Математичне моделювання лазерного синтезу робочого шару абразивного інструмента
DOI:
https://doi.org/10.20535/2077-7264.3(85).2024.312495Ключові слова:
лазерне випромінювання, математичне моделювання, абразивний інструмент, алмаз, кубічний нітрид боруАнотація
В статті наведено результати програмного моделювання температурного поля, зумовленого впливом рухомого джерела енергії в процесі синтезу інструментального шару абразивного інструмента на основі надтвердих матеріалів (НТМ), яке було реалізовано методами скінчених різниць та Ньютона для розв’язання систем нелінійних рівнянь, а для знаходження значень температури на межі середовищ використано рівняння теплового балансу. Доведено, що застосований комплекс методів є дійсно дієвим і дозволяє достатньо коректно згенерувати характер змін температурного поля досліджуваного зразка. Виявлено, що розрідження вузлів адаптивної сітки на незмінних за температурою ділянках, є недостатнім, і це обумовлено неоднорідністю матеріалу покриття. На основі результатів моделювання здійснено обробку абразивних НТМ і доведено доцільність використання лазерного випромінювання для формування робочого шару абразивного інструменту. Дослідження в основному зосереджено на опроміненні зерен абразивів лазером з довжиною хвилі λ = 10,6 мкм. Статичну міцність зерен абразивних матеріалів вимірювали до та після лазерного опромінення за допомогою вимірювальної установки DA-2 за стандартною методикою. Як сполучний матеріал використовували порошки бронзи та нікелю. Їх змішували з зернами абразивного матеріалу і наносили на сталеві опорні пластини з наступним лазерним опроміненням сформованого шару. Для дослідження мікроструктури зразків поряд з локальним та інтегральним рентгенівським елементним аналізом використовували скануючу електронну мікроскопію (РЕМ). Детально досліджено взаємодію лазерного променю та зерен абразивних матеріалів та встановлено взаємозв’язки між основними технологічними параметрами та якістю композитів (довговічністю зерен, зносостійкістю та міцністю зв’язку). Запропоновану технологію може бути використано для виготовлення абразивних інструментів для обробки матеріалів, які широко використовуються в поліграфічній промисловості (сталі, сплави, композитні матеріали, кераміка), а також в інших галузях — авіа-, судно- та машинобудуванні.
Посилання
Munir, Z. A., Quach, D. V., & Ohyanagi, M. (2011). Electric current activation of sintering: a review of the pulsed electric current sintering process. J. Am. Ceram. Soc., 94(1), 1–19. https://doi.org/10.1111/j.1551- 2916.2010.04210.
Orrù, R., Licheri, R., Locci, A. M., Cincotti, A., & Cao, G. (2009). Consolidation/synthesis of materials by electric current activated/assisted sintering. Mater. Sci. Eng., 63(4-6), 127–287. https://doi.org/10.1016/j.mser.2008.09.003.
Blоchаnеvich, A. М., & Bоchkо, A. М. (2004). Laser cutting materials on basis of diamond and compact modification boron nitride. Powder Metall, 3/4, 47–53.
Тоlоchkо, N. К., & et al. (1998). Absorptivity measurement of freely located one component metal powders and its change during laser processing. Powder Metall, 7/8, 89–94.
Idan Alaa, F. І., Golovko, L., Goncharuk, O., & Kostyk, K. (2016). The study of the influence of laser hardening conditions on the change in properties of steels. Eastern-Еuropean Journal of Enterprise Technologies, Vol. 2, 5(80), 69–73. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.65455.
Węglowski, M. S., Błacha, S., & Phillips, A. (2016). Electron beam welding — techniques and trends — review. Vacuum, 130, 72–92.
Rommela, D., Scherma, F., Kuttnerb, C., & Glatzela, U. (2016). Laser cladding of diamond tools: interfacial reactions of diamond and molten metal. Surf. Coat. Technol., 291, 62–69. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.02.014.
Rabiey, M., Walter, C., Kuster, F., Stirnimann, J., Pude, F., & Wegener, K. (2012). Dressing of hybrid bond CBN wheels using short-pulse Fiber laser. Aust. J. Mech. Eng., 58(7–8), 7–8. https://doi.org/10.5545/svjme.2011.166.
Huang, S.-F., Tsai, H.-L., & Lin, S.-T. (2002). Laser brazing of diamond grits using a cu-15Ti-10Sn brazing alloy. Mater. Trans., 43(10), 2604–2608. https://doi.org/10.2320/matertrans.43.2604.
Zhao, Q., & Guo, B. (2015). Ultra-precision grinding of optical glasses using mono-layer nickel electroplated coarse-grained diamond wheels. Part 2: Investigation of profile and surface grinding, Precis. Eng., 39, 67–78.
Guo, B., Meng, Q., Wu, G., Zhao, Q., & Li, S. (2022). Parallel axis precision grinding of microtooth internal thread with the coarse-grains CBN wheels, J. Manuf. Processes, 74, 474–485.
Deng, H., & Xu, Z. (2019). Dressing methods of superabrasive grinding wheels: A review, J. Manuf. Processes, 45, 46–69.
Ding, W., Xu, J., Chen, Z., Su, H., & Fu, Y. (2010). Grindability and surface integrity of cast nickel-based superalloy in creep feed grinding with brazed CBN abrasive wheels, Chin. J. Aeronaut., 23(4), 501–510.
