга не происходит.

Вторая ситуация возможна, когда срезаемая частица, не успев отделиться полностью или отделившись от материала инструмента, тут же прижимается к нему, прилипнув или не прилипнув. Она удерживается либо в результате не до конца разрушенной связи, либо образовав ее вновь вследствие адгезии.

В процессе последующей обработки частица будет срезана алмазным зерном или "смещена" неровностью поверхности связки. Если первая ситуация вполне допустима, то вторая может привести к появлению выровов материала с поверхности инструмента, делая ее шероховатой. Последнее возможно потому, что вновь образованная частица и обрабатываемый инструмент из одинакового материала, следовательно, при идеальной их слипаемости они образуют единое равнопрочное тело, разрыв которого может произойти по любому случайному направлению.

Третья ситуация выполняется тогда, когда срезанная частица закрепляется не на обрабатываемой поверхности, а на поверхности круга. Существенная разница с предыдущей ситуацией состоит в том, что непрерывное повторение этого процесса со многими срезанными частицами приведет в конечном счете к засаливанию шлифовального круга.

Четвертая ситуация может возникнуть лишь на мгновенье. Ввиду больших сил, которые разовьются при ее появлении, прилипшая частица оторвется от одного из тел. Однако этот отрыв может сопровождаться повреждением поверхности, от которой произошел отрыв.

Задержка стружки во всех, кроме первой, ситуациях возможна либо вследствие механического зацепления на неровностях поверхности, либо вследствие адгезии материала стружки с материалом поверхности, на которой произошла задержка. В первом случае межатомные связи взаимодействующих материалов не образуются, поэтому зацепление ломается незначительными механическими воздействиями, не разрушающими поверхность круга и обрабатываемого инструмента. Во втором случае материалы образуют единое тело с прочными межатомными связями [2], для разрыва которых требуются силы, значительно превышающие те, которые развиваются в зоне резания. По этой причине налипающие частицы не будут сбиваться с поверхностей круга или обрабатываемого инструмента. Наличие засаливания этих поверхностей свидетельствует в пользу адгезионной причины этого явления.

Адгезия усиливается, если сопровождается диффузионным прониканием контактирующих материалов друг в друга. В пользу существования диффузии говорят результаты рентгеноструктурного анализа поверхностей круга и обрабатываемого инструмента, когда на каждой из них обнаруживались следы материала противоположного тела [1], а также наблюдения при сильном увеличении шлифов поперечных разрезов круга и инструмента, из которых видно, что граница контакта засаленного слоя к металлической связке круга иногда размыта. Между засаленным слоем и связкой полностью отсутствуют пустоты.

Рассматривается начальная стадия процесса диффузии, когда проникновение одного материала в другой происходит на незначительную глубину. Предполагается, что эта глубина мала по сравнению с радиусом кривизны той поверхности, сквозь которую он проникает (с радиусом круга), значит, ее кривизной в зоне диффузии можно пренебречь. Поэтому считается, что диффузия от прилипшей частицы в материал связки круга происходит точно так же, как она происходит в полубесконечное сплошное тело, ограниченное плоскостью S0 (рис. 2).

Рис. 2. Распределение диффундирующего инструментального материала в зоне контакта с поверхностью алмазного круга

Начально-краевая задача диффузии в данной ситуации приобретает вид:

где u — концентрация (доля) диффундирующего вещества в общей массе изучаемой среды; t — время; D — коэффициент диффузии; х — координата, отсчитываемая от поверхности контакта в глубину того тела, в материале которого происходит диффузия.

