Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор литературы 10
1.1 Обзор современных конструкций составного и композиционного режущего инструмента 10
1.2 Классификация современных композиционных сменных многогранных пластин 29
1.3 Условия отсутствия межслойных трещин в композиционном режущем клине 33
1.4 Определение оптимальной формы передней поверхности лезвия... 35
1.5 Оптимальное распределение инструментальных материалов в режущем клине по условию равнопрочности 42
Глава 2. Исследование прочности сцепления инструментальных материалов в многослойных композитах 54
2.1 Оптимальные сочетания материалов по критерию отсутствия
трещин у многослойных пластин 54
2.1.1 Материалы, при сочетании которых не образуется межслойных трещин при всех исследуемых соотношениях толщин 57
2.1.2 Материалы, при сочетании которых не образуется межслойных трещин при определенных соотношениях толщин 61
2.2 Результаты экспериментов по спеканию двухслойных пластин 65
Глава 3. Расчет напряженно-деформированого состояния составного инструмента в зависимости от формы инструментальной вставки 69
3.1 Методика построения трехмерных моделей, соответствующих критерию равнопрочности 69
3.2 Методика расчета на напряжено-деформированное состояние методом конечных элементов 72
3.3 Определение напряжений в режущем клине в зависимости от формы вставки 75
3.4 Определение формы вставки из инструментального материала, повышающей прочность составной пластины 77
3.5 Расчет напряженно-деформированного состояния сменной пластины для отрезного резца 86
3.6 Расчет напряженно-деформированного состояния режущего лезвия для случая несвободного резания 91
3.7 Выводы по главе 3 98
Глава 4. Проектирование равнопрочного составного режущего инструмента 100
4.1 Проектирование композиционной сменной режущей пластины для отрезного резца 100
4.2 Проектирование композиционного режущего инструмента для несвободного резания 106
Глава 5 Исследование эксплуатационных характеристик составных режущих пластин 116
5.1 Экспериментальное исследование трещиностойкости сложных инструментальных композитах 116
5.1.1 Определение плотности спеченных образцов 118
5.1.2 Определение твердости спеченных образцов 120
5.1.3. Определения предела прочности при поперечном изгибе спеченных образцов 122
5.1.4 Макроструктура излома пластин 126
5.2 Создание технологии изготовления составного режущего инструмента 128
5.2.1 Основание пластины. Материалы и методика исследований 129
5.2.2 Исследование физико-механических свойств композиционного материала 134
5.2.3 Разработка технологии изготовления композиционного режущего инструмента 139
5.3 Сравнительный эксперимент по определению температуры при резании 142
5.4 Сравнительный эксперимент по определению стойкости составных режущих пластин 146
5.5 Расчет себестоимости изготовления разработанной составной режущей пластины 148
Заключение 154
Список литературы 155
Приложение 1 173
- Классификация современных композиционных сменных многогранных пластин
- Результаты экспериментов по спеканию двухслойных пластин
- Методика расчета на напряжено-деформированное состояние методом конечных элементов
- Создание технологии изготовления составного режущего инструмента
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Анализ перспектив развития зарубежной и отечественной инструментальной промышленности показывает, что в последние годы в области конструирования сборных режущих инструментов, оснащенных сменными многогранными пластинами (СМП), наметилась тенденция к освоению выпуска составных СМП, у которых только режущая вершина оформлена в виде вставки из инструментального материала, а основа выполнена из конструкционного материала. Эта тенденция обусловлена с одной стороны тем, что происходит миниатюризация процесса обработки резанием (сокращение сечения срезаемого слоя при одновременном значительном повышении скорости резания), а с другой - стремлением к всемерной экономии дорогостоящих инструментальных материалов. В настоящее время появилось большое разнообразие форм и размеров инструментальных вставок как из твердого сплава, так и из сверхтвердых материалов для чистовой лезвийной обработки. Опыт эксплуатации такого рода СМП показывает, что существует проблема низкой прочности сцепления вставки с основой СМП, вследствие чего при прерывистом резании, врезании и иных колебаниях силы резания вставка выкрашивается и СМП теряет свою работоспособность. Эта проблема усугубляется еще и тем, что при изготовлении и эксплуатации на составную СМП воздействуют мощные тепловые потоки, которые могут привести к возникновению межслойных трещин вследствие различных коэффициентов теплового расширения материалов основы и вставки. Поэтому изучение способов повышения прочности меж-слойного сцепления такого рода композиционных СМП представляет собой актуальную задачу как для практики их применения, так и для проектирования составных СМП для сборных режущих инструментов повышенной надежности.
