Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 8
1.1. Виды инструментальных режущих материалов 8
1.2. Механизмы изнашивания режущего инструмента 13
1.3. Методы повышения работоспособности твердых сплавов 21
1.3.1. Упрочнение поверхностных слоев инструмента твердыми покрытиями 22
1.3.2. Разработка новых составов спеченых твердых сплавов 23
1.3.3. Алмазная обработка спеченых твердых сплавов 26
1.3.4. Упрочнения твердых сплавов высококонцентрированными источниками энергии 28
1.3. Выводы 32
Глава 2. Методика для проведения исследований .33
2.1. Методика проведения стойкостных испытаний для исследования износа твердосплавного инструмента при точении 33
2.2. Методики электронно-микроскопического исследования поверхностей износа и разрушения 38
2.3. Мультифрактальная параметризация контактных поверхностей твердых сплавов и деформированных слоев обрабатываемых материалов 40
2.3.1 Основные понятия о фракталах 40
2.3.2 Фрактальная размерность 42
2.3.3. Методология мультифрактальной параметризации структур 45
2.4. Выводы 48
Глава 3. Экспериментальное исследование изнашивания режущего инструмента 49
3.1.Влияние структуры твердых сплавов на износостойкость инструмента 49
3.2. Исследование изнашивания твердых сплавов с покрытием ...55
3.3. Выводы 57
Глава 4. Фрактальный подход к процессам трения и изнашивания инструмента при резании 58
4.1. Алгоритмы оценки фрактальной размерности, показателей Ляпунова и информационной энтропии по временной реализации 58
4.2. Исследование контактного взаимодействия при внешнем трении инструментального и обрабатываемого материалов на основе теории фракталов 62
4.3. Мульти фрактальная параметризация подошв нароста и прирезцовых слоев обрабатываемого материала 67
4.4. Фрактальный подход к исследованию контактного взаимодействия и изнашивания инструмента при резании... 69
4.5. Выводы 78
Глава 5. Управление контактными процессами и износом инструмента при резании 81
5.1.Влияние размера зерна твердых покрытий на износостойкость режущего инструмента 81
5.2. Влияние фрактальных свойств твердых сплавов и покрытий на их износостойкость 84
5.3. Нейронносетевая модель управления контактными процессами при резании 90
5.4. Выводы 95
Основные результаты и выводы 96
Библиографический список 98
- Механизмы изнашивания режущего инструмента
- Методики электронно-микроскопического исследования поверхностей износа и разрушения
- Исследование изнашивания твердых сплавов с покрытием
- Исследование контактного взаимодействия при внешнем трении инструментального и обрабатываемого материалов на основе теории фракталов
Введение к работе
Актуальность работы. Механическая обработка материалов резанием сопровождается трением и изнашиванием режущего инструмента. Спечённые твёрдые сплавы широко используются для оснащения инструмента в виде многогранных неперетачиваемых пластин.
Интенсивность изнашивания твердосплавного инструмента существенно определяется коэффициентом трения, контактными напряжениями, температурой резания, свойствами обрабатываемого и инструментального материалов и т.д. Низкая стойкость режущего инструмента снижает производительность металлообрабатывающего оборудования, особенно на станках с ЧПУ и в условиях гибкого автоматизированного производства.
Решение задачи повышения износостойкости твердосплавного инструмента возможно лишь при углубленном изучении физических процессов, сопровождающих трение при резании, на основе фундаментальных подходов. К числу фундаментальных подходов следует отнести синергетику -теорию самоорганизации термодинамически неравновесных открытых систем.
В этой связи, систему резания необходимо рассматривать как неравновесную открытую систему. В системе резания, с позиций теории синергетики, находящейся вдали от термодинамического равновесия и получающей энергию от внешнего трения на контактных поверхностях инструмента и стружки возникают кинетически неустойчивые (хаотические), либо устойчивые структуры, вследствие ее самоорганизации. Такие структуры называют диссипативными. В свою очередь, кинетическую устойчивость таких вторичных структур, определяющих интенсивность изнашивания инструмента можно оценивать с позиций теории фракталов - фрактальной размерностью.
Поэтому установление взаимосвязи, образующихся на контактных поверхностях вторичных структур, с их фрактальной размерностью и
управление на этой основе интенсивностью изнашивания инструмента является актуальной задачей в теории резания металлов.