Решением этой задачи (согласно [3]) является функция

Имеющийся в этой записи интеграл Ф(η) относится к классу не выражаемых через элементарные функции в конечной форме. Его значения в зависимости от величины верхнего предела

представлены в справочниках (например, в [4]). Эти данные, в частности, свидетельствуют о том, что зависимость u = u(η) является взаимно-однозначной. Следовательно, задавшись определенным значением концентрации u = u0, можно найти единственное значение η = η0, которое ему соответствует. После этого, используя связь (16), задавшись значением x = x0 глубины проникновения диффундирующего вещества в концентрации u = u0, по формуле

t0 = x02/(4Dη02)    (7)

можно найти длину отрезка времени, в течение которого это условие будет реализовано. И наоборот, задавшись отрезком времени t = t0, можно найти глубину х = х0 проникновения диффундирующего вещества в концентрации u = u0 за этот промежуток времени по формуле

x0 = 2η0(Dt0)0,5   (8)

Известно, что вещества в твердом состоянии диффундируют очень медленно. Причиной является очень маленький коэффициент диффузии. Например, коэффициент диффузии меди в золото при 300 °С равен 1,5·10-13 см2/с [5]. Для сравнения: при диффузии водного раствора метилового спирта в воду D = 1,3·10-5 см2/с, а диффузия газообразного аргона в гелий идет с D = 0,7 см2

Опыт исследования диффузии с помощью меченых атомов [5] показывает, что диффузия в твердых телах осуществляется главным образом следующими тремя способами:

  1. соседние атомы в решетке обмениваются местами;
  2. атом, находящийся на "своем" месте в узле решетки, покидает его и располагается в междоузлиях, а затем в этих междоузлиях мигрирует;
  3. атомы из узлов решетки переходят в незанятые узлы, так называемые вакансии — дефекты атомной решетки.

Отсюда следует, что ускорение процесса возможно при повышении температуры и при механическом воздействии. В первом случае увеличивается кинетическая энергия атомов, ослабляющая их связь со "своим" местом. Во втором случае увеличивается число дефектов решетки, по которым могут распространяться диффундирующие атомы. Эти выводы подтверждаются как теоретическими, так и экспериментальными исследованиями процесса диффузии [6].

Коэффициент диффузии с ростом температуры и степени деформации исследуемого образца может повышаться значительно (до значений порядка 10-9 см2/с) [8], [9], но не настолько, чтобы за короткое время срезания алмазным зерном шлифовального круга стружки с обрабатываемого инструмента или за время случайного "зажатия" последней между кругом и инструментом ее материал диффундировал в металл связки круга настолько, что вследствие этого будет образована прочная механическая его связь с прилипшей стружкой. При этом коэффициенте диффузии концентрация диффундирующего материала 40 % на глубине в 1 мкм будет достигнута лишь через 7 с. Это короткий отрезок времени для налипшей частицы, но слишком большой для мгновенного ее касания с поверхностью круга. Для сравнения отметим, что при обычных (без механического воздействия и повышения температуры) условиях, когда коэффициент диффузии имеет порядок D ≈ 1013 см2/с, тот же процесс пройдет примерно за 7-104 с.

Ниже приводятся экспериментальные данные, полученные при измерении температуры в процессе затачивания закаленной быстрорежущей стали Р6М5 эльборовыми кругами на разных связках (рис. 3).

Рис. 3. Контактная температура при разных методах обработки

Таким образом, диффузию не следует считать первоосновой образования засаленного слоя. Однако при ее учете необходимо использовать экспериментальные данные по определению влияния на коэффициент диффузии температуры и трещи-новатости среды, в которой происходит процесс, поскольку он существенно повышает скорость диффузии. При этом наличие в основе шлифовального круга диффундирующего в него материала стружки может существенно сказаться на степени ее слипаемости (адгезии) с ним — даже при слабой адгезии стружки к материалу круга наличие в нем ее материала усилит адгезию, которая тем лучше, чем ближе свойства контактирующих материалов.