Целью диссертационной работы является повышение работоспособности составных сменных режущих пластин путем увеличения прочности соединения вставки с материалом основы за счет оптимизации формы вставки и рационального подбора материалов в режущем композите.
Научная новизна работы.
1. Установлено влияние формы вставки на напряженно- деформированное состояние (НДС) составных СМП.
Разработана методика проектирования составных режущих пластин с оптимальной формой инструментальной вставки.
Разработаны принципы рационального сочетания материалов в слоистых композитах, обеспечивающие повышение их прочности на границах раздела.
Практическая ценность работы.
Разработаны рекомендации по конструированию составных сменных режущих пластин с оптимальной формой вставки, позволяющие еще на стадии проектирования рассчитывать форму вставки, снижая внутренние напряжения в СМП.
Разработана технология изготовления составных композиционных сменных многогранных пластин, позволяющая соединять материалы разнородного состава методом порошковой металлургии.
Созданы конструкции составных режущих пластин повышенной работоспособности, позволяющие снизить температуру в зоне резания и тем самым повысить их стойкость.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.
Теоретические исследования проводились на основе численного метода конечных элементов (МКЭ), программирования и компьютерного моделирования с использованием современных средств вычислительной техники. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных условиях и включали в себя определение предела прочности при изгибе, изготовление двухслойных твердосплавных пластин и их испытания в соответствии с техническими условиями для твердых сплавов, разработку технологии изготовления композиционных режущих пластин, а также проведение сравнительных испытаний по определению теплового поля при резании и стойкости. Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается результатами и воспроизводимостью экспериментальных исследований, их сходимостью с аналогичными данными других авторов, производственными испытаниями и апробацией полученных результатов.
Личный вклад автора состоит в постановке задач диссертации, проведении экспериментальных и теоретических исследований и в обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке публикаций по данной теме.
Положения, выносимые на защиту:
Закономерности влияния на прочность составного режущего инструмента формы вставки из инструментального материала, свойств материалов вставки и основы пластины, а также технологии его изготовления.
Методика расчета прочности сцепления вставки и основы СМП, позволяющую выбрать наиболее эффективную форму вставки и оптимальное сочетание материалов.
3. Разработанные принципы оптимального сочетания материалов в слоистых композитах, обеспечивающие повышение их прочности на грани цах раздела
4. Модели современных составных СМП, позволяющие повысить рабо тоспособность сборных инструментов, армированных инструментальными вставками.
Реализация результатов работы.
