Удосконалення процесу алмазного шліфування надтвердих матеріалів за рахунок управління контактними напруженнями

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 «Прикладна механіка» (13 – Механічна інженерія). - Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, Харків, 2023. У дисертації викладено сучасні підходи до розширення технологічних можливостей процесу алмазного шліфування надтвердих матеріалів. Для цього була використана методологія 3D моделювання напружено-деформованого стану системи «синтетичний полікристал алмазу-алмазне зерно-металофаза-зв'язка круга» завдяки чому було виконано уточнення механізму самозагострення алмазних кругів. На базі цього було запропоновано ряд оригінальних технічних рішень по удосконаленню існуючих методів шліфування надтвердих матеріалів в основу яких була покладена примусова активація самозагострення алмазоносного шару шліфувальних кругів на органічних і металевих зв’язках. Об'єктом дослідження є процес шліфування надтвердих матеріалів. Предметом дослідження є управління контактними напруженнями в зоні шліфування. Метою дослідження є удосконалення процесу алмазного шліфування надтвердих матеріалів за рахунок управління контактними напруженнями. Україна знаходиться серед країн які в даний час широко застосовують вироби з надтвердих матеріалів. Світова практика свідчить про те, що перелік галузей народного господарства, де вони ще не знайшли застосування, неухильно скорочується. Особливо це стосується синтетичних алмазів. Їх унікальні фізико-механічні властивості визначають потенційні можливості застосування синтетичних алмазів у ряді таких галузей науки, техніки та виробництва, розвиток яких визначає перебіг технічного прогресу загалом. При виготовленні виробів з синтетичних алмазів самою трудомісткою технологічною операцією є формоутворення їх робочої, алмазної, частини. До тепер самим ефективним методом обробки надтвердих матеріалів є алмазне шліфування. Але як синтетичний алмаз, тобто оброблювальний матеріал, так і алмазні зерна круга є рівно твердими матеріалами, що створює унікальний в теорії обробки випадок. В таких умовах відсутнє впровадження зерен круга в синтетичний алмаз. А зняття припуску з оброблювального матеріалу можливе лише за рахунок його крихкого мікроруйнування. А для цього потрібно щоб на поверхні алмазних зерен постійно існували гострі мікро- і субмікрокромки. Це потребує реалізації таких умов обробки, які забезпечували б потрібний механізм самозагострення алмазних зерен. А для цього треба дослідити контактні напруження в зоні обробки і знайти методи управління ними. В даних умовах дуже ефективним засобом для їх дослідження є методологія 3D моделювання системи шліфування. Практика шліфування надтвердих матеріалів показала, що при використанні як традиційних, так і нових підходів до цього процесу на теперішній час не вдалося вирішити протиріччя яке існує між умовами отримання потрібних значень основних вихідних показників обробки. Тому актуальним є проведення досліджень, спрямованих на удосконалення існуючих способів обробки надтвердих матеріалів. В цьому передбачається їх значний резерв. Оскільки синтетичні полікристали алмазу, як різновид синтетичного алмазу, найбільш розповсюджені, і мають значну більшу мікротвердість ніж інші не алмазні надтверді матеріали, то в дослідженнях використовувалися в основному саме вони. Це пов’язане з тим, що вирішення проблеми їх обробки автоматично вирішує і проблеми обробки інших ,менш твердих, надтвердих матеріалів. При вирішенні завдань дисертаційного дослідження застосовані сучасні положення теорії обробки матеріалів різанням, теорії електрохімічної обробки, класичної механіки, елементів теорії математичної обробки експериментальних даних. Для дослідження напружено-деформованого стану системи шліфування «синтетичний полікристал алмазу-алмазне зерно-металофаза-зв'язка круга» стосовно процесів шліфування синтетичного полікристалу алмазу алмазними кругами на органічних і металевих зв’язках використовувалася концепція 3D моделювання, заснована на методі скінчених елементів. При використанні мікроскопічних досліджень для забезпечення візуалізації об’єктів що розглядалися, використовували цифрову камеру ToupCam UCMOS01300KPA. Експериментальні дослідження проводилися з використанням загальноприйнятих і запропонованих оригінальних методик на спеціальному стенді на базі універсально заточувального верстата який після модернізації міг перетворюватися у плоскошліфувальний верстат з вертикальним шпинделем. У роботі застосовувалися положення теоретичної та прикладної статистики, а також програмне забезпечення SolidWorks, КОМПАС, CorelDRAW, Visio, Maple, ToupView, Statistica, Microsoft Office та його додаток Microsoft Office Excel. