Анотація до роботи:

Козакова Н.В. Визначення раціональних характеристик алмазних кругів шляхом 3D моделювання процесів їх виготовлення і шліфування надтвердих матеріалів. – Рукопис.

Дисертація у вигляді рукопису на здобуття ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – процеси механічної обробки, верстати й інструменти. – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2004.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми підвищення ефективності алмазного шліфування за рахунок визначення раціональних характеристик алмазних кругів на етапах їх виготовлення і експлуатації. На основі комплексного 3D моделювання напружено-деформованого стану елементів зон спікання алмазоносного шару круга, шліфування надтвердих матеріалів (НТМ) і точіння інструментом з НТМ розроблено алгоритм експертної системи визначення характеристик алмазного круга, що забезпечують цілісність його зерен, підвищення продуктивності шліфування, зменшення дефектності НТМ і питомої витрати алмазних зерен, а також зниження експлуатаційних відмов лезового інструмента з НТМ, що заточується.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі підвищення ефективності алмазного шліфування за рахунок визначення раціональних характеристик алмазно-абразивного інструмента на етапах його виготовлення та експлуатації, у результаті якого зроблено наступні висновки:

1. У зв’язку з відсутністю науково обґрунтованих рекомендацій з поєднань марок алмазних зерен, їхньої зернистості, концентрації і марок зв’язки круга для ефективного шліфування матеріалів різної твердості на базі теоретико-експериментальних досліджень розроблено алгоритм експертної системи визначення раціональних характеристик алмазних кругів, в основу якого покладено 3D моделі зони спікання алмазоносного шару круга, зони шліфування НТМ та зони точіння лезовим інструментом з НТМ, які дозволяють аналізувати їх поведінку при різних характеристиках і умовах взаємодії елементів.

2. Розроблено комплексну методику дослідження просторових систем «алмазне зерно–зв’язка» при спіканні, «НТМ–зерно–зв’язка» при шліфуванні і «різець з НТМ–деталь» при точінні, що включає 3D моделювання і теоретичне вивчення теплового і напружено-деформованого стану елементів данних систем, а також експериментальне вивчення параметрів поверхонь, що взаємодіють у процесі шліфування.

3. На основі 3D моделювання напружено-деформованого стану алмазоносного шару круга при спіканні встановлено, що міцність металевої зв’язки визначається міцністю алмазних зерен, що спікаються з нею,а також їх концентрацією і зернистістю. Зниження концентрації алмазів у крузі до 5-40% дозволяє при раціональному виборі їхньої марки, зернистості і марки зв’язки зберегти вихідні властивості зерен круга на етапі його виготовлення. Одержано науково обґрунтовані рекомендації з раціональних складів алмазно-металевих композицій для виготовлення шліфувальних кругів.

4. Визначено температури в макро- і мікроб’ємах оброблюваних НТМ для реалістичного моделювання зони шліфування. На основі ЗD моделювання нестаціонарного теплового поля встановлено закономірності зміни температур і температурних градієнтів у залежності від характеристик алмазних кругів і режимів шліфування. Контактування в зоні шліфування рівнотвердих структур і особливості теплофізичних властивостей надтвердих матеріалів визначають високу теплонапруженність процесу алмазного шліфування НТМ (середньооб’ємні температури алмазних і нітридборних НТМ сягають 1000 К і 650 К відповідно, локальні температури в зоні контакту алмазного зерна з поверхнею НТМ – 1600 К і 1300 К відповідно) і значну динаміку її зміни (градієнти температур – до 800 К/мм, швидкості нагрівання – до 2000 К/с).

5. Тривимірний підхід до моделювання зони шліфування дозволив дати кількісну оцінку впливу умов її силового і теплового навантаження, показників фактичної площі контакту, а також фізико-механічних і теплофізичних властивостей її елементів на інтенсивність процесів руйнування при шліфуванні, на підставі якої встановлено раціональні характеристики алмазного круга, що забезпечують підвищення ефективності алмазного шліфування.

