Анотація до роботи:

Федорович В.О. Розробка наукових основ та способів практичної реалізації управління пристосовуваністю при алмазному шліфуванні надтвердих матеріалів. - Рукопис.

Дисертація у вигляді рукопису на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати й інструменти. - Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2002.

У дисертації вирішена науково-технічна проблема підвищення ефективності алмазного шліфування синтетичних надтвердих матеріалів за рахунок управління явищем пристосовуваності. Запропоновано методологію і розроблено систематику складового процесу пристосовуваності при алмазному шліфуванні надтвердих матеріалів. . На базі комплексного теоретико-експериментального вивчення 3D топографії оброблюваної поверхні і робочої поверхні шліфувального круга методом лазерного сканування, моделювання 3D напружено-деформованого стану єдиної системи "оброблюваний матеріал-робоча поверхня абразивно-алмазного круга" і динаміки зносу її елементів розроблена експертна система процесу шліфування, що дозволяє прогнозувати й оптимізувати процес бездефектної обробки, як існуючих, так і наново створюваних надтвердих матеріалів. Розроблено технічні рішення і рекомендації для практичного застосування, що дозволяє на їхній основі створювати високоефективні робочї процеси виготовлення прецизійних ріжучих інструментів із надтвердих матеріалів.

1. Пристосовуваність поверхонь, що контактують у процесі опрацювання, як об'єктивне явище цілком визначає ефективність алмазного шліфування. В результаті комплексних експериментально-теоретичних і 3D модельних досліджень розроблені наукові основи підвищення ефективності абразивно-алмазної обробки надтвердих матеріалів за рахунок управління процесом пристосовуваності шляхом спрямованого регулювання мікрорельєфу робочої поверхні кругів і через субмікрорельєф алмазних зерен.

Запропонована й обгрунтована методологія 3D моделювання напружено-деформованого стану зони шліфування як єдиної системи "НТМ-зерно-зв’язка'', що включає експериментальне вивчення 3D топографії взаємодіючих поверхонь лазерним скануванням і теоретичний опис 3D топографії абразивно-алмазних кругів. На цій основі створена імітаційна 3D модель напружено-деформованого стану системи "кристаліти надтвердого матеріалу-металлофаза-зерно-зв'язка", що дозволяє аналізувати її поводження в залежності від режимів обробки, характеристик кругів, рівня пристосовуваності системи і наявності або відсутності ЗОТС. На цій основі розроблена теоретико-експериментальна експертна система процесу шліфування, що дозволяє прогнозувати й оптимізувати процес бездефектної обробки як існуючих, так і наново створюваних надтвердих матеріалів. Розробка експертної системи виконана на рівні готового програмного продукту.

2. Теоретично обгрунтована і підтверджена модельними й експериментальними дослідженнями визначальна роль пристосовуваності (топографічна, структурно-фазова, енергетична) взаємодіючих поверхонь в ефективності процесу шліфування. Визначальним параметром, що характеризує процес пристосовуваності, є відносна фактична площа контакту, розрахунок якої робиться в два етапи. На першому етапі (макрорівень) визначається контурна площа контакту зерен з оброблюваним матеріалом і її зміна по мірі зносу круга шляхом умовної заміни дискретної поверхні квазибезперервною. На другому (мікрорівень) - визначається фактична площа контакту з урахуванням пружності металевої зв’язки за модернізованими залежностями Н.Б.Дьомкіна і І.В.Крагельского , які враховують розходження в параметрах топографії поверхонь , що контактують, (у якості характеристики жорсткості системи використовується модуль пружності металевої зв’язки).

3. Об’єднання елементів зони шліфування в єдину технічну 3D систему "НПМ-зерно-зв’язка", на відміну від диференційного підходу, дозволило установити взаємовплив їхніх фізико-механічних властивостей і геометричних параметрів на інтенсивність і характер взаємного мікроруйнування. На базі 3D моделювання напружено-деформованого стану зони шліфування запропонована науково-обґрунтована систематика механізмів руйнування її елементів з урахуванням ступеня контактування зв’язки з оброблюваним матеріалом. Систематика містить у собі типи взаємодії елементів і види їхнього руйнування. Механізми руйнування при алмазному шліфуванні надтвердих матеріалів визначаються анізотропією властивостей кристалітів алмазу, співвідношенням у контакті "м'яких" і "твердих" граней кристалітів і зерен. Доведено, що при розрахунках процесів руйнування анізотропних матеріалів слід використовувати не усереднені фізико-механічні характеристики, а їхні критичні значення з урахуванням специфіки конкретної задачі, що розв'язується. Підтверджений модельними й експериментальними дослідженнями втомлено-циклічний характер взаємного мікроруйнування як оброблюваного надтвердого матеріалу, так і алмазних зерен круга. Число циклів до руйнування визначається ступенем дефектності взаємодіючих структур і значеннями коефіцієнта тріщиностійкості.