На одну из разработанных конструкций композиционной режущей пластины получен патент на полезную модель (№ 73252). Результаты работы внедрены на металлообрабатывающих предприятиях ООО «Дорметпром» (г. Юрга), ООО «Бико» (г. Юрга), ООО «Юргинский машзавод» (г. Юрга).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на трех международных конференциях студентов, аспирантов, и молодых ученых «Современные техника и технологии» -г. Томск (2002, 2003, 2005 гг.); на двух международных научно-технических конференциях «Современные проблемы в машиностроении» - г. Томск (2004, 2008 гг.); на пяти научных конференциях ЮТИ ТПУ в г. Юрга (2001, 2004, 2006 - 2008 гг.); на всероссийской научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» - г. Бийск (2003 г.); на Всероссийской конференции инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалы» - г. Москва (2005 г.); на двух международных научно-технических конференциях "Новые материалы, нераз-рушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении" - г. Тюмень (2005, 2008 гг.); на международной научно-технической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» - г. Одесса (2006 г.); на четырех всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» - г. Новосибирск (2006 - 2009 гг.); на межотраслевой научно-технической конференции «Автоматизация и прогрессивные технологии» - г. Новоуральск (2008 г.); на международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» - г. Ялта (2008 г.); на всероссийской научно-технической конференции «Механики - XXI веку» г. Братск (2008 г.); на Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов - г. Томск (2009 г.); на расширенных заседаниях кафедр «Технология автоматизированного машиностроительного производства» ТПУ, «Технология машиностроения» ЮТИ ТПУ, «Металлорежущие станки и инструменты» КузГТУ (2009 г.), «Станки и инструменты» ТюмГНГУ (2010 г.).
Исследования проводились при содействии гранта для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Министерства образования № А04-3.18-430'(2004 г.); программы «СТАРТ», проводимой Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (2007 г.); гранта на проведение молодыми учеными научных исследований в ведущих научно-педагогических коллективах Томского политехнического университета (2009 г.).
Данная работа стала победителем всероссийского конкурса инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению ФЦНТП «Индустрия наносистем и материалы» - г. Москва (2005 г.); Лауреатом Открытого конкурса Санкт-Петербургского государственного политехнического университета «Инновация 2006» - г. Санкт - Петербург (2006 г.); Лауреатом Окружного этапа Всероссийского молодежного инновационного конвента по Сибирскому федеральному округу в номинации «Лучший инновационный проект» - г. Новосибирск (2009 г.).
Публикации. По содержанию работы и основным результатам исследований опубликовано 28 печатных работ, в том числе три патента на полезные модели и одна статья в издании, входящем в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 172 страницах и содержит 138 рисунков, 12 таблиц и список литературы, состоящий из 139 источников.
Классификация современных композиционных сменных многогранных пластин
В работах [14, 89, 92] предложены варианты классификаций композиционных материалов, однако они не подходят для классификации композиционных СМП, поэтому был разработан вариант классификации композиционных и составных режущих пластин по виду расположения компонентов в режущей пластине. Для этого была принята система координат с началом отчета в рабочей вершине пластины (рис. 1.19). По расположению компонентов композиционные СМП могут быть разделены на три группы: композиции с одноосным (линейным) расположением армирующего компонента; композиции с двухосным (плоским) расположением армирующего компонента; композиции с трехосным (объемным) расположением армирующего компонента. Дополним эти классификации композиционных материалов с учетом данных пункта 1.1 (рис. 1.20) [49]. Пластины, относящиеся к первой группе, делятся на пластины с явной границей раздела материала и пластины с неявной границей раздела (градиентная структура), в свою очередь пластины с явной границей раздела мате расположению компонентов риала делятся на двухслойные, трехслойные и многослойные. Пластины, относящиеся ко второй группе - это пластины со вставкой (КНБ, алмаз и т.д.) выполненной на всю высоту пластины. Пластины из третьей группы могут быть с явной и неявной границей раздела, причем пластины с явной границей раздела в свою очередь делятся на пластины со вставкой, выполненной не на всю высоты пластины и на пластины с криволинейной линией раздела материалов. Пластины со вставками на часть высоты режущей пластины бывают со вставками в одной вершине, в двух или во всех вершинах. Пластины же с криволинейной линией раздела делятся на пластины с криволинейным профилем, полученным вращением этого профиля, а также на пластины со сложной криволинейной границей раздела материалов. Кроме того, существуют комбинированные пластины, которые объединяют в себе как неявную границу раздела материалов, так и явную границу раздела материалов со сложным криволинейным профилем (см. рис. 1.20). Как видно из приведенного в п. 1.1 обзора современных режущих пластин со вставками, на данный период имеется большое разнообразие видов, размеров и форм вставок из инструментального материала. В каталоге металлорежущего инструмента фирмы Kennametal Hertel за 2001 год [108] в пункте S по ISO 1832 приводится классификация режущих пластин по типу вставок. Все пластины разделены на шесть типов (рис. 1.23): В Однако в более поздних каталогах (рис. 1.21) [125] этой же фирмы пластины уже разделяются только на три типа: двухсторонняя минивставка, минив-ставка, несколько вставок.
