Operation characteristics of glass materials goods depend on the defectness of the machined surface which is predetermined by the level of force and strain of grinding. The principles of modeling the technological processes of technical cetalls goods abrasive machining have been worked out. The methods of finite elements with the use of brittle destruction model based on the weakest link hypothesis has been used.

        При механической обработке крупногабаритных изделий из хрупких неметаллических материалов типа ситаллов при съеме больших припусков на предварительных этапах формообразования образуется дефектный поверхностный слой, отрицательно влияющий на эксплуатационные характеристики изделий. Сведение к минимуму величины этого слоя определяет степень эффективности их обработки.
        Выполненными теоретическими и экспериментальными исследованиями [1] подтверждена зависимость интенсивности развития дефектного слоя при обработке технических ситаллов и других хрупких неметаллических материалов от уровня напряженно-деформированного состояния (НДС) зоны резания, определяемого степенью силового воздействия на обрабатываемый материал (ОМ) при его диспергировании, то есть энергоемкостью процесса резания. В свою очередь энергоемкость определяется двумя категориями факторов: физико-механическими свойствами ОМ (прочностью, твердостью, хрупкостью, исходной дефектностью, видом и особенностями предшествующей обработки); технологическими параметрами процесса обработки, в том числе схемой шлифования.
        Однако с этой точки зрения проблема практически не исследована. Отсутствуют достоверные сведения о глубине и структуре нарушенного обработкой слоя и влиянии на параметры дефектности технологических факторов процессов механической обработки. Особый интерес, с точки зрения возможной оценки эффективности процесса формообразования, представляет определение для различных областей зоны контакта инструмента и изделия (образца) степени готовности объемов материала к разрушению в зависимости от условий шлифования. Это позволит, ориентируясь на возникающую ситуацию с уровнем НДС в различных зонах образца, без проведения дорогостоящих лабораторных и производственных экспериментов моделировать рациональные технологические процессы обработки изделия, варьируя условия обработки.
        Целью выполненных исследований является разработка средства моделирования НДС, учитывающее комплексную зависимость между входными параметрами процесса шлифования, уровнем силового воздействия на обрабатываемую поверхность и, как следствие, позволяющих прогнозировать интенсивность развития дефектности поверхностного слоя изделий.
        Получить абсолютную оценку НДС зоны обработки не только аналитически или с использованием численных методов, но и экспериментально не представляется возможным из-за сложности и не изученности процессов, протекающих в деформируемом твердом теле при резании, многообразия факторов, в том числе и технологических, влияющих на конечный результат. На первых этапах проектирования технологических процессов обработки изделий достаточно получить решения, которые носили бы относительный, оценочный характер и позволяли, сопоставляя уровень НДС зоны резания, изменяющийся при вариации входных параметров технологического процесса, прогнозировать предпочтительность конкретных вариантов обработки.
        Для решения поставленной задачи были разработаны компьютерно-математические модели НДС изделий – образцов при их шлифовании, основывающиеся на методах конечных элементов (МКЭ) и позволяющие исследовать НДС зоны обработки при взаимодействии трехмерного образца с абразивным инструментом при реализации конкретных схем обработки. При этом решались задачи теории упругости для изотропного, бездефектного трехмерного образца с целью приближенной оценки возникающих в нем напряжений. Влияние исходной дефектности материала образца на полученное решение учитывалось за счет его физико-механических характеристик.
        Решение задачи осуществлялось МКЭ с применением итерационного метода подконструкций с трехуровневой последовательностью сеток [2]. В результате счета получены: координаты узлов конечных элементов; нормальные и касательные напряжения в узлах всех конечных элементов; и главные напряжения в их узлах. Учитывая большой объем численной информации, для облегчения его анализа была разработана программа, позволяющая визуально оценить интенсивность напряженного состояния образца в различных сечениях.
        Рассматривалось изменение уровня НДС в обрабатываемом материале при моделировании различных вариантов схем плоского шлифования (рис. 1), отличающихся направлением силового воздействия на обрабатываемую поверхность при равенстве во всех трех случаях величины результирующего его значения q¯_Σ. Величина q¯_Σ выбиралась, исходя из обеспечения нарушения прочности ситалла в зоне контакта, и была принята равной q¯_Σ = 20,0 МПа.