4. Розроблена методика теоретичного й експериментального визначення питомого зносу і коефіцієнта використання потенційних ріжучих властивостей алмазних зерен, заснована на використанні в якості вимірювальної бази поверхні площадок на зернах, що стабільно утворюються при шліфуванні алмазного зразка (А.с. 1404892), дозволяє визначати оптимальні пари оброблюваного й абразивного матеріалів.

5. Створена експертна система процесу шліфування дозволяє прогнозувати й оптимізувати процес бездефектної обробки як існуючих, так і наново створюваних надтвердих матеріалів. Вона складається з двох взаємозалежних модулів - теоретичного й експериментального. У експертній системі використовується програмний комплекс розрахунків методом кінцевих елементів. Теоретичний модуль експертної системи дозволяє на заданому рівні значимості визначати значення вихідних показників і кінетику їхньої зміни в процесі пристосовуваності в залежності від фізико-механічних властивостей матеріалів, що взаємодіють, і умов обробки. Експериментальний модуль дозволяє погоджувати і корегувати результати теоретичних розрахунків при визначенні оптимальних умов шліфування і управління для обробки різних марок надтвердих матеріалів. У якості критерію оптимізації може бути обрана собівартість або продуктивність обробки, витрата алмазних кругів і різні показники якості. Використання експертної системи істотно скорочує обсяг трудомістких досліджень при визначенні оптимальних умов шліфування і управління при опрацюванні різних марок надтвердих матеріалів, у тому числі наново створюваних.

6. Встановлено, що динамічна міцність алмазних зерен є найважливішим параметром, який через характер і інтенсивність їхнього мікроруйнування визначає ефективність алмазного шліфування надтвердих матеріалів. Розроблена методика теоретичного й експериментального визначення динамічної міцності алмазних зерен безпосередньо в крузі дозволяє оцінювати цей параметр в умовах, максимально наближених до реальних, і рекомендована для атестації виготовлених шліфувальних кругів.

7. Розроблений комплекс способів ультразвукового алмазного шліфування з адаптивним комбінованим управлінням параметрами робочої поверхні кругів і субмікрорельєфом алмазних зерен, заснований на дозуванні видалення зв’язки і впливі на площадки зносу алмазних зерен алмазним індентором в діапазоні ультразвукових коливань (А.с. 1085146, 1519017). Формування на площадках зносу алмазних зерен субмікрорельєфу усуває періодичність процесу і підвищує коефіцієнт використання їх потенційних ріжучих властивостей. Для реалізації комбінованого управління процесом пристосовуваності розроблені спеціальні пристрої (А.с. 1103975, 10009685).

8. Для розроблених способів шліфування сформульовані вимоги до абразивного матеріалу круга (А.с. 1148761) і металевих зв’язок на основі заліза - з максимальним алмазоутриманням і достатньою оброблюваністю при електро-фізико-хімічному розмірному формоутворенні. Застосування залізовмісних металевих зв’язок у керованому процесі шліфування надтвердих матеріалів забезпечує сумарний позитивний ефект за рахунок підвищення використання зерен на 10-30% і активізації термоактивованого доведення за рахунок спорідненості заліза і алмазу. Доведено можливість суміщення термодоводочної і контрольної операцій при виготовленні лезового інструмента шляхом здійснення термоактивованого доведення при термосилових навантаженнях, що перевищують екстремальні умови його експлуатації.

9. Підвищення ефективності алмазного шліфування при комбінованому керуванні процесом пристосовуваності покращує коефіцієнт використання потенційних ріжучих властивостей алмазних зерен на 10-30%, знижує собівартість обробки і брак від дефектів на 5-20% за рахунок цілеспрямованої трансформації процесу і суміщення операцій продуктивного і/або прецизійного шліфування. Впровадження результатів роботи у виробництві дозволило одержати річний економічний ефект 240 тис. грн.

Публікації автора:

Статті в наукових виданнях

1. Грабченко А.И., Федорович В.А., Образков Б.В. Роль концентрации алмазов в круге при шлифовании поликрикристаллов сверхтвердых материалов // Сверхтвердые материалы. - 1984. - Вып.1. - С.49-52 .