В каталогах других фирм, выпускающих металлорежущий инструмент [63, 123, 126], также присутствует разнообразие вставок с инструментальным материалом из поликристаллического нитрида бора и синтетического алмаза. Однако, в подтверждении актуальности обозначенных в п. 1.1. проблем, препятствующих дальнейшему расширению применения составного режущего инструмента, наблюдается тенденция появления вставок более сложных форм, позволяющих повысить прочность закрепления вставки в основе составной режущей пластины. Так, например, у фирмы Sandvik Coromant, начиная с каталога за 2007 год [63], появились режущие пластины со вставками в виде «ласточкин хвост» (рис. 1.22), позволяющих, по словам производителя, решить данную проблему. В данной работе предложена следующая классификация видов вставок: «треугольник» (см. рис. 1.23 тип «Standartip»), «квадрат» (см. рис. 1.23 тип «Multiip»), «ласточкин хвост» (см. рис. 1.22), «сегмент» (см. рис. 3.7 б). Одно из ограничений, которое необходимо учитывать при проектировании составной СМП, связано с появлением в композите термических трещин на границах раздела двух фаз вследствие значительной разницы между значениями остаточных напряжений в этой зоне. Условия, при которых межслойные трещины будут отсутствовать, рассмотрены в работе [88]. Так, для двухслойной пластины единая теория прочности [77] примет вид где При одинаковых толщинах слоев Gol ——CJ02 и так как Га] Га] L то лимитирующим будет первое условие в (1.1). Иными словами межслойная трещина будет развиваться в инструментальном материале с меньшим коэффициентом термического линейного расширения, в котором присутствуют растягивающие остаточные напряжения [17]. Для разных толщин слоев имеем следующее соотношение где hj и h2 - толщины соответственно первого и второго слоя. Для расчета величины остаточных напряжений на границе раздела в работе профессора А.С. Верещака [17] предложена следующая формула модуль упругости и коэффициент Пуассона для первого материала; ат, Е2, \Х2 - то же, для второго материала; AT - температура нагрева при изготовлении или эксплуатации двухслойного композита. Применительно к режущему клину с двухклинной анизотропией и с плоской границей раздела фаз выражение (1.3) можно записать в виде [77] (1.5) чения качественных соединений различных материалов при спекании порошков производилась с помощью формул (1.5). На рис. 1.24 представлены примеры расчета [77] для композиции оксидная керамика - безвольфрамовый твердый сплав КНТ-16, выпускаемые промышленностью. Как следует из графика, в такой композиции не возникает значительных термических напряжений поскольку коэффициенты температурного расширения различаются незначительно. Такая пластина не будет разрушаться во всех исследованных диапазонах толщин. Наиболее слабым компонентом композиции является материал подложки, поскольку предел прочности на растяжение для КНТ-16 значительно ниже чем предел прочности на сжатие для оксидной керамики. [Gl]«K Существует большое число работ исследователей, занимающихся разработкой режущего инструмента повышенной работоспособности, в том числе и композиционного режущего инструмента. При проектировании режущего инструмента в работе Петрушина СИ. [69] за критерий оптимальности используется экономически обоснованный срок службы инструментов, под которым применительно к лезвийным режущим инструментам в первую очередь выделяются прочность, износостойкость и стружколомающие свойства. В качестве критерия максимальной прочности понимается условие равнопрочности, где под равнопрочностью лезвия понимаются такие условия его нагружения сосредоточенными силами или контактными напряжениями, при которых внутри лезвия или на его поверхности в каждой материальной точке получается одинаковое напряженное состояние. За критерий износостойкости принято условие равномерного изнашивания лезвия инструмента, под которым понимается такая его форма и физико-механические свойства поверхностного слоя трущихся участков, при которых во всех его точках передней и задних поверхностей инструмента приращение износа во времени резания имеет одну и ту же величину. Для решения данных условий предлагается три способа: - оптимизацией формы рабочих поверхностей лезвия; - изменением трибологических свойств поверхности на участке трения; - совместной оптимизацией формы и интенсивности изнашивания поверхности лезвия.