Об адгезии и влиянии на нее температуры можно сказать следующее. Адгезия материалов — это контакт более жесткий, чем обычный механический контакт двух твердых тел [8]. Атомно-молекулярная структура образующегося слоя вначале воспроизводит структуру основы [2] и лишь позже по мере роста толщины образовавшегося слоя приобретает структуру, характерную для его материала в объемном состоянии. При адгезии металлов, при образовании общей атомной решетки атомы, принадлежащие разным телам, оказываются в едином электронном облаке. Это возможно лишь тогда, когда они сблизятся настолько, что их электронные облака перекроются. Исходная шероховатость, наличие двойного электрического слоя вблизи поверхности любого твердого тела не дает атомам, механически контактирующим между собой, сближаться до такой степени [2]. Однако этому может способствовать высокая температура. Во-первых, она размягчает тело, частицу, что способствует преодолению влияния шероховатости. Во-вторых, следует учесть то, что температура — это мера кинетической энергии колебательного движения атомов около их средних положений. Чем выше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Следовательно, при достаточном сближении средних положений атомов их электронные облака могут перекрыться, и произойдет взаимный "захват", являющийся началом адгезии.

Пусть частица, срезанная с обрабатываемой поверхности, вступает в состояние адгезии с материалом связки круга или материалом обрабатываемой поверхности. В зависимости от условий слипания, свойств материалов частицы и круга эта связь может быть настолько сильной, что прочность прилипания превысит прочность материала частицы или круга, а может быть и слабой, когда прочность соединения значительно меньше прочности контактирующих материалов. Допустим, что эта связь оказалась слабой. Очевидно, что под влиянием ударных нагрузок эта связь может разрушиться, но материал частицы после схватывания с материалом связки круга начинает диффундировать в него. В дальнейшем вдоль поверхности первоначального контакта реально наблюдается схватывание материала частицы не только с материалом связки, но и с собственным материалом, проникшим в круг и прочно удерживаемым в нем. Следовательно, будет расти и прочность адгезинного соединения, стремясь совпасть с прочностью самой частицы. Тогда под влиянием механического воздействия частица будет не отрываться от круга, а размазываться по его поверхности, засаливая ее. Таким образом, диффузия способствует упрочнению адгезионных связей частиц стружки и материала связки шлифовального круга.

Отсюда следует путь избавления поверхности круга от налипания — либо ежемоментно покрывать его пленками, к которым невозможно налипание отходов процесса резания, либо быстро удалять налипающие частицы, не допуская их длительного пребывания на поверхности и диффузии их материала в материал связки круга. Это должно сопровождаться мерами по всяческому ослаблению адгезионных сил.

Степень сцепляемости засаленного слоя со связкой круга предлагается оценивать посредством сравнения значений энергии их адгезии с энергией разрушения контактирующих материалов. Для ее расчета на основании теории [9] получена формула:

где v ( j ) — коэффициент Пуассона для материала тела B( j ); Wp( j ) — его поверхностная энергия; j = 1,2 — номер тела, находящегося в адгезионном контакте.

При выводе данной формулы предполагалось, что материалы контактирующих тел являются сплошными, не содержащими пор и микротрещин, находящимися в изотермических условиях. Кроме того, для ее использования необходимо знать поверхностные энергии контактирующих тел Wp(1) и Wp(2). Эксперименты по их определению сложны, а в справочной литературе приводятся значения лишь для химически чистых материалов с "идеальной" атомной структурой [9]. При практическом применении формула (9) нуждается в существующей корректировке.

В поверхностном слое при затачивании различных материалов наблюдается большое число микротрещин, оказывающих существенное влияние на механические характеристики материала в целом [1, 13, 14]. В среднем микротрещины имеют длину 2с = 10-6 м (рис. 4).

Рис. 4. Наличие микротрещин в зоне контакта инструментального и обрабатываемого материалов при шлифовании твердого сплава BK8:
а - на обрабатываемой поверхности твердого сплава BK8; б - в засаленном слое поверхности алмазного круга

На основании теории Гриффитса для среды с такими трещинами в [11] опытным путем показана связь предела прочности σf поверхностной энергии Wp и модуля упругости Е, выражаемая формулой

где Е — модуль упругости материала, определенный в отсутствие трещин. Там же приводится оценка

σf = 2E.   (11)

Сопоставляя ее с предыдущей формулой, можно получить выражение для оценки значения поверхностной энергии, учитывающее влияние трещиноватости материала на его механические характеристики:

Wp = 8E·10-6.   (12)

(Формулы (10), (11) и (12) записаны в системе единиц СИ.) Оценка поверхностной энергии контактирующих тел с помощью формулы (12) позволяет учесть трещиноватость поверхностных слоев. Формула (12) записана для микротрещин с длиной 2с = 10-6 м. Но она может быть изменена для микротрещин с другой длиной. Недостатком является необходимость предварительного знания этой длины. Существуют более сложные, чем указанные выше, как чисто теоретические, так и экспериментальные связи предела прочности материала с поверхностной энергией и его трещинова-тостью. Их использование приведет к усложнению расчетных формул.