        Рис. 1. Схемы дискретизации образцов при реализации схем плоского шлифования: а) – торцового с перекрытием поверхности обработки режущей поверхностью круга (подача только на врезание); б) – периферией круга при условии перекрытия поверхности обработки шириной круга; в) – торцового с поперечной подачей круга.

        Исходя из физико-механических характеристик обрабатываемых материалов, которые относятся к категории весьма хрупких, оценка их напряженного состояния при моделировании процесса шлифования достаточно объективно может осуществляться с помощью теории прочности Мора [3] по значениям эквивалентных напряжений σ_экв. В соответствии с этой теорией условием прочности будет являться соотношение
        где σ₁ и σ₂ – соответственно наибольшее и наименьшее по алгебраической величине значения главных напряжений в конкретной точке деформируемого тела; [σ_р] и [σ_сж] – соответственно допускаемые растягивающие и сжимающие напряжения обрабатываемого материала.
Наибольший интерес, с точки зрения развития дефектного слоя, обусловленного обработкой, представляет величина σ_экв в приповерхностных слоях деформируемых образцов, сосредоточенных вблизи места приложения нагрузки. В рассматриваемом примере это область с координатами Z = 17,88...20,0 мм; X = 0...18,0 мм; Y = 0...20,0 мм.
        На рис. 2 представлены графики изменения σ_экв в зависимости от глубины залегания (относительно координаты Z), которые свидетельствуют о существенном влиянии способа приложения нагрузки, то есть схемы шлифования.

        Рис. 2. Изменение величины эквивалентных напряжений в зависимости от глубины залегания при моделировании шлифования образцов ситалла по схемам плоского шлифования: а) – торцового; б) – периферией круга; в) – торцового с поперечной подачей круга.

        Наиболее неблагоприятной с точки зрения распределения напряжений в объеме образца является схема торцового шлифования без поперечной подачи (схема «а»). Учитывая, что уровень напряженного состояния обрабатываемого материала определяет глубину проникновения дефектного слоя h_d, можно заключить следующее. Величина h_d будет увеличиваться по мере разворота результирующей сил резания q¯_Σ в направлении от нормального по отношению к удаляемому припуску до нормального к обрабатываемой поверхности (переход от схемы «в» к схеме «а»). Причем эта тенденция будет усугубляться с ростом усилий резания, который физически может зависеть, например, от интенсивности режимов обработки, степени износа инструмента.
        Как показали результаты моделирования различных схем плоского шлифования, способ приложения нагрузки, ее направление существенно влияют на энергоемкость процесса диспергирования припуска. Установлено, что наиболее рациональными с точки зрения уменьшения развитости дефектного слоя, являются условия шлифования, обеспечивающие разворот результирующей силы резания в удаляемый припуск и уменьшение уровня силы.
        По результатам выполненных исследований можно заключить следующее. Предлагаемый способ моделирования НДС обрабатываемого изделия позволяет спрогнозировать тенденцию изменения глубины развития дефектного слоя при сопоставлении различных вариантов обработки, отличающихся величиной, направленностью и областью приложения усилий резания. Предложенный способ моделирования был апробирован и показал свою состоятельность при исследовании схем обработки реальных изделий в производственных условиях [4].

        1. Калафатова Л.П. Влияние технологической наследственности на эффективность процессов механической обработки стекломатериалов // Справочник. Инженерный журнал. – М.: Машиностроение. – 1997. – № 9. – С. 7-11.
        2. Дашевский Е.М, Калафатова Л.П. Компьютерное моделирование процесса разрушения образца из ситалла при алмазном шлифовании // Резание и инструмент в технологических системах: Междунар. научно-техн. сб. – Харьков: ХГПУ. – 1997. -Вып. 51. – С. 83-85.
        3. Сопротивление материалов / Под ред. Г.С. Писаренко. – К.: Вища школа, 1986.– 755 с.
        4. Калафатова Л.П. Влияние схемы шлифования на надежность процесса обработки изделий из стекломатериалов // Надійність інструменту та оптимізація технологічних