Результаты экспериментов по спеканию двухслойных пластин
Для экспериментальной проверки результатов расчетов (см. п.2.1) было произведено спекание нескольких сочетаний инструментальных материалов (двухслойные твердосплавные пластины ВК8-Т5К10, ВК8-Т15К6, ВК8-Т30К4, ВКЗ-ВК8) при hl/h2 равном 1 (по 7 образцов в каждом сочетании инструментальных материалов), а так же однородные пластины твердых сплавов марок ВКЗ, ВК8, Т5К10, Т15К6, Т30К4. Все образцы бы ли спечены при одинаковых режимах. Образцы изготавливались с помощью специально разработанного приспособления [74] (патент на полезную модель №47788). Данное устройство для изготовления многослойных режущих пластин содержит закрытый неподвижной крышкой корпус, на котором смонтированы дозатор порошкового материала и матрица с толкателем. Дозатор выполнен в виде закрепленных на крышке патрубков, совмещающихся с матрицами, расположенными на ободе поворотного диска, установленного под крышкой на вертикальном валу, при этом толкатели имеют возможность взаимодействия с профильной поверхностью кулачка, лежащего на основании. При вращении поворотного диска, матрицы устанавливаются на различные позиции, где засыпается определенная порция порошковой смеси, а на последней позиции происходит прессование заготовки многослойной пластины, которая потом спекается. Каждый образец проверялся на соответствие по твердости и плотности (все спеченные образцы соответствовали ГОСТам). Описание методики проведения эксперимента описано в п.5.1.
Эксперименты показали [50], что для сочетаний ВКЗ-ВК8, ВК8-Т5К10 и ВК8-Т15К6 получились качественные соединения материалов безобразования трещин у всех образцов (рис. 2.9, в), как и в ходе теоретических расчетов. В сочетании ВК8-Т30К4 при спекании образовались трещины и частичное разрушение образцов по линии раздела материалов (рис. 2.9, а и 2.9, б), что также соответствует теоретическим расчетам по опреде лению условий отсутствия межслойных термических трещин, так как в данном сочетании материалов и при соотношении толщин S=l возникающие напряжения растяжения превышают предел прочности на растяжение твердого сплава Т30К4.1. На основе расчета условий отсутствия межслойных трещин между материалом вставки и материалом основы установлено, что есть группы материалов (твердые сплавы - Сталь 60), при сочетании которых не образуется межслойных трещин во всем исследуемом диапазоне соотношения толщин.2. Некоторые виды сочетаний материалов (твердый сплав - Сталь У12) могут образовывать качественное соединение только в определенном диапазоне сочетания толщин вставки и основы пластины.3. В ряде сочетаний материалов (твердый сплав - Сталь 12МХ) невозможно добиться получения соединения без образования трещин. Для создания подобных композитов необходимо вводить дополнительный промежуточный слой.4. Наиболее качественное соединение без образования межслойных термических трещин будет при соединении материалов с максимально близкими коэффициентами термического линейного расширения, а так же максимально большими пределами прочности на растяжение и сжатие.5. Использование методики по определению условий отсутствия позволяет еще на этапе проектирования отобрать наиболее перспективные сочетания композиций для создания экономно армированных режущих частей инструментов. 6. В ходе экспериментальной проверки была практически доказана правильность расчетов по определению условий отсутствия межслой-ных термических трещин.