Xi, X. X., Ding, W. F., Wu, Z. X., & et al. (2021). Performance evaluation of creep feed grinding of gamma-TiAl intermetallics with electroplated diamond wheels, Chin. J. Aeronaut., 34(6), 100–110.
Ding, W., Dai, C., Yu, T., Xu, J., & Fu, Y. (2017). Grinding performance of textured monolayer CBN wheels: Undeformed chip thickness nonuniformity modeling and ground surface topography prediction, Int. J. Mach. Tools Manuf, 122, 66–80.
Wang, T., Wu, C., Liu, H., Chen, M., Cheng, J., & Dingning, S. u. (2020). On-machine electric discharge truing of small ball-end fine diamond grinding wheels, J. Mater. Process. Technol., 277, 116472, https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116472.
Chen, B., Guo, B., & Zhao, Q. (2015). On-machine precision form truing of arc-shaped diamond wheels, J. Mater. Process. Technol., 223, 65–74.
Chen, G. Y., Cai, S., Zhou, C., & et al. (2015). On the laser-driven integrated dressing and truing of bronze-bonded grinding wheels, Diam. Relat. Mater., 60, 99–110.
Deng, H., & Xu, Z. (2021). Laser-dressing topography and quality of resin-bonded diamond grinding wheels, Opt. Lasers Eng., 136, 106322, https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106322.
Babu, N. R., & Radhakrishnan, V. (1989). Investigations on laser dressing of grinding wheels — part II: grinding performance of a laser dressed aluminum oxide wheel, J. Eng. Industry, 111(3), 253–261.
Ramesh Babu, N., Radhakrishnan, V., & Murti, Y. V. G. S. (1989). Investigations on laser dressing of grinding wheels- part I: preliminary study, J. Eng. Industry, 111(3), 244–252.
Yan, S., Wu, D., Niu, F., Ma, G., & Kang, R. (2017). Al2O3-ZrO2 eutectic ceramic via ultrasonic -assisted laser engineered net shaping, Ceram. Int., 43(17), 15905–15910.
Zhang, C., & Shin, Y. C. (2002). A novel laser-assisted truing and dressing technique for vitrified CBN wheels, Int. J. Mach. Tools Manuf, 42(7), 825–835.
Hosokawa, A., Ueda, T., & Yunoki, T. (2006). Laser dressing of metal bonded diamond wheel, CIRP Ann., 55(1), 329–332.
Deng, H., Chen, G. Y., Zhou, C., Zhou, X. C., He, J., & Zhang, Y. (2014). A theoretical and experimental study on the pulsed laser dressing of bronze-bonded diamond grinding wheels, Appl. Surf. Sci., 314, 78–89.
Deng, H., Deng, Z., & Li, S. (2017). The grinding performance of a laser-dressed bronzebonded diamond grinding wheel, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 88(5–8), 1789–1798.
Pfaff, J., Warhanek, M., Huber, S., Komischke, T., Hänni, F., & Wegener, K. (2016). Laser touch dressing of electroplated CBN grinding tools, Proc. CIRP, 46, 272–275.
Ackerl, N., Warhanek, M., Gysel, J., & Wegener, K. (2020). Ultra-short pulsed laser conditioning of metallic-bonded diamond grinding tools, Mater. Des., 189, 108530, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108530.
Guo, B., Meng, Q., Li, S., Wu, G., Xiang, Y., & Zhao, Q. (2022). Pulse laser precision truing of the V-shaped coarse-grained electroplating CBN grinding wheel, Materials & Design, 110650. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110650.
Goncharuk, O., Zhuk, R., Kaglyak, O., & et al. (2018). Laser Sintering of Abrasive Layers with Inclusions of Cubic Boron Nitride Grains. Lasers Manuf. Mater. Process, 5, 298–316. https://doi.org/10.1007/s40516-018-0068-0.
Gan, J., Gao, H., Wen, S., & et al. (2020). Simulation, forming process and mechanical property of Cu-Sn-Ti/diamond composites fabricated by selective laser melting. Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 87: 105144. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2019.105144.
Li, L., Li, S., Zhang, B., & Fan, T.-H. (2021). Phase-field modeling of selective laser brazing of diamond grits[J]. Physics of Fluids, 33(5), 052113. https://doi.org/10.1063/5.0049096.
Lukyanenko, S. O. (2004). Adaptive computing methods for modeling objects with distributed parameters. Kyiv: Polytechnic Publishing House, 236 p.
Goncharuk, A. A., Golovko, L. F., & Kaglyak, A. D. (2020). Laser thermal deformation sintering of abrasive tools based on cubic boron nitride. Mechanics and Advanced Technologies, 1(88), 108–123. DOI: https://doi.org/10.20535/2521-1943.2020.88.200770.
Instrument Database: Carl Zeiss AG — EVO® 50 Series. Retrieved from https://speciation.net/Database/Instruments/Carl-Zeiss-AG/EVO-50-Series-;i663.
Holovko, L. F., Honcharuk, O. O., Lutai, A. N., Sorochenko, V. G., & Bloschytsin, M. S. (11.03–11.04, 2014). Laser separation of grinding powders of cubic boron nitride. Proc. Materials VI International scientific and technical web-conference ‘Composite materials’, 16–20.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Олексій Олександрович Гончарук, Леонід Федорович Головко, Світлана Михайлівна Волошко, Олексій Дмитрович Кагляк, Андрій Петрович Бурмак, Юрій Валентинович Ключніков
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Наше видання використовує положення про авторські права Creative Commons CC BY для журналів відкритого доступу.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов’язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