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, наведена наукова новизна та сформульоване практичне значення отриманих результатів. У першому розділі дисертаційної роботи проведено аналіз сучасних світових тенденцій, які намітилися в останні роки в області виробництва, застосування і методів обробки синтетичного полікристалу алмазу. На основі аналізу джерел інформації виявлені питання, які залишаються невирішеними у цій предметній області. На підставі проведеного аналізу була висунута робоча гіпотеза, суть якої полягає у можливості підвищення ефективності процесів обробки синтетичного полікристалу алмазу шляхом удосконалення способів алмазного шліфування. Об'єднуюча ідея представленої роботи полягає у комплексному теоретико-експериментальному дослідженні фізичних та технологічних особливостей процесів шліфування синтетичного полікристалу алмазу, встановлення на цій основі основних передумов для реалізації умов примусового самозагострення алмазних зерен та їх практична реалізація у запропонованих способах шліфування. У другому розділі викладена загальна методика проведення досліджень, а також наведено дані стосовно ряду приватних методик. Серед них ряд таких, що визнані винаходами. На їх основі виконана систематизація методик контролю лінійного зносу круга і лінійного знімання деталі. Наведено дані по математичній обробці результатів експериментальних досліджень та ін. У третьому розділі наведено результати 3D моделювання напружено-деформованого стану системи шліфування «синтетичний полікристал алмазу - алмазне зерно-металофаза-зв'язка круга» метою якого є уточнення механізму самозагострення алмазних кругів, як основи для розробки пропозицій по удосконаленню існуючих способів шліфування синтетичного полікристалу алмазу алмазними кругами на металевих і органічних зв'язках. У четвертому розділі наведені результати теоретико - екперіментальних досліджень по удосконаленню комбінованого процесу шліфування синтетичного полікристалу алмазу алмазними кругами на металевих зв’язках який включає в себе безперервне електрохімічне видалення зв’язки в автономній зоні та одночасне введення в зону обробки низькочастотних механічних коливань як основних складових управління контактними напруженнями, а, отже, і вихідними показниками процесу обробки. Вперше використаний такий комплексний фактор, як імпульс сили, який в даному випадку є результатом одночасного прояву таких параметрів процесу, як маса додаткового вантажу і амплітуди механічних коливань. Встановлено вплив умов обробки на технологічні показники процесу шліфування. У п’ятому розділі наведені дані о практичних розробках направлених на удосконалення існуючих способів шліфування синтетичного полікристалу алмазу. Зокрема на основі використання явища пристосування вперше запропоновано нові фізичні критерії такі як ефективна складова тангенціальної сили різання і ефективний коефіцієнт шліфування. Стосовно умов високо силових контактних напружень характерних для випадку шліфування алмазними кругами на органічних зв’язках і встановленого механізму їх самозагострення запропоновані удосконалені способи шліфування, які забезпечують підвищення ефективності обробки синтетичного полікристалу алмазу. Всі технічні розробки виконані на рівні винаходів. Наукова новизна проведеного дослідження полягає в розроблених науково-методичних рекомендаціях, спрямованих на вдосконалення процесів шліфування синтетичного полікристалу алмазу. Основні результати, які були отримані в процесі вирішення поставлених завдань та становлять наукову новизну дослідження, полягають у наступному: 1) вперше, враховуючи встановлений факт, що високопродуктивне шліфування синтетичного полікристалу алмазу в умовах введення в зону обробки низькочастотних механічних коливань