Полученные в работе [88] графики оптимального проекта режущего клина по критерию равнопрочности имеют плоскую двухмерную систему координат, не позволяющую получать реальные трехмерные проекты режущего инструмента. Поэтому для проектирования композиционных СМП необходимо получать из исходного плоского графика трехмерную модель композиционной СМП [52]. При решении данной задачи был использован график оптимального проекта режущего клина с критерием равнопрочности (рис. 1.31, а), сердцевина которого выполнена из твердого сплава, периферия - из быстрорежущей стали, а области между ними - из слоя с переходными характеристиками. Результаты получены при условиях: а = 8; у = 0; Ру = 200 H;PZ= 1000 Н.
При создании модели режущего инструмента использовались два варианта создания трехмерных моделей: для черновой и чистовой обработки [56]. В первом случае график перемещался вдоль режущей кромки сменной многогранной пластины для получения равнопрочного профиля вдоль всей режущей кромки, как показано на рис. 3.1. Во втором случае (получение режущей пластины для чистовой обработки) график вращался вокруг одной из вершин сменной многогранной пластины, как показано на рис. 3.2.
Методика расчета на напряжено-деформированное состояние методом конечных элементов
Вопросами повышения эффективности механической обработки металлов резанием и применения режущих инструментов посвящены фундаментальные работы: Н.Г. Абуладзе, А.И. Бетанели, В.Ф. Боброва, А.С. Верещаки, Г.И. Грановского, Н.Н. Зорева, М.И. Клушина, А.Н. Короткова, Г.Л. Куфаре ва, Т.Н. Лоладзе, М.Ф. Полетики, А.Н. Резникова, A.M. Розенберга и ряда других исследователей [17, 27, 58]. Исследованию напряженно-деформированного состояния и прочности СМП посвящено значительно меньшее количество работ: СИ. Петрушина, Е.В. Артамонова, Г.Л. Хаета, Л.М. Миранцо-ва, М.И. Михайлова, П. Леопольда, Р. Симона, Steven Knott [3, 7, 77, 79, 139].
Для решения задач проектирования режущих инструментов, а также технологических задач, связанных с расчетом влияния износа режущих инструментов, погрешностей их изготовления и установки, упругих и тепловых деформаций в последнее время все чаще применяется метод конечных элементов.
Широкую номенклатуру стандартных СМП, многообразие их форм, типоразмеров, геометрии, различных материалов и др.,, невозможно охватить при экспериментальных исследованиях и тем более при использовании теоретических методов. Принципиально новый подход для решения этой проблемы стал возможным с появлением мощных пакетов компьютерных программ на основе метода конечных элементов (МКЭ) [4, 5, 30, 31, 101]
МКЭ является в настоящее время одним из основных методов решения вариационных задач, в том числе задач расчета напряженно-деформированного состояния конструкций. Основным достоинством его является возможность решения задач для области любой формы и разнообразного материала, в то время как аналитические решения могут быть получены только для задач с достаточно простой геометрией и однородным материалом.
Главным преимуществом метода является возможность разбиения на конечные элементы области любой формы, и таким образом, возможность расчета полей напряжений и деформаций в реальных деталях с учетом всех их конструктивных особенностей. Зависимость результатов расчета от выбранной пользователем сетки конечных элементов и трудность оценки точности получаемых результатов являются основными недостатками метода.
Основная идея метода конечных элементов состоит в том, что любую непрерывную величину (перемещение, температура, давление и т. п.) можно аппроксимировать моделью, состоящей из отдельных элементов (участков). На каждом из этих элементов исследуемая непрерывная величина аппроксимируется кусочно-непрерывной функцией, которая строится на ее значениях в конечном числе точек рассматриваемого элемента.