2. Грабченко А.И., Федорович В.А., Наконечний Н.Ф., Грибовски Л., Веконь Ш. Алмазное шлифование синтетических сверхтвердых материалов и управление рельефом круга //Nehezipari muszaki egyetem gepgyartastechnologial tanszek.–Miskolc, - 1986. - С.102-111

3. Грабченко А.И., Федорович В.А., Пыжов И.Н. Обеспечение равновесного зазора при автономном управлении режущим рельефом алмазного круга // Тематический сб. науч. тр. "Прогрессивные технологические процессы, оборудование и инструмент". – Харьков: ХАИ, 1987.- С.59-64.

4. Федорович В.А., Образков Б.В. Способ измерения высоты выступания зерен над уровнем связки // Резание и инструмент. – 1990. - Вып.43. - С.48-50.

5. Федорович В.А., Доброскок B.Л., Наконечный Н.Ф. Оценка потенциальной режущей способности алмазных кругов // Резание и инструмент. - 1993. - Вып.47. - С.77-78.

6. Грабченко А.И., Федорович В.А., Алексеев К.М. Физическое и математическое моделирование обрабатываемости СТМ // Резание и инструмент. – 1994. - Вып.49.- С.18-22 .

7. Федорович В.А., Русанов В.В., Титаренко В.Ф. Взаимное разрушение элементов системы "зерно–связка-СТМ" при алмазном шлифовании // Резание и инструмент в технологических системах. - Харьков. – 1996.- Вып.50.- С.187-190.

8. Федорович В.А., Гринько С.А. Аналитический анализ прочности закрепления алмазного зерна в металлической связке // Резание и инструмент в технологических системах. - Харьков. – 1997. - Вып.51. - С. 234-236.

9. Федорович В.А., Гринько С.А. Алгоритм модели взаимодействия элементов системы "СТПМ - зерно" при шлифовании // Резание и инструмент в технологических системах. - Харьков. – 1999. - Вып.53. - С.167-170.

10. Федорович В.А. Удельный расход и удельный износ алмазных зерен при шлифовании СТПМ // Резание и инструмент в технологических системах.-Харьков.-1999. - Вып.54. - С.230-233.

11. Федорович В.А., Мамалис А. Моделирование управляемого процесса шлифования сверхтвердых материалов // Резание и инструмент в технологических системах. - Харьков. – 1999. - Вып.55. - С.214-219.

12. Федорович В.А. Методология изучения процесса разрушения алмазных зерен при шлифовании СТПМ // Високі технології в машинобудуванні: Зб. наук. праць. - Харків: ХДПУ, - 1999. - С.277-280.

13. Федорович В.А. Способы шлифования с комбинированным управлением режущим рельефом кругов // Вестник ХГПУ.- Харьков. - 1999.-Вып.45 .- С.26-28.

14. Федорович В.А., Гринько С.А. Динамика изменения параметров рабочей поверхности кругов при шлифовании СТПМ // Резание и инструмент в технологических системах. - Харьков. – 2000.- Вып. 56. - С.154-163.

15. Федорович В.А., Хавин Г.Л. Моделирование процессов ультразвуковой правки алмазных кругов // Резание и инструмент в технологических системах. - Харьков. – 2000. - Вып. 57. - С.235-244.

16. Федорович В.А, Гринько С.А. Пути повышения эффективности алмазного шлифования СТПМ // Вестник ХГПУ. – Харьков. - 2000. - Вып. 100. - С. 188-192.

17. Федорович В.А. Методика определения динамической прочности алмазных зерен в круге. Научно-технический журнал // Механіка та машинобудування. – Харьков: ХДПУ. – 2000. - С.251 – 256.

18. Федорович В.А., Гринько С.А., Шмитт М. Определение фактической площади контакта РПК с обрабатываемым СТПК // Высокие технологии в машиностроении. - Харьков: ХГПУ. - 2000. - С. 266-272.

19. Федорович В.А. Методология изучения процесса приспосабливаемости при алмазном шлифовании сверхтвердых материалов // Резание и инструмент в технологических системах. – Харьков. - 2000. - Вып. 58. - С. 106-116.

20. Федорович В.А. 3D моделирование напряженно-деформированного состояния системы "СТПМ–зерно–связка" при алмазном шлифовании. // Резание и инструмент в технологических системах. - Харьков. - 2000. - Вып. 59. - С. 184-190.

21. Федорович В.А. Анализ параметров рабочей поверхности алмазного круга при шлифовании СТПМ //Теоретичний і науково-практичний журнал інженерної академії України: Спец. вип.- Харьков. - 2000. – С.281- 286.