потребує збільшених значень швидкостей примусового видалення металевої зв’язки круга, запропоновано розширити діапазон регулювання сили струму в ланцюгу електрохімічної правки робочої поверхні круга шляхом зміни величини омічного опору і технологічної напруги поперемінно, що дозволяє значно поліпшити техніко - економічні показники обробки; 2) вперше встановлено, що поліпшення якості формоутворення ріжучих кромок лезових інструментів з синтетичного полікристалу алмазу в умовах введення в зону шліфування механічних коливань низької частоти заснованих на використанні енергії додаткового вантажу, що вільно падає, доцільне за рахунок використання раціональних поєднань значень параметрів механічних коливань, зокрема, потрібно прагнути використовувати верхні граничні частоти коливань для механічних вібраторів при зменшених амплітудах; 3) вперше запропонований до використання такий режимний комплексний фактор, як імпульс сили, який в даному випадку є результатом поєднання таких параметрів процесу, як маса додаткового вантажу і амплітуда механічних коливань враховуючи той факт, що постійність імпульсу сили при різних поєднаннях вказаних параметрів дає практично однакові значення вихідних показників обробки при незмінних інших умовах; 4) розширено уявлення відносно процесу шліфування синтетичного полікристалу алмазу алмазними кругами на органічних зв’язках згідно з яким в умовах взаємодії двох рівнотвердих алмазних структур, алмазоносного шару круга і оброблювального матеріалу, алмаз одночасно виступає у якості оброблювального матеріалу і правлячого олівця, тобто має місце комбінація і одночасна реалізація в часі двох процесів – високопродуктивного шліфування виробу з синтетичного полікристалу алмазу і правки алмазного шліфувального круга за допомогою цього ж виробу методом «точіння»; 5) отримало подальший розвиток ідея, що в основі процесу самозагострення алмазних зерен лежить можливість їх вдавлення у зв’язку круга під дією нормальної складової і їх самозагострення шляхом мікро- і макроруйнування переважно під дією тангенціальної складової сили шліфування, оскільки межа міцності алмазу на вигин практично на порядок менше ніж на стиск, що доказано шляхом 3D розрахунків еквівалентних напружень і деформацій при моделюванні системи «CПА-алмазне зерно-металофаза-зв'язка круга»; 6) отримало подальший розвиток використання коефіцієнта шліфування для оцінювання ефективності процесу шліфування для чого запропоновано встановлювати його значення на базі ефективної складової тангенціальної сили шліфування, що дозволяє більш коректно оцінювати ріжучу здатність алмазного круга при шліфуванні синтетичного полікристалу алмазу, а, отже, і ефективність процесу шліфування в цілому. Апробація запропонованих методик докладалась і обговорювалась на науково-практичних та науково-технічних конференціях: «ХІІ Міжнародна науково-практична конференція магістрантів та аспірантів» (Харків, 2018 р.); «Нові і нетрадиційні технології в ресурсо- та енергозбереженні» (Одеса, 2018 р., 2019 р., 2020 р., 2021 р, 2022 р.); «Машинобудування очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво» (Краматорськ, 2018 р.); «Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я» (Харків, 2019 р., 2020 р., 2021 р., 2022 р.); «Сучасні технології у промисловому виробництві» (Суми 2019 р., 2020 р.); Grabchenko’s International Conference on Advanced Manufacturing Processes, (InterPartner 2021; Odessa; Ukraine). Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі кафедри «Інтегровані технології машинобудування» ім. М.Ф. Семка Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» при підготовці бакалаврів і магістрів за спеціальністю «Прикладна механіка», зокрема при викладанні дисциплін «Теоретичні основи технологій машинобудування» та «Наукові дослідження в галузі». Удосконалені процеси алмазного шліфування впроваджено на підприємстві Полтавський алмазний інструмент при заточуванні лезових інструментів з синтетичного полікристалу алмазу. За рахунок використання запропонованих технологічних рекомендацій на підприємстві за період з січня 2021 р. по січень 2022 р. було отримано економічний ефект в сумі 98,9 тис. грн. Практичні результати, отримані в роботі, захищені 13 патентами України на корисні моделі.

Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 131 "Applied Mechanics" (13 - Mechanical Engineering). - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2023. This thesis describes modern approaches to expanding the technological capabilities of the diamond grinding process for superhard materials. For this purpose, the methodology of 3D modeling of the stress-strain state of the system "synthetic polycrystalline diamond-diamond grain-metal phase-bonded wheel" was used, which allowed to clarify the mechanism of self-sharpening of diamond wheels. Based on this, a number of original technical solutions were proposed to improve existing methods of grinding superhard materials based on the forced activation of self-sharpening of the diamond-bearing layer of grinding wheels on organic and metal bonds. The object of research is the process of grinding superhard materials. The subject of the study is the control of contact stresses in the grinding zone. The purpose of the study is to improve the process of diamond grinding of superhard materials by controlling contact stresses. Ukraine is among the countries that are currently widely using products made of superhard materials. Global practice shows that the list of industries where they have not yet found application is steadily shrinking. This is especially true for synthetic diamonds. Their unique physical and mechanical properties determine the potential application of synthetic diamonds in a number of such fields of science, technology and production, the development of which determines the course of technological progress in general. When manufacturing products from synthetic diamonds, the most labor-intensive technological operation is the shaping of their working, diamond, part. Until now, diamond grinding has been the most effective method of processing superhard materials. However, both synthetic diamond, i.e., the cutting material, and the diamond grains of the wheel are equally hard materials, which creates a unique case in the theory of machining. Under such conditions, there is no penetration of the wheel grains into the synthetic diamond. And the removal of the allowance from the workpiece is possible only through its brittle microfracture. And this requires that sharp micro- and submicro-edges constantly exist on the surface of the diamond grains. This requires the implementation of such processing conditions that would provide the necessary mechanism for self-sharpening of diamond grains. To do this, it is necessary to study the contact stresses in the processing zone and find methods to control them. In these conditions, the methodology of 3D modeling of the grinding system is a very effective tool for their study. The practice of grinding superhard materials has shown that the use of both traditional and new approaches to this process has not yet resolved the contradiction that exists between the conditions for obtaining the required values of the main output indicators of processing. Therefore, it is important to conduct research aimed at improving the existing methods of processing superhard materials. This suggests their significant reserve. Since synthetic diamond polycrystals, as a type of synthetic diamond, are the most common and have a significantly higher microhardness than other non-diamond superhard materials, they were mainly used in the research. This is due to the fact that solving the problem of their processing automatically solves the problems of processing other less hard superhard materials. The modern provisions of the theory of materials processing by cutting, the theory of electrochemical processing, classical mechanics, elements of the theory of mathematical processing of experimental data were used in solving the problems of the dissertation research. The concept of 3D modeling based on the finite element method was used to study the stress-strain state of the grinding system "synthetic diamond polycrystal-diamond grain-metal phase-bonded wheel" in relation to the processes of grinding synthetic diamond polycrystal with diamond wheels on organic and metal bonds. When using microscopic studies, a digital camera ToupCam UCMOS01300KPA was used to provide visualization of the objects under consideration. Experimental studies were carried out using generally accepted and proposed original methods on a special stand based on a universal sharpening machine, which, after modernization, could be converted into a surface grinding machine with a vertical spindle. The provisions of theoretical and applied statistics, as well as SolidWorks, KOMPAS, CorelDRAW, Visio, Maple, ToupView, Statistica, Microsoft Office and its application Microsoft Office Excel were used in the work. The introduction substantiates the relevance of the research objectives, presents the scientific novelty and formulates the practical significance of the results obtained. The first chapter of the dissertation analyzes the current global trends that have emerged in recent years in the field of production, application and processing methods of synthetic polycrystalline diamond. Based on the analysis of information sources, the author identified issues that remain unresolved in this subject area. Based on the analysis, a working hypothesis was put forward, the essence of which is the possibility of increasing the efficiency of synthetic polycrystalline diamond processing by improving diamond grinding methods. The unifying idea of the presented work is a comprehensive theoretical and experimental study of the physical and technological features of the processes of grinding synthetic diamond polycrystals, establishing on this basis the basic prerequisites for theimplementation of the conditions for forced self-sharpening of diamond grains and their practical implementation in the proposed grinding methods. The second section describes the general methodology of the research, as well as data on a number of private methods. Among them are a number of those recognized as inventions. They are used to systematize the methods of controlling linear wear of the wheel and linear part removal. The data on the mathematical processing of the results of experimental studies, etc. are presented. The third section presents the results of 3D modeling of the stress-strain state of the grinding system "synthetic polycrystal diamond - diamond grain - metal phase – wheel binder", the purpose of which is to clarify the mechanism of self-sharpening of diamond wheels as a basis for developing proposals for improving existing methods of grinding synthetic polycrystal diamond with diamond wheels with metal and organic bonds. The fourth section presents the results of theoretical and experimental