В общем случае непрерывная величина заранее неизвестна и нужно определить ее значения в некоторых внутренних точках области. Дискретную модель очень легко построить, если сначала предположить, что известны числовые значения искомой величины в некоторых внутренних точках области.
Чаще всего при построении дискретной модели непрерывной величины поступают следующим образом:1 Область определения непрерывной величины разбивается на конечное число подобластей, называемых элементами. Эти элементы имеют общие узловые точки и в совокупности аппроксимируют форму области;2 В рассматриваемой области фиксируется конечное число точек. Эти точки называются узлами;3 Значение непрерывной величины в каждой узловой точке первоначально считается известным, однако необходимо помнить, что эти значения в действительности еще предстоит определить путем наложения на них ополнительных ограничений в зависимости от физической сущности задачи;4 Используя значения исследуемой непрерывной величины в узловых точках и ту или иную аппроксимирующую функцию, определяют значение исследуемой величины внутри области.
Как было отмечено выше, согласно метода конечных элементов, модель конструкции сложной формы разбивается на более мелкие части (конечные элементы) сравнительно простой формы, в пределах которых ищется приближенное решение. Результатом такого моделирования обычно является поле напряжений и смещений в целой конструкции.
Таким образом, решение задачи с применением МКЭ состоит из следующих основных этапов: 1. идентификация задачи, присвоение ей имени; 2. создание чертежа конструкции и нагрузок; 3. создание геометрии модели, пригодной для МКЭ; 4. разбиение на сетку конечных элементов; 5. приложение к модели граничных условий (закрепление на границе или граничные нагрузки); 6. численное решение системы уравнений (автоматически); 7. анализ результатов. Этапы 1, 2, 3, 4 и 5 относятся к предпроцессорной стадии, этап 6 - к процессорной стадии, этап 7 - к постпроцессорной стадии. Для выяснения влияния формы вставки на возникающие напряжения [97] проведем расчеты форм вставок из кубического нитрида бора (КНБ) режущих пластин, выпускаемых мировыми лидерами в производстве режущих инструментов. Наиболее распространены простые формы вставок в виде «квадрата» (рис. 3.7, а), «сегмента» (рис. 3.7, б), «треугольника» (рис. 3.7, в), однако в последнее время стали появляться и более сложные профили, например в виде «ласточкиного хвоста» (рис. 3.7, г). Данная тенденция говорит о том, что существующие формы вставок не обеспечивают необходимой прочности их закрепления в основании пластины [32].
Создание технологии изготовления составного режущего инструмента
Благодаря порошковой металлургии стало возможно получать материалы и изделия из них, которые невозможно получить другим способом [1]. В первую очередь это тугоплавкие материалы, твердые сплавы, жаропрочные сплавы, псевдосплавы, композиции из металлов с неметаллами, пористые материалы и изделия из них. При использовании метода порошковой металлургии существенно уменьшается материалоемкость изделий, увеличивается коэффициент использования материала, повышается производительность труда, снижаются энергозатраты. Еще очень важной положительной стороной этой технологии является то, что благодаря появившимся новым материалам стало возможна замена дорогостоящих материалов новыми, с меньшей себестоимостью, но с такими или повышенными физико-механическими характеристиками. Универсальность методов порошковой металлургии позволяет создавать новые композиционные материалы с заданными свойствами, необходимыми для конкретных условий эксплуатации [28, 82, 83].
Была разработана технология получения композиционного порошкового материала, состоящего из вставки твердых сплавов ВК60М, ВК8, Т5К10, Т15К6 и подложки на основе железа. В практике существует технология пайки твердого сплава к металлической державке резца на установках ТВЧ, однако различие коэффициентов линейного расширения стали и твердого сплава приводит к деформациям пластинки и державки, вызывая в них значительные напряжения, которые приводят к появлению трещин в твердом сплаве, шве и корпусе инструмента. Предлагаемая методика изготовления еще на этапе проектирования позволяет производить расчет по коэффициенту теплового расширения, а также предусматривает проектирование формы вставки, позволяющей значительно уменьшить внутренние напряжения, возникающие при резании. Это первый шаг в создании новых твердосплавных металлорежущих пластин, который позволит сократить использование дорогостоящего инструментального материала без ухудшения эксплуатационных характеристик режущего инструмента.