6. З метою зниження собівартості алмазного шліфування НТМ запропоновано використовувати склад алмазоносного шару круга із зниженою до 10-45% концентрацією алмазних зерен, який при шліфуванні з їх мінімальною робочою висотою (0,16-0,18 розміру зерна) і раціональному сполученні міцносних і теплових властивостей оброблюваного матеріалу, металевої зв’язки і зерен круга, забезпечує підвищення продуктивності шліфування в 1,4 рази, зниження дефектності НТМ на 30% і питомої витрати алмазних зерен на 40%. У якості додаткового фактора, що обмежує макророзтріскування НТМ, визначено поперечну подачу або нормальний тиск у контакті.

7. Взаємозалежне моделювання напружено-деформованого стану зони точіння інструментом з НТМ і зони його шліфування дозволило визначити характеристики алмазного круга і режими заточування різців з надтвердих матеріалів під конкретні умови наступної експлуатації з метою зниження їх відмов через руйнування різальної частини інструмента.

8. На основі комплексного підходу до 3D моделювання напружено-деформованого стану елементів зони спікання алмазоносного шару круга і зони шліфування НТМ визначено науково обґрунтовані рекомендації з вибору раціональних характеристик алмазного круга для ефективної обробки досліджуваних марок НТМ із керуванням ріжучим рельєфом круга і без нього. Результати роботи впроваджено у ВАТ «Полтавський алмазний завод» з річним економічним ефектом 35 тис. грн. (за даними замовника).

Публікації автора:

1. Островерх Е.В., Маслов В.А., Козакова Н.В. Тепловые процессы в шлифуемых двухслойных пластинах // Резание и инструмент в технологических системах. – Харьков: ХГПУ. – 1995-1996. – Вып. 50. – С. 138-142.

Здобувачем встановлено залежності температур шліфування від часу і пояснено теоретичні передумови появи їх критичних значень.

2. Козакова Н.В., Лушпенко С.Ф., Маслов В.А., Островерх Е.В. Математическое моделирование тепловых процессов при тонком алмазном шлифовании сверхтвердых пластин путем решения сопряженных задач // Високі технології в машинобудуванні. – Харків: ХДПУ. – 1998. – С. 157-160.

Здобувачем запропоновано в якості інформації про теплове джерело алмазного шліфування використовувати експериментально встановлену функціональну залежність потужності обробки від часу.

3. Островерх Е.В., Лушпенко С.Ф., Козакова Н.В., Маслов В.А. Особенности динамики температурных полей в шлифуемых двухслойных пластинах // Резание и инструмент в технологических системах. – Харьков: ХГПУ. – 1999. – Вып. 54. – С. 184-188.

Здобувачем сформовано масиви даних з потужності шліфування та номінальної площі контакту для розрахунків в системі «PHOENICS» і проведено аналіз одержаних температурних полів і полів температурних градієнтів.

4. Козакова Н.В. Расчет локальных температур при шлифовании сверхтвердых пластин // Резание и инструмент в технологических системах. – Хаьков: ХГПУ. – 2000. – Вып. 56. – С. 91-95.

5. Козакова Н.В. Анализ локальных температур при тонком шлифовании сверхтвердых поликристаллических материалов // Резание и инструмент в технологических системах. – Харьков: ХГПУ. – 2000. – Вып. 57. – С. 122-125.

6. Козакова Н.В., Островерх Е.В., Хавин Г.Л. Методика расчета температуры хрупкого разрушения системы «алмазный кристаллит–металлофаза» // Резание и инструмент в технологических системах. – Харьков: НТУ «ХПИ». – 2001. – Вып. 59. – С. 124-128.

Здобувачем запропоновано методику розрахунку температури крихкого руйнування системи «алмазний кристаліт–металофаза».

7. Козакова Н.В. Оценка температуры разрушения в системе «алмазный кристаллит–металлофаза» с учетом внутренних дефектов алмазов // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». – Харків: НТУ «ХПІ». – 2001. – № 6. – С. 122-125.

8. Федорович В.А., Островерх Е.В., Козакова Н.В. Обеспечение надежности лезвийного инструмента из сверхтвердых материалов на стадии его изготовления // Резание и инструмент в технологических системах. – Харьков: НТУ «ХПИ». – 2002. – Вып. 62. – С. 158-161.

Здобувачем розроблено алгоритм визначення умов заточування лезового інструмента з НТМ за його напружньо-деформованим станом.