Для рассматриваемых в данной статье условий состояние адгезии наступает при высокой температуре. После этого зона контакта остывает до температуры 20 °С.

В процессе охлаждения внутренние напряжения и деформации изменяются, следовательно, изменяется и энергия адгезии. Вместе с тем формула для вычисления энергии адгезии построена в предположении равенства и неизменности с течением времени температур контактирующих тел. В дальнейших расчетах температурное влияние предлагается учесть посредством учета зависимости упругих постоянных от температуры. Обоснование этого шага состоит в следующем.

Допускается, что при переходе системы от состояния, когда она только что возникла, в любое другое распределение температур по объему каждого из тел является равномерным, установившимся. Температуры обоих тел совпадают; переход от одной температуры к другой происходит равномерно через последовательность равновесных состояний. В каждом из них свободная энергия ΔF И ее плотность w предполагаются зависящими не только от тензоров деформации

uk - компоненты вектора перемещений материальных точек при деформации исследуемого материала, но и от температуры Т, т.е.

w = w(gij, Zijk, T).    (13)

В отсчетном состоянии первые два аргумента равны нулю, а последний — Т0 (начальная температура). За отсчетное может быть принято состояние, которое соответствует условиям образования граничного слоя. Если принять, что при выходе из этого состояния изменения всех аргументов малы, то записанное выражение можно представить квадратичной формой вида:

При этом тензоры напряжений, используемые в предлагаемой теории, определяются равенствами:

В записанных выражениях все производные являются постоянными, характеризующими механические и тепловые свойства материала, определенными в отсчетном состоянии, неизменными при различных значениях температуры. Поэтому вычислять значения компонентов тензоров напряжений, а затем и значения энергии адгезии можно лишь тогда, когда наряду с компонентами тензоров деформации окажется заданной величина изменения температуры.

Подобный способ учета влияния температуры на напряженное состояние широко распространен. Однако его использование даже в классическом варианте линейной теории упругости требует знания значений в отсчетном состоянии наряду с модулем Юнга и коэффициентом Пуассона еще и коэффициента термического расширения. Очевидно, что предложенное обобщение теории упругости кроме указанного коэффициента потребует использования других термических постоянных, значения которых неизвестны.

Избежать этих трудностей можно, если зависимость (13) представлять в виде ряда не по всем трем аргументам, а лишь по первым двум. Тогда в уравнениях, аналогичных (14)...(16), слагаемых, содержащих ΔT, не будет. Они совпадут с выражениями, полученными для случая, когда Т = const с той лишь разницей, что коэффициенты разложений — значения производных от потенциала w по компонентам тензоров деформации, будут определенными не при фиксированном значении температуры, а при интересующем нас ее значении. Этот подход учета температурного влияния удобен тем, что не требует использования таких величин, как коэффициент термического расширения и ему подобных, и позволяет, в конечном счете, вычислять энергию адгезии по тем же формулам, которые были получены для Т = const.

Величины, входящие в формулу (9), вычисляются через рассмотренные производные, поэтому сказанное выше переносится на них. Данные о величине поверхностной энергии Wp химически чистых элементов, приведенные в справочной литературе, немногочисленны.

Приведенные данные свидетельствуют о крайне незначительной зависимости поверхностной энергии материалов от их температуры. Так же незначительно меняются и другие интересующие нас механические свойства (табл. 1 и 2).