Для разработки основы составного режущего инструмента [83, 90] были взяты порошки железа марки ПЖ-3, графита ГК-3 и меди ПМС-Н. В качестве режущего лезвия использовали спеченные пластины из твердого сплава марки ВК8, ТІ5К6.Для обеспечения необходимого гранулометрического состава порошок железа подвергали измельчению в виброинерционной конусной мельнице
Рис. 5.7 Виброинерционная конусная мельница-дробилка ВКМД-6 Ситовый анализ проводили на анализаторе А-20 (рис. 5.8) для сухого рассева в периодическом режиме сыпучих материалов на ряд классов по размеру частиц. Размер ячеек сеток применяемых в ситах (мм) 0,112ч-2,5.
Вследствие развитой поверхности частиц порошка они в процессе транспортировки и хранения могут адсорбировать на поверхности значи тельное количество кислорода и влаги. Для удаления окислов и загрязнений проводили восстановительный отжиг в вакуумной печи типа СНВЭ-1,3.1/16-И4 (рис. 5.9) при температуре 800С в течение одного часа. Просеянный железный порошок распределили в лодочке равномерным слоем 15-20 мм.
Лодочку с порошком загрузили в печь, и после установления в камере вакуума нагрели до 400С со скоростью 3-4С в минуту. При температуре 400С интенсивное выделение газов привело к некоторому понижению вакуума, что вызвало необходимость выдержки при этой температуре в течение 10-15 минут до восстановления вакуума в печи. Далее порошок грели до 800С с той же скоростью. При 800С провели выдержку в течение 1 часа. После выдержки, плавно понижая температуру, охладили печь до 350-400С и выключили нагреватели. Охлаждение до комнатной температуры осуществляли в вакууме.
Для определения процентного содержания каждого порошка в смеси были проведены соответствующие расчеты и определено весовое соотношение компонентов в смеси. Процентное соотношение компонентов составляло: 96% Fe, 1.5% графита и 2.5% меди. Взвешивание проводили на весах ВЛЭ-510. Смешивание осуществлялось в смесителе турбулентном С 2.0 типа «пьяная бочка» (рис. 5.10), до однообразного состояния сухих сыпучих порошков: объем чаши 2,6 дм3, скорость 20 оборотов в минуту в течение четырех часов.проводили на гидравлическом прессе марки Р40 (рис. 5.11) при давлениях 400, 600, 800 МПа в цилиндрической пресс-форме методом одноосного двухстороннего прессования.
Спекание прессовок и композиционных материалов (с твердосплавными пластинами) проводили в колпаковой вакуумной печи сопротивления СГВ-1,3.1/15 (рис. 5.12) при температурах 1100, 1150 и 1200С. Время выдержки варьировалось в пределах 1, 2 и 4 часа [98].
Рис. 5.12 Печь сопротивления СГВ-1,4.2/15 Для определения усадки (Д1), плотности и пористости (П), прессовки и спеченные заготовки обмеряли микрометром и взвешивали на аналитических весах типа WA-33 с точностью до пятого знака после запятой. Расчет вели по формулам:где: 1„- начальный геометрический размер; 1К- геометрический размер после спекания; робр - плотность образца;
Ркомп - плотность компактного образца из такого же материала. Металлографический анализ полированных (установка типа «Neris») и травленных (травитель: 3%-й раствор азотной кислоты в спирте) образцов проводили на металлографическом микроскопе Neophot 21 (рис. 5.13) и растровом электронном микроскопе РЭМ-200 (рис. 5.14) при увеличении от 400 до 2000.
