3D моделирование процесса алмазного шлифования методом конечных элементов

Постановка проблемы

Процесс изготовления алмазных кругов на различных связках характеризуется высокой трудоемкостью и низкой производительностью, большим расходом дорогостоящих алмазных зерен и, как следствие, высокой себестоимостью дальнейшего процесса эксплуатации алмазных кругов. Необходимо достичь повышения надежности и качества при изготовлении алмазно-абразивного инструмента, без чего невозможно его эффективное применение в производстве. Изготовление алмазно - абразивного инструмента, базируется на установлении физических и технологических закономерностей процесса спекания алмазноносного слоя. В настоящее время отсутствуют научно обоснованные рекомендации по выбору рациональных сочетаний прочности, марки зерна, зернистости, концентрации с физико - механическими свойствами связок. Следование существующим в литературе рекомендациям по применению в шлифовальных кругах на различных связках тех или иных сочетаний марок связок и алмазных зерен, их концентрации носят общий характер, что приводит к повреждению алмазных зерен в процессе спекания и в дальнейшем низкой производительности процесса абразивной обработки [1,2] . Анализ последних исследований и публикаций показал, что вопрос повышения эффективности алмазного шлифования остается актуальным и современные методы математического моделирования могут привнести значительные результаты. Согласно данным академика Лоладзе Т.Н., в процессе эксплуатации алмазно-абразивного инструмента коэффициент эффективного использования алмазных зерен не превышает 5-10%, остальные зерна разрушаются ещё на этапе изготовления либо выпадают в ходе эксплуатации круга. Поэтому на начальном этапе изготовления алмазного круга на различных связках важно определить оптимальные технологические 17 параметры его изготовления, а именно давление, температуру и время спекания при которых не будет нарушена целостность алмазных зерен. После этого, на следующем этапе эксплуатации спеченных кругов, необходимо рассмотреть и изучить факторы, уменьшающие произодительность процесса алмазного шлифования, что в дальнейшем позволить уменьшить их влияние и достичь высокого коэффициента использования алмазных зерен.

Цель исследования.

Целью данной работы является разработка методики определения оптимального сочетания прочностных свойств алмазных зерен и связки, при которых обеспечивается сохранение целостности алмазных зерен в процессе изготовления алмазного круга путем использования процесса 3D моделирования НДС зоны спекания его алмазоносного слоя.

Основные материалы исследования

Был изучен процесс спекания алмазоносного слоя шлифовальных кругов при помощи 3D-моделирования этого процесса. Рассматривалась математическая модель «свзяка-зерно- металлофаза» и учитывалось влияние компонентов этой системы на ее НДС (напряженно-деформированное состояние) в процессе спекания. Было изучено влияние свойств металлофазы (металла-катализатора) и её процентного содержания на изменение внутренних эквивалентных напряжений в алмазном зерне. При этом процесс моделировался для нескольких марок алмазных зерен и сравнивались полученные результаты. Кроме того, изучено влияние наличия покрытий на алмазных зернах и определен состав покрытия, позволяющий уменьшить эквивалентные напряжения в зерне [6] . В модели зерно и связка рассматривались упругими сплошными телами. Алмазные зерна моделировались в виде октаэдров (рис. 1) с размерами в зависимости от рассматриваемой зернистости от 50 30 30 до 500 300 300 мкм (рис. 1б). Наличие металла-катализатора в алмазных зернах моделировалось произвольно ориентированными пластинами, объемное содержание которых составляло 5-10%[7] . Рассматривалось наличие двух металлофаз, расположенных у граней октаэдра. Связка круга представлялась в виде кубического фрагмента с размерами от 0,5×0,5×0,5 до 3×3×3 мм в зависимости от размера и концентрации зерен. Модель нагружалась статической одноосной равномерно распределенной нагрузкой, в виде приложенных значений давления и температуры. Была создана расчетная 3D-модель, а расчеты напряженно-деформированного состояния в модели проводились в приложении CosmosWorks. Поскольку предел прочности алмаза при растяжении ниже предела прочности при сжатии, то в качестве критерия разрушения принимались полученные расчетным путем значения максимальных растягивающих напряжений алмазов различных марок и зернистостей[4,5] .