1. Значение модуля упругости E·10-2, ГПа

Компонент связки T, °С Зависимость от температуры
20 100 200 300 400 500 600
W 3.89 3.87 3.85 3.83 3.82 3.79 3.77 3.89 - 0.0002T
Cr 2.88 2.85 2.82 2.79 2.76 2.73 2.70 2.88 - 0.0003T
Ti 1.1 1.04 0.98 0.92 0.86 0.8 0.74 1.1 - 0.0006T
AlN 3.50 3.47 3.43 3.41 3.38 3.35 3.32 3.50 - 0.0003T
V 1.55 1.55 1.55 1.55 1.55 1.55 1.55 const
Al2O3 1.32 1.32 1.32 1.32 1.32 1.32 1.32 const
VCrTi 1.26 1.25 1.24 1.23 1.22 1.21 1.20 1.26 - 0.0001T

2. Значение коэффициента Пуассона v

Компонент связки T, °С Зависимость от температуры
20 100 200 300 400 500 600
W 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 const
Cr 0.31 0.309 0.308 0.307 0.306 0.305 0.304 0.31 - 0.00001T
Ti 0.33 0.328 0.326 0.324 0.322 0.32 0.318 0.31 - 0.00020T
V 0.36 0.36 0.36 0.36 0.36 0.36 0.36 const
Nb 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 const
AlN 0.221 0.220 0.219 0.218 0.217 0.216 0.215 0.221 - 0.00001T
Al2O3 0.265 0.265 0.265 0.265 0.265 0.265 0.265 const
VCrTi 0.396 0.397 0.398 0.399 0.400 0.401 0.402 0.396 + 0.00001T

Для ряда сочетаний материалов построены зависимости энергии их взаимной адгезии от температуры в пределах 20...600 °С. Обнаружено, что с ростом температуры независимо от материалов, образующих сочетание, энергия адгезии уменьшается. Этот результат качественно согласуется с общефизическими представлениями [12], что подтверждает правильность проведенных выше оценок. Согласно [12] частицы твердого тела (атомы, ионы) совершают колебательные движения около своих положений равновесия. Чем больше кинетическая энергия этих движений, тем больше вероятность их отрыва. Повышение температуры эквивалентно увеличению кинетической энергии, поэтому при повышенной температуре необходимо совершить меньшую работу по разрушению, чем при пониженной температуре.

Выяснилось, что зависимость энергии адгезии весьма слаба и ею можно пренебречь. Например, для сочетания AlN - VCrTi изменение составляет 7 %, для Аl2О3 - VCrTi - 5 %, для Аl2О3 - Сг -4 %. Таким образом, оказывается, что роль температуры можно считать существенной в момент схватывания материалов стружки и основы круга. Последующее уменьшение температуры не скажется на степени слипания.

При образовании нового участка поверхности в первый момент на нем существуют незамкнутые химические связи. Далее часть из них перезамыкается между собой, а часть остается свободной. Первый процесс приводит к изменению атом-но-молекулярной структуры, возникновению напряжений. Свободные радикалы обусловливают активность поверхности. Они образуют активные центры, обладающие определенным электрическим зарядом, на которые впоследствии осаждается инструментальный и обрабатываемый материалы. Как отмечалось выше, адгезия носит ост-ровковый характер. Известно [13], что поверхность твердого тела заряжена, обладает сложным электрическим рельефом. Налипание стружки определенным образом происходит на заряженных активных центрах, являющихся выходами дислокаций, собранием незамкнутых межатомных связей. Нейтрализация поверхностных зарядов полностью или частично приводит к полной или частичной потере ею способности притягивать к себе частицы из окружающей среды, а значит, вступать в состояние адгезии с ними.

Таким образом, в основе процесса налипания лежат электрические кулоновские силы притяжения или отталкивания разноименных и одноименных зарядов. Отсюда следует, что если на поверхность подать определенный электрический потенциал, то после преодоления определенного порога значения произойдет следующее: либо замкнутые связи разорвутся, и произойдет увеличение активности контактной поверхности, либо оставшиеся свободные радикалы замкнутся, и поверхность уменьшит свою активность. Для каждого условия пороговые значения потенциала должны быть конкретными, не совпадающими между собой и отвечающими реальным условиям их взаимодействия.