studies on improving the combined process of grinding a synthetic polycrystal of diamond by diamond wheels on metal bonds, which includes continuous electrochemical removal of the bond in an autonomous zone and the simultaneous introduction of low-frequency mechanical vibrations into the processing zone as the main components of contact stress control and, consequently, the output indicators of the processing process. For the first time, such a complex factor as a force impulse was used, which in this case is the result of the simultaneous manifestation of such process parameters as the mass of the additional load and the amplitude of mechanical vibrations. The influence of machining conditions on the technological parameters of the grinding process was determined. The fifth section presents data on practical developments aimed at improving the existing methods of grinding synthetic diamond polycrystal. In particular, new physical criteria such as the effective component of the tangential cutting force and the effective grinding coefficient were proposed for the first time based on the use of the adaptation phenomenon. With regard to the conditions of high contact stresses typical for the case of grinding with diamond wheels on organic bonds and the established mechanism of their self-sharpening, improved grinding methods have been proposed that provide an increase in the efficiency of processing synthetic polycrystals of diamond. All technical developments were performed at the level of inventions. The scientific novelty of the study lies in the developed scientific and methodological recommendations aimed at improving the processes of grinding synthetic diamond polycrystals. The main results obtained in the process of solving the tasks and constituting the scientific novelty of the study are as follows: 1) for the first time, taking into account the established fact that high-performance grinding of synthetic diamond polycrystal under conditions of introduction of lowfrequency mechanical vibrations into the processing zone requires increased values of the speed of forced removal of the metal bond of the wheel, it is proposed to expand the range of current control in the circuit of electrochemical dressing of the working surface of the wheel by changing the value of ohmic resistance and process voltage alternately, which can significantly improve the technical and economic indicators of processing; 2) for the first time, it was established that improving the quality of forming the cutting edges of blade tools made of synthetic polycrystalline diamond under the conditions of introducing low-frequency mechanical vibrations into the grinding zone based on the use of energy of an additional free-falling load is advisable by using rational combinations of values of mechanical vibration parameters, in particular, it is necessary to strive to use the upper limit vibration frequencies for mechanical vibrators at reduced amplitudes; 3) for the first time, such a mode complex factor as a force impulse was proposed for use, which in this case is the result of a combination of such process parameters as the weight of the additional load and the amplitude of mechanical vibrations, taking into account the fact that the constancy of the force impulse under different combinations of these parameters gives almost the same values of the output processing indicators under other conditions; 4) the idea of the process of grinding a synthetic polycrystal of diamond with diamond wheels on organic bonds was expanded, according to which, under the conditions of interaction of two equally hard diamond structures, the diamond-bearing layer of the wheel and the processing material, diamond simultaneously acts as a cutting material and a dressing pencil, i.e. there is a combination and simultaneous realization in time of two processes - high-performance grinding of a product made of synthetic polycrystalline diamond and dressing of a diamond grinding wheel with the same product by the "turning" method; 5) the idea that the process of self-sharpening of diamond grains is based on the possibility of their pressing into the bond of the wheel under the influence of the normal component and their self-sharpening by micro- and macro-fracture mainly under the influence of the tangential component of the grinding force was further developed, since the tensile strength of diamond is almost an order of magnitude less than the compressive strength, which was proved by 3D calculations of equivalent stresses and strains in modeling the system "CPA-diamond grain-metal phase-bonded wheel"; 6) the use of the grinding coefficient to evaluate the efficiency of the grinding process was further developed, for which it was proposed to set its value based on the effective component of the tangential grinding force, which allows a more correct assessment of the cutting ability of a diamond wheel when grinding a synthetic diamond polycrystal, and, consequently, the efficiency of the grinding process as a whole. The proposed methods were tested and discussed at scientific and practical, scientific and technical conferences: "XII International Scientific and Practical Conference of Undergraduate and Postgraduate Students" (Kharkiv, 2018); "New and Non-traditional Technologies in Resource and Energy Conservation" (Odesa, 2018, 2019, 2020, 2021, 2021, 2022); "Mechanical Engineering through the Eyes of the Young: Progressive Ideas - Science - Production" (Kramatorsk, 2018); "Information Technologies: Science, Engineering, Technology, Education, Health" (Kharkiv, 2019, 2020, 2021, 2022); "Modern Technologies in Industrial Production" (Sumy, 2019, 2020); Grabchenko's International Conference on Advanced Manufacturing Processes, (InterPartner 2021; Odesa; Ukraine). The practical significance of the results obtained is that the results of the dissertation are used in the educational process of the M.F. Semko Department of Integrated Mechanical Engineering Technologies of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" in the training of bachelors and masters in the specialty "Applied Mechanics", in particular in teaching the disciplines "Theoretical foundations of mechanical engineering technologies" and "Scientific research in the industry". Improved diamond grinding processes were introduced at Poltava Diamond Tools when sharpening blade tools made of synthetic diamond polycrystals. Due to the use of the proposed technological recommendations at the enterprise for the period from January 2021 to January 2022, an economic effect in the amount of UAH 98.9 thousand was obtained. The practical results obtained in the work are protected by 13 patents of Ukraine for utility models.