22. Grabchenco A.I., Fedorovich V.A., Horvath M., Mamalis A., Grinco S.A., Paulmier D. Development of the expert system of superhard polycrystalline material diamond grinding process under direction of grinding wheel relief // The international Journal of Advanced Manufacturing Technology. Springer-Verlag London Limited. – 2001. – P. 498 - 507.

23. Федорович В.А. Влияние анизотропии свойств кристаллитов на процесс взаимного разрушения элементов системы "СТПМ – зерно-связка" при шлифовании // Вісник інженерної академіі України. – Харків. – 2001. - С.480 - 484.

24. Федорович В.А. Роль частоты собственных колебаний алмазных зерен при алмазном шлифовании сверхтвердых материалов // Вестник НТУ "ХПИ". - Харьков. - 2001. - Вып. 6.- С. 275 - 278.

25. Федорович В.А., Кавалец М. Исследование качества поверхностного слоя поликристаллических сверхтвердых материалов при шлифовании // Вестник национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт". - К. - 2001.- Вып. 40. - С. 328 - 336.

26. Федорович В.А. Управление параметрами субмикрорельефа алмазных зерен при шлифовании сверхтвердых материалов // Высокие технологии в машиностроении: Сб. науч. трудов ХГПУ. - Харьков. - 2001. - С. 50 - 54.

27. Федорович В.А., Русанов В.В., Федорович Н.В., Янковяк М. Экспертная система процесса алмазного шлифования сверхтвердых материалов // Вестник НТУ "ХПИ". – Харьков. - 2001. - Вып. 7. - С. 255 - 260.

28. Федорович В.А. Шлифование поликристаллических сверхтвердых материалов с учетом анизотропии кристаллитов материалов // Вестник НТУ "ХПИ". - Харьков. - 2001. - Вып. 11.- С. 98 - 106.

29. Федорович В.А. Анализ эффективности использования алмазных зерен при шлифовании сверхтвердых материалов // Резание и инструмент в технологических системах. – Харьков.- Вып. 60. - 2001.- С. 235 - 243.

30. Федорович В.А. Теоретическая экспертная система процесса алмазного шлифования сверхтвердых материалов//Сучасне машинобудування.Киев,2000.-№ 3-4.-С.100-105.

31. Грабченко А.И. Федорович В.А. Влияние анизотропии свойств кристаллитов на процесс взаимного разрушения элементов системы СТПМ-зерно при шлифовании //Сверхтвердые материалы. – Киев. - 2002.- № 2.-С.64-70.

32. Грабченко А.И. Федорович В.А Экспертная система процесса алмазного шлифования сверхтвердых материалов //Сб. науч. тр. Института сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины. Серия Г: Процессы механической обработки, станки и инструменты.- Киев, 2002.-С.481-489.

Авторські посвідчення на винаходи

33. Способ шлифования: А.с. 1085146 / Грабченко А.И., Федорович В.А., Пыжов И.Н., Русанов В.В. № 3476234; Заявлено 06.08.82; Опубл.08.12.83, Бюл.№ 00 - 2 с.

34. Устройство для электроабразивной обработки с одновременной правкой круга: А.с. 1103975. / Грабченко А.И., Федорович В.А., Пыжов И.Н., Наконечний Н.Ф. - №.3341171/25 - 08; Заявлено 24.09.81; Опубл. 23.07.84, Бюл. №27.-3 с. ил.

35. Устройство для непрерывной электрохимической правки торцовых абразивных кругов; А.с. 1103976. / Грабченко А.И., Федорович В.А., Пыжов И.Н., Наконечний Н.Ф., Русанов В.В. - № 3493976 /25 – 08; Заявлено 27.09.82; Опубл. 22.03.84, Бюл. №27.- 4 с. ил.

36. Материал абразивного круга: А.с..№1148761./ ГрабченкоА.И., Федорович В.А., Пыжов И.Н., Наконечний Н.Ф.-№3483077/25-08; Заявлено 06.08.82;Опубл.08.12.84,Бюл.№13.-3 с.

37. Способ определения наибольшей высоты выступания зерен алмазных кругов: А.с. 1404892./ Грабченко А.И., Федорович В.А., Пыжов И.Н., Литвинов Е.В.- № 3882430/25-28; Заявлено 09.04.85; Опубл. 23.06.88, Бюл. №23. - 4 с.ил.

38. Способ шлифования кругами на металлической связке;А.с.1519017./Грабченко А.І., Федорович В.О., Пыжов І.М., Наконечний М.Ф.- № 4278351; Заявлено 09.07.87; Опубл. 01.07.89.