Регулировать эту способность предлагается посредством пропускания через поверхность в определенном направлении постоянного электрического тока определенной силы. В результате оказалось, что величина энергии адгезии является функцией силы этого тока. Из этого следует, что реальные потенциалы будут зависеть от величины и направления технологического тока на контактирующих поверхностях, что, в конечном счете, отразится и на величине энергии адгезии.

Процесс электроалмазного затачивания инструмента происходит в среде электролита, в зазор которого подается электрический ток. В электрическую цепь включены как режущий инструмент, так и обрабатываемый. В экспериментах было обнаружено, что величина и направление электрического тока оказывают существенное влияние на характер процессов затачивания и засаливания алмазных кругов на металлической связке.

Для оценки влияния плотности тока на величину энергии адгезии предлагается использовать результаты экспериментов [1] по установлению режима самозатачивания круга и определению критериев оценки его нормальной работы (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость радиального давления от электрических параметров:
а - от плотности тока правки iпр; б - от плотности тока травления iтр

В проведенных опытах установлена зависимость радиальной силы прижатия круга к обрабатываемому инструменту, которая определяется давлением ру (при этой силе происходит съем металла) от плотности электрического тока (iпр, А/см2), пропускаемого в определенном направлении через систему круг — электролит. Выяснено, что при iпр = 0 эта сила имеет максимальное значение. В этой же ситуации наблюдается максимальное засаливание круга (практически весь снимаемый материал инструмента слипается с материалом связки круга). С ростом плотности тока i значение давления ру уменьшается. Количество налипающего на круг материала также уменьшается. При некотором пороговом значении тока iпр = i0 режим обработки стабилизируется. Дальнейшее снижение ру не вызывает необходимости увеличения iпр, круг работает в режиме самозатачивания.

Для того чтобы увязать зависимость сил прижатия от плотности тока с зависимостью энергии адгезии Fa(i) от той же плотности тока, проведены следующие рассуждения.

Большие значения сил прижатия обеспечивают большие значения сил трения круга с обрабатываемой поверхностью. При этом очевидно, что для очистки поверхности круга от налипшего на него слоя требуются тем большие касательные силы (силы трения), чем больше степень слипаемости с ней этого слоя, оцениваемая количественно величиной энергия адгезии. Значит, уменьшение сил давления, необходимых для снятия налипшего слоя, свидетельствует об уменьшении по каким-то причинам энергии адгезии. Единственной причиной, которая может влиять на слипаемость отходов процессашлифования с кругом, в данном случае является заряженность его поверхности [13]. Заряженность можно уменьшать, пропуская через поверхность круга в определенном направлении электрический ток. При iпр = 0 происходит слипание снимаемого с затачиваемого инструмента материала со связкой круга, соответствующее обычным условиям, для которых энергия адгезии рассчитывается по приведенной выше формуле (9) с учетом наличия трещин и известных зависимостей физических постоянных от температуры.

Для количественной оценки описанных связей внимание обращается на то, что приведенные выше графики свидетельствуют о практической линейности функции py(i). Для сокращения записи далее примем iпр = i. Кроме того, очевиден тот факт, что меньшие силы трения, обеспечивающие разрушение засаленного слоя, возможны лишь при малой его адгезии. Это утверждение математически записывается в виде

Fa(i) = λpy(i),   (17)

где λ — коэффициент пропорциональности, который далее определяется через экспериментально устанавливаемые величины.

Из (17) следует справедливость пропорции

Fa(i)/Fa = py(i)/py max.    (18)

Зависимость py(i), полученную экспериментально, можно аппроксимировать аналитическим выражением:

где α, β — параметры, которые определяются для каждого сочетания материалов круга и инструмента на основании опытных данных. Выразим их через py max, py min и i0.