Цель работы: разработка механизма изнашивания твердосплавного инструмента на основе фрактального подхода к прочности материалов.
Научная новизна работы состоит в:
- разработке механизма изнашивания твердосплавного инструмента на основе оценки фрактальной размерности поверхностей изнашивания от времени и скорости резания;
- разработка методики оценки интенсивности изнашивания режущей части инструмента путём расчёта фрактальной размерности частиц износа;
- развитие новых представлений о причинах немонотонности зависимости стойкости (интенсивность изнашивания) твердосплавного инструмента в зависимости от скорости резания на основе разработанных механизмов изнашивания.
Практическую ценность представляют:
- разработанный алгоритм оценки фрактальной размерности частиц изнашивания твёрдых сплавов;
- экспресс-метод оценки фрактальных свойств износостойких покрытий;
- нейронно-сетевая модель управления контактными процессами. Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в
учебный процесс на кафедре «Технология машиностроения» Комсомоль-ского-на-Амуре государственного технического университета.
Апробация работы: основные положения диссертационной работы докладывались на:
- международной научно-технической конференции «Фракталы и прикладная синергетика», г. Комсомольск-на-Амуре, 2002г.
- на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета в 1999-2004 гг.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4 печатных работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов по работе. Диссертация изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 5 таблиц, библиографический список из 87 наименований.
В первой главе приведен литературный обзор, включающий в себя рассмотрение следующих вопросов:
- виды инструментальных режущих материалов с представлением основных химико-механических характеристик представителей подгрупп группы спеченых твердых сплавов;
- механизмы изнашивания инструментального режущего материала;
- методы повышения работоспособности инструментальных режущих материалов.
Во второй главе изложены экспериментальные и расчетные методики: методика металлографического и электронноскопического исследований, методика мультифрактальной параметризации контактных поверхностей инструмента.
В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований изнашивания твердых сплавов, а также твердых сплавов с износостойким покрытием.
В четвертой главе приведен анализ экспериментальных и теорети-ческих исследований, изложен механизм изнашивания твердых сплавов на основе фрактального подхода, описана методика оценки интенсивности изнашивания твердосплавного инструмента.
В пятой главе рассматриваются пути управления стойкостью режущего инструмента на основе разработанного механизма изнашивания.
Автор выражает благодарность научному руководителю - Заслуженному деятелю науки и техники РФ, академику Российской инженерной академии, доктору технических наук, профессору Ю.Г.Кабалдину, коллективу кафедры «Технология машиностроения» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета за помощь, оказанную при выполнении работы.
Механизмы изнашивания режущего инструмента
Изнашивание инструмента обусловлено несколькими одновременно протекающими процессами. В настоящее время экспериментально и теоретически разработаны следующие основные виды износа: адгезионно-усталостный, абразивный, диффузионный, окислительный.
Большой вклад в развитие теории изнашивания инструмента внесли российские и зарубежные исследователи: В.Ф. Бобров, М.С. Беккер, А.С. Верещака, Г.И. Грановский, Д.М. Гуревич, Н.Н. Зорев, Ю.Г. Кабалдин, М.И. Клушин, О.В. Кретинин, Б.И. Костецкий, В.А.Ким, Т.Н. Лоладзе, А.Д. Макаров, В.Н. Подураев, С.С. Силин, Ю.М. Соломенцев, Н.В. Таланов, В.М. Трент, М.Х.Утешев П.И. Ящерицин и др.
Адгезионно-усталостный износ считается одним из основных видов изнашивания режущего инструмента и может наблюдаться в широком диапазоне скоростей резания /7, 8, 16, 49, 50/. При резании в результате плотного контакта и под действием высоких давлений возникает явление пластического течения материала. Высокие давления увеличивают фактическую площадь контакта, а процесс непрерывного перемещения стружки по поверхности инструмента способствует удалению оксидных и иных защитных пленок с поверхности, тем самым, способствуя образованию чистых поверхностей и возникновению адгезионного схватывания /1, 14/. При разрыве адгезионых связей происходит перенос одного из материалов трущейся пары на другой. Результаты адгезии обнаруживаются при изучении контактных поверхностей инструмента. Интенсивность схватывания на разных участках контакта стружки с инструментом неравномерна. Вблизи режущей кромки адгезионное схватывание проявляется в большей степени (из-за наличия застойной зоны).