Праці конференцій

39. Федорович В.А., Гринько С.А. Экспериментально – аналитический анализ управляемого процесса шлифования СТМ // Пр. VІІ Міжнар. научн.-техн. семинару: "Высокие технологии в машиностроении: тенденции развития, менеджмент, маркетинг". - Харьков: ХПИ. -1997. - С. 252-255.

40. Grabchenko A.I., Dobroskok V.L., Nakonechniy N.F. Fedorovich V.A., New possiblities of diamond drinding // XX Jubileszowa Naukova Szkola Obrobki Scicmej Poman-Biazejewko, Poznan-Blazejewko 15-17 wrzesnia 1997. - C.125-127.

41. Грабченко А.И., Хорват М., Мамалис А.Г., Федорович В.А. Алмазное шлифование сверхтвердых материалов // Пр. Міжнарод. наук. – техн. конф. "Прогресивна техніка і технологія приладобудування і зварювального виробництва." - Київ. - 1998. - С.264 - 266.

42. Grabchenкo A.I., Fedorovich V.A., Kundrak J., Horvath M. Transformation of mechanisms of superhard polyciystals destruction in grinding process // International Computer Science Conference MicroCAD -98, Section F: Production Engineering, Manufacturing Systems. – Miscolс. - 1998. - С.234 - 241.

43. Grabchenko A.I., Fedorovich V.A., Grinco S.A. New ways of SHPM diamond drinding with wheel working relief combined control X-th international conference on tools, university of Miskolc, Hungary, September 6-8. - 2000. - C.175 - 181.

44. Грабченко А.И., Доброскок В.Л., Федорович В.А. 3D моделирование рабочей поверхности и абразивоносного слоя шлифовальных кругов из сверхтвердых материалов // Труды IV Междунар. конгр.: "Конструкторско-технологическая информатика - 2000" В 2-х т. - Т. 1. - М.: Изд-во "Станкин". - 2000. - С. 154 - 155.

45. Grabchenko A.I., Fedorovich V.A. The role of anisotropical properties of diamond cristallites in process of diamond grinding. International Scientific Conference (MicroCAD –2001), February 24-25. – Miscolс. - 2001. – C.59 - 63.

46. Федорович В.А., Гламазда С.Л., Ковалец М. Способы управления процессом приспосабливаемости при алмазном шлифовании СТПМ // Матер. междун. научн.- практ. конфер.: "Наука и социальные проблемы общества: Человек, техника, технология, окружающая среда. –Харьков: НТУ "ХПИ". - 2001. - С.194 - 200.

47. Грабченко А.И., Федорович В.А. Влияние анизотропии свойств кристаллитов на процесс взаимного разрушения элементов системы "СТПМ-зерно-связка" при шлифовании. // Тезисы докл. конф.: "Сверхтвердые инструментальные материалы на рубеже тысячелетий: получение, свойства, применение " (СТИМ-2001). - Киев. - 2001. – С.160 - 163.

48. Grabchenko A.I., Kavalec M., Jankowiak M., Fedorovich V.A. Increase of effeciency of diamond grinding superhard ofd materials // Тезисы междунар. конф.: "Mаnufacturing – 01", 8 - 9 listopada 2001 r. - Poznan. -2001. -С.351 – 358.

49. Федорович В.А., Кавалец М. Исследования качества поверхностного слоя поликристаллических сверхтвердых материалов при шлифовании. // Тезисы докладов. II Міжнародна конференція: "Прогресивна техніка і технологія–2001".-Киев–Севастополь-2001.–С. 74.

50. Grabchenko A.I., Fedorovich V.A. Ways of SHPM drinding with combined control of a wheel cutting relief // Conference: "Situation and perspective of research and development in chemical and mechanical industry" with international participation. - 22 – 24. October 2001, - Krusevac, -Yugoslavia. – P.142 – 147.

51. Федорович В.А., Русанов В.В., Кавалец М., Янковяк М Новые возможности изучения параметров режущего рельефа алмазных кругов // Матер.XI междунар. науч.-техн. семинара: "Высокие технологии, развитие и кадровое обеспечение". – Харьков: НТУ "ХПИ". - 2001. - С.214 - 222.

52. Grabchenko A.I., Fedorovich V.A., Rusanov V.V. 3D simulation of stress-deformed state of grinding zone of superhard materials.// Труды Междунар. конф.: "International Scientific Conference" (MicroCAD –2002). - March 7- 8. –Miscolc. - 2002. – C.95 - 98.