Рисунок 1 —Расчетная модель (а) и 3D-модель системы «алмазное зерно – металлофаза» (б)

После построения расчетной 3D –модели была сгенерирована сетка конечных элементов, причем сетка сгущалась в месте присутствия алмазного зерна и металла-катализатора (рис. 2).

Рисунок 2 — Сгенерированная конечно-элементная сетка в 3D модели

Проведенные теоретические исследования показали, что температура спекания алмазоносного слоя, в отличие от давления, оказывает наибольшее влияние на НДС системы «алмазное зерно- металлофаза-связка», независимо от вида связки. Увеличение напряжений в зёрнах наблюдается по контуру сферы, вписанной в октаэдр, и в местах сосредоточения металлофазы в зерне. Наличие большого количества металлических включений в кристаллах приводит к снижению их прочности и особенно термостойкости. Определено, что нагрев синтетических алмазов, начиная с температуры 750 С приводит к снижению их прочности. Причиной растрескивания алмазного зерна является различное значение коэффициентов термического расширения металлофазы (остатков металла- Металлофаза Алмазное зерно Связка Алмазное зерно Металлофаза19 катализатора) и алмазного зерна. Как правило, коэффициент термического расширения металла-катализатора гораздо больше, чем у синтетического алмаза. Поэтому при нагревании происходит, так называемый разрыв алмазного зерна изнутри. На рис. 3 и рис. 4 отображено влияние температуры спекания алмазоносного слоя на изменение эквивалентных напряжений, возникающих в зерне алмазных кругов на основе различных видов связок[3] . Определив значительную роль температурного фактора в разрушении алмазных зерен перешли к изучению влияния свойств металла-катализатора на сохранение целостности алмаза в процессе спекания алмазоносного слоя. Рассматривались четыре вида металлофазы (с преобладающим содержанием железа, кобальта, никеля и меди) и связка на основе керамики, титана, алюминия, железа и бронзы. Расчетные модели «связка-металлофаза- зерно» нагружались температурой 400 и 800 С. При этом, производилось комбинирование составляющих данной системы для определения оптимального сочетания элементов. Моделирование процесса спекания элемента алмазоносного слоя проводилось для зерна АС100, концентрации 200/160. В ходе расчетов были получены максимальные значения эквивалентных напряжений (табл. 1), которые сравнивались со значениями предела прочности синтетического алмаза на растяжение. Анализируя результаты расчетов, можно сделать вывод, что оптимальными являются такие сочетания зерен и связки, когда металлофаза зерна имеет низкий КТР и низкий модуль упругости, а связка в свою очередь является достаточно прочной. Причем, значение КТР должно являться определяющим при выборе металла-катализатора.

Рисунок 3 – Зависимость эквивалентных напряжений от температуры для кругов на металлических связках.

Рисунок 4 – Зависимость эквивалентных напряжений от температуры для кругов на керамических связках.

Таблица 1 — Максимальные значения эквивалентных напряжений при различных составляющих системы «связка-металлофаза-зерно» с алмазным зерном АС100 (200/160)

Изучена роль влияния процентного содержания металлофазы на сохранение целостности алмазного зерна, для чего была построена новая 3D модель «связка – алмазное зерно - металлофаза» с 20% содержанием металла- Металлофаза Алмазное зерно Связка21 катализатора в алмазном зерне АС65. Исходя из полученных результатов, утверждается, что увеличение процентного содержания металлофазы в синтетических алмазах ведет к увеличению величины эквивалентных напряжений в зерне. Изучена роль толщины и материала покрытий алмазного зерна (медь, молибден, натриевборосиликатное стекло) и подтверждено положительное влияние нанесенных покрытий на сохранение целостности алмазного зерна на этапе изготовления алмазного круга (рис.5).

Рисунок 5 — Динамика роста напряжений в системе «зерно–металлофаза–покрытие– связка» с алмазным зерном АС100; толщина покрытия 15 мкм.