Различают две зоны по длине контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Первая зона - заторможенная зона, вторая зона - зона прерывистого контакта.
Большое влияние на адгезию оказывает смазывающий эффект (образование пленок). При больших скоростях пленки не успевают образовываться, и условие резания приближается к резанию в вакууме или в среде инертного газа. Поэтому с повышением скорости эффективность примене пия смазки уменьшаемся. Наиболее активно алїсзноиное изнашивание про-текает при температуре 0,35 ,., 0,5 о е\шера ры алавюиия н при пониженном соотношении твердости пиетрумен ЦІЛЬНОГО и обрабатываемого материалов.
В работах Н.Н. Зорева и TJL Лоладзе /2.1, 49, 50/ адгезионный шнос трактуется как адгезионно - уст алое тньш. Дефекты отруїаурьї инструментального материала в при контакт ном со стружкой, слое выполняют роль концентраторов напряжений Соїлаеио исследованиям TJ.L Доладзе /49, 50/, размеры вырываемых частиц определяется микронорисгостью поверхностных сдоев н прочностью адгезии. При низкой температуре адгезионно -усталостный износ протекает в виде хрупкого разрушения, при высоких температурах в результате пластического среза контактных слоев инструмента, її связи е этим интенсивность ишашиваииа при низких температурах (скоростях резания) в значительной степени будет определяться пределом выносливости и прочностью, а при высоких температурах - пределом текучести и твердостью. Следует отметить что важную роль в адгезионном износе играют границы зерен. В иоликристшыичееком материале на грани пах зерен кристаллическая решетка искажена, что являетол предпосылкой для возможного отслаивания материала по тгнм гранишм. На рис. 1,4 схематично показан механизм адгезионного изнашивания.
В работах Д.М. Гуревича /16/ развивается концепция изнашивания твердых сплавов с позиции фрикционной усталости как результата накопления повреждений в зернах карбидов. Периодичность процесса схватывания вызывает в зернах карбидов появление циклических напряжений, что приводит к образованию полос скольжения. Развитие полос скольжения способствует разделению зерен карбидов на блоки и таким образом процесс изнашивания сводится к вырыву этих блоков с поверхности зерен.
При высоких температурах износ твердосплавного инструмента является следствием усталостного разрушения карбидов. Под действием циклических нагрузок в поверхностном слое инструментального материала развивается пластическая деформация карбидов с образованием тонкого текстурного слоя. По мере увеличения количества циклов нагружения происходит ослабление связи частиц текстурного слоя с зерном. По результатам проведенных исследований автором сделан вывод, что износ твердосплавного инструмента при высоких скоростях резания остается в основном тем же, что и при низких и преобладает его адгезионная компонента.
В работе /16/ рассмотрен также механизм изнашивания титановольф-рамовых твердых сплавов. Сделан вывод, что при обработке углеродистых сталей на высоких скоростях резания изнашивания твердых сплавов группы ТК происходит путем разрушения поверхности зерна карбида.
В работах Г.В. Самсонова /9, 70/ развита концепция, согласно которой процессы трения и изнашивания обусловлены электронным строением металлов. Процесс схватывания связан с электронным обменом между атомами контактирующих металлов с образованием стабильных в энергетическом плане электронных конфигураций, к числу которых относятся sp3 - электронные конфигурации.
Абразивный износ Механизм абразивного изнашивания исследован в работах /8, 50 и др./. Он является одним из простых в физическом смысле видов изнашивания. В зоне трибоконтакта обработанной поверхности и стружки с инструментом, твердые микрокомпоненты обрабатываемого материала, частицы разрушенного нароста, вырванные частицы инструментального материала царапают эти поверхности, образуя борозды, риски. Интенсивность абразивного износа определяется твердостью включений обрабатываемого материала, прочностью и твердостью поверхностных слоев инструмента и температурой резания. Наиболее сильно абразивный износ проявляется в том случае, когда твердость режущей части инструмента в процессе резания падает, а обрабатываемый материал упрочняется. На рис. 1.5 представлены микрофотографии, иллюстрирующие абразивное пропахивание передней поверхности.