9. Козакова Н.В., Федорович В.А. Влияние прочностных свойств элементов системы «круг–деталь» на оптимальную концентрацию алмазных зерен // Резание и инструмент в технологических системах. – Харьков: НТУ «ХПИ». – 2003. – Вып. 64. – С. 133-140.

Здобувачем досліджено вплив властивостей зв’язок шліфувального круга на величину концентрації алмазних зерен.

10. Федорович В.А., Гламазда С.Л., Козакова Н.В. 3D моделирование напряженно-деформированного состояния зоны шлифования // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету. – Кіровоград: КДТУ. – 2003. – Вип. 13. – С. 71-76.

Здобувачем проведено аналіз результатів теоретичних розрахунків напружено-деформованого стану елементів зони шліфування з точки зору впливу на нього фізико-механічних властивостей металевих зв’язок круга.

11. Козакова Н.В. Влияние прочности связки, алмазных зерен и их концентрации на работоспособность шлифовального круга // Високі технології в машинобудуванні. – Харків: НТУ «ХПІ». – 2003. – Вип. 2(7). – С. 45-50.

12. Федорович В.А., Козакова Н.В. Влияние прочности элементов системы «СТМ–зерно–связка» на эффективность шлифования // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». – Харків: НТУ «ХПІ». – 2003. – № 9, т. 1. – С. 85-92.

Здобувачем проведено порівняльний аналіз полів температурних, силових і термосилових напруг в системі «НТМ–зерно–зв’язка».

13. Козакова Н.В., Наконечный Н.Ф., Федорович В.А. 3D моделирование при определении оптимальных характеристик алмазных кругов // Високі технології в машинобудуванні. – Харків: НТУ «ХПІ». – 2004. – Вип. 1(8). – С. 81-86.

Здобувачем розроблено модель зони спікання алмазоносного шару круга і виконано теоретичні розрахунки напружено-деформованого стану її елементів.

14. Федорович В.А., Козакова Н.В. Определение режимов и условий заточки лезвийного инструмента из сверхтвердых материалов в зависимости от его эксплуатационного назначения // Резание и инструмент в технологических системах. – Харьков: НТУ «ХПИ». – 2004. – Вып. 66. – C. 203-208.

Здобувачем отримано характеристики круга і режими шліфування для заточування різців з досліджуваних марок НТМ під конкретні умови його експлуатації.

15. Федорович В.А., Козакова Н.В. Влияние фактической площади контакта в системе «РПК–СТМ» на эффективность шлифования // Високі технології в машинобудуванні. – Харків: НТУ «ХПІ». – 2004. – Вип. 2(9).–С. 210-220.

Здобувачем здійснено аналіз результатів теоретичного та експериментального визначення відносної опорної площі робочої поверхні алмазного круга.

16. Декл. пат. 69218 А Україна, МПК В24D5/14, В24D7/14, В24В1/100 / А.І. Грабченко, В.О. Федорович, Н.В. Козакова; НТУ «ХПІ». Матеріал абразивного круга – № 20031211637; Заяв. 16.12.2003; Опубл. 16.08.2004, Бюл. № 8.

Здобувачем встановлено кореляцію між міцносними показниками оброблюваного матеріалу, алмазного зерна і зв’язки круга та концентрацією зерен в алмазоносному шарі шліфувального круга.

17. Грабченко А.И., Островерх Е.В., Козакова Н.В., Маслов В.А. Численное моделирование взаимосвязи температуры шлифования с теплоотдачей поверхности обрабатываемых сверхтвердых поликристаллов // Материалы междунар. научн.-техн. конф. «Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье». – Харьков: ХГПУ, 1995. – С. 52.

Здобувачем встановлено кількісні залежності температури шліфування від умов тепловіддачі.

18. Федорович В.О., Козакова Н.В. Роль співвідношення міцностей інструментального і оброблювального матеріалів в процесі шліфування // Доп. міжнар. наук.-практ. конф. «Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я». – Харків: НТУ «ХПІ», 2003. – С. 268.

Здобувачем отримано граничні значення напруг на розтяг для різних марок та зернистостей алмазних зерен з використанням експериментальних даних на їх діаметральне стиснення.