На втором этапе исследований моделировали процесс эксплуатации алмазных шлифовальных кругов. Изучено влияние присутствия металлофазы в синтетических алмазах при абразивной и лезвийной обработке. Определены максимальные значения эквивалентных напряжений при увеличении усилия прижима шлифовального круга и увеличении температуры в зоне резания. Моделирование процесса шлифования проводилось по схожей методике указанной в первой части статьи. Использовался программный продукт SolidWorks и CosmosWorks. Была построена 3D-модель «связка – зерно – металлофаза – обрабатываемый материал». В исходной модели была использована керамическая связка, кобальтовая металлофаза (5% от объема алмазного зерна), алмазное зерно и заготовка из алюминия. Заготовка и фрагмент связки представлялись в виде пластин, а алмаз с геометрией октаэдра. В ходе расчетного эксперимента, модель нагружалась нормальной силой от 0,5 до 4 Н, что моделировало усилие прижима алмазного шлифовального круга во время абразивной обработки (рис. 6).

Рисунок 6 — 3D-модель «связка – зерно – металлофаза – заготовка» с конечно- элементной сеткой

Определено значительное влияние температуры в зоне резания на НДС алмазного зерна. Данное явление объяснимо влиянием температурного фактора на поведение металла-катализатора в алмазном зерне. Так, уже при температуре 500 С и усилии прижима 1 Н могут возникать нагрузки на 5 % превышающие максимальное значение напряжений без присутствия повышенных температур. Металл-катализатор обладает значительно большим коэффициентом температурного расширения нежели алмаз, и при увеличении напряжений происходит наложение полей напряжений вызванных силовой и температурной нагрузкой.

Выводы и перспективы

Проведение теоретического изучения 3D НДС системы «ОМ - зерно - металлофаза - связка» в специализированном пакете программ CosmosWorks позволило исследовать влияние качественного состава металлофазы на 3D НДС зоны шлифования при высоких температурах, а также рассчитать эквивалентные напряжения в исследуемой системе. Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности применения алмазных зерен с минимально возможным содержание металлофазы, преобладающим элементом, в составе которой должен быть металл с низким коэффициентом теплового расширения. Это позволит значительно увеличить коэффициент использования алмазных зерен и повысить экономичность алмазного шлифования.

Рисунок 7 —Распределение напряжений при увеличении температуры нагрева алмазного зерна.

Список использованной литературы

1.Семко М.Ф., Грабченко А.И., Ходоревский М.Г. Алмазное шлифование синтетических сверхтвердых материалов.-Х.,1980.-192 с.
2. Федорович В.О. Розробка наукових основ та способів практичної реалізації управління пристосовуваністю при алмазному шліфуванні надтвердих матеріалів. Автореф. дис. докт. техн. наук 05.03.01 – Харків, 2002, 34с
3. Новиков Н.В., Майстренко А.Л., Кулаковский В.Н. Сопротивление разрушению сверхтвердых композиционных материалов. - Киев: Наук. думка, 1993. – 220с.
4.Горанский Г.К. Автоматизация технического нормирования работ на металлорежущих станках с помощью ЭВМ/ Горанский Г.К., Владимиров Е.В., Ламбин Л.Н. Автоматизация технического нормирования работ на металлорежущих станках с помощью ЭВМ.- М.: Машиностроение, 1970.-224с.
5. Воронин Г.А., Мальнев В.И., Невструев Г.Ф Влияние включений на прочность синтетических алмазов при высоких температурах // Сверхтвердые материалы. – 1984 - № 2. – С.33-37.
6. Гаргин В.Г. Влияние включений в алмазах на их прочность // Сверхтвердые материалы. – 1983. - № 4. – С. 27-30 7. Казакова Н.В. Визначення раціональних характеристик алмазних кругів шляхом 3D моделювання процесів їх виготовлення і шліфування надтвердих матеріалів. Автореф. дис.... канд. техн. наук 05.03.01 – Харків, 2004, 23с.