При i=0 py(0)=pymax.
Отсюда: β =pymax.
При i=i0 py(i0)=pymin.
Так как αi0+pymax=pymin, то

α=-( pymax- pymin)/ i0.    (20)

Окончательно получаем:

или

где Fa определяется формулой (9), учитывает только взаимодействие идеальных материалов в условиях стационарности температурных полей. Поэтому авторами найдена новая формула для вычисления энергии адгезии, которая учитывает наличие микротрещин, переменность температурных полей и влияние электрического тока, протекающего в среде, где осуществляется процесс затачивания инструмента. Формула имеет вид:

(Все величины, входящие в эту формулу, определяются в единицах системы СИ для той температуры, для которой проводится вычисление энергии адгезии.)

Из выражения (23) следует, что с ростом плотности тока i значение энергии адгезии уменьшается. Следовательно, для сбивания налипающего на металлическую основу шлифовального круга слоя отходов потребуются меньшие силы, которые инициируются вследствие трения круга об обрабатываемую поверхность, поэтому для нормального хода процесса заточки потребуются меньшие силы поджатия. Эти выводы согласуются с изложенными выше результатами экспериментов.

Формула верна, если плотность тока i удовлетворяет неравенству:

0 ≤ i ≤ i0.   (24)

Для плотности тока i большей, чем пороговое значение i0, величина Fa равна значению, полученному при i = i0, а при вычислении энергии адгезии для режима самозатачивания i > i0 следует использовать следующую формулу:

Результаты экспериментальных исследований, представленные в данной статье, свидетельствуют о том, что основной причиной налипания отходов процесса резания на шлифовальные круги, имеющие металлическую основу, является их высокая степень адгезии с материалом основы, сопровождаемая их диффузией. Непрерывное удаление налипающего слоя возможно путем реализации процесса шлифования в растворе электролита, через который в определенном направлении пропускается постоянный электрический ток.

Результаты теоретических исследований позволяют сделать количественные оценки параметров, определяющих процесс резания в этих условиях.

Литература

  1. Янюшкин А.С. Технология комбинированного электроалмазного затачивания твердосплавных инструментов. М.: Машиностроение-1, 2003. 242 с.
  2. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. М.: Металлургия. 1988. 576 с.
  3. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного переменного. М.: Наука, 1973. 736 с.
  4. Янке Е., Эмдэ Ф., Лёш Ф. Специальные функции. М.: Наука, 1968. 344 с.
  5. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Молекулярная физика. М.: Гл. изд-во физ.-мат. лит., 1963. 500 с.
  6. Структура и свойства композиционных материалов / К.И. Портной, СЕ. Салибеков, И.Л. Светлов, В.М. Чубаров. М.: Машиностроение, 1979. 255 с.
  7. Захаров Д., Дронова Н.П., Никольская Л.Е. Исследования диффузии легирующих элементов в алюминиевых сплавах. В кн.: Алюминиевые сплавы // Деформированные сплавы / Под ред. И.Н. Фридляндер. М., 1964. Вып. 3. С. 159-174.
  8. Шоркин B.C. Оценка степени возможного схватывания стыковых неподвижных соединений вследствие их адгезии // Сборка в машиностроении и приборостроении. 2003. № 3. С. 25-28.
  9. Физические свойства: Справочник. Ч. 1. М.: Металлургия, 1976. 600 с.
  10. Кулаков Ю.М., Хрульков В.А., Дунин-Барковский И.В. Предотвращение дефектов при шлифовании. М.: Машиностроение, 1990. 560 с. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
  11. Авербах Б.Л. Некоторые физические аспекты разрушения / Под ред. Г. Либовиц. Разрушение. Т. 1. М.: Мир, 1973. С. 471-504.
  12. Френкель Я. Кинетическая теория жидкостей. Л.: Наука, 1978. 592 с.
  13. Дистлер Г.И. Поверхностные силы в тонких пленках и дисперсных системах. М.: Наука, 1972. С. 245—261.

А.С.Янушкин, канд. техн. наук (БрГТУ), В.С.Шоркин, д-р физ.-мат. наук (ОрелГТУ)
Справочник. Инженерный журнал №7, 2004, стр. 32-40

Статьи партнеров