Методики электронно-микроскопического исследования поверхностей износа и разрушения
Наиболее эффективным методом исследования механизмов изнашивания является электронно-микроскопический анализ поверхностей разрушения. Электронно-микрографические исследования контактных поверхностей твердосплавного инструмента в исходном состоянии и после процесса резания выполняли на металлографическом микроскопе МИМ-7, просвечивающем электронном микроскопе ЭМВ-100Л, а также на сканирующем растровом электронном микроскопе JSM-35CF и микрорентгеноспек-тральном анализаторе "САМЕВАХ" при увеличении 60... 14000. В большинстве моделей РЭМ при использовании наклонного и поворотного столика могут быть изучены все поверхности образца поперечным сечением до 25 мм, то есть размеры вакуумных камер этих микроскопов позволяют использовать образцы в виде сменных многогранных пластин. Эта особенность дает возможность производить полное исследование поверхностей разрушения. Однако недостаточный рельеф даже на сильно протравленной поверхности шлифа иногда затрудняет получение четкого изображения структуры твердого сплава в РЭМ. Изображение часто кажется резким, а участки кобальта - прозрачными, как будто вытравленными в процессе подготовки шлифа.
Этих недостатков изображения можно избежать, если осадить из газовой фазы на поверхность образца слой какого-либо тяжелого металла. После этого участки кобальта приобретают четкие очертания. Подбором условий оттенения (при осаждении) и контрастирования (при наблюдении) можно добиться яркого свечения ребер карбидных частиц.
Так например, рекомендуется напылять на поверхность шлифов сплавов WC-Co угольную пленку с оттенением золотом.
Наибольшей разрешающей способностью обладают угольные и оксидные реплики (30...50 А). Однако большое распространение получили двухступенчатые пластико-угольные реплики, так как техника их изготовления относительно проста, и при этом сохраняется поверхность разрушения (излома).
Большинство реплик не обеспечивает достаточного контраста изображения, что мешает реализовать достигаемую ими точность воспроизведения и разрешения отдельных элементов исследуемой поверхности. В этой связи в настоящих исследованиях большая часть реплик оттенялась путем направленного вакуумного напыления тяжелым металлом (хромом) под определенным острым углом к поверхности реплики.
Дислокационные структуры типа полос скольжения выявляются с помощью растровой электронной микроскопии поверхностей изломов с от тенением. Исследования тонкой структуры поверхностей трения наиболее корректно проводить с помощью трансмиссионной электронной микроскопии тонких фольг.
В институте проблем материаловедения АН Украины разработан новый метод препарирования тонких фольг - ионное распыление с бомбардировкой /59/. Разработанная методика изготовления тонких фольг обладает рядом достоинств и была успешно применена для исследования тонкой структуры тугоплавких соединений, а также выявления изменения дислокационной структуры в карбидах титана при трении. Данная методика изготовления тонких фольг использовалась с целью изучения структурных изменений в поверхностных слоях твердых сплавов.
В качестве исходных заготовок использовались заготовки из сплавов ВК8 и ТН-20 размерами 3x4 мм и толщиной 1 мм, которые отрезались от пластин. Затем заготовки сошлифовывались до толщины 30... 100 мкм и выполнялись утонение края. Ионное распыление противоположной стороны заготовки производились на режимах, изложенных в, что позволяло получать тонкие участки, непосредственно содержащие поверхностные слои зоны трения. Тонкую структура исследовалась на электронном микроскопе HU-200F при ускоряющем напряжении 200 кВ.
Сравнительно давно в математике возник образ объекта, более объемистого, но тем ни менее сходного с ними некоторым ученым было трудно примериться с понятием линии, не имеющей ширины, поэтому постепенно ими стали изучаться геометрические формы и структуры, имеющие дроб ную пространственную размерность. На смену непрерывным кривым, обладающими всеми производными, пришли ломаные или очень изрезанные кривые. Ярким примером такой кривой является траектория броуновской частицы. Так в науке возникло понятие фрактал.
Фракталами называются геометрические объекты: линии, поверхности, пространственные тела, имеющие сильно изрезанную форму и обладающие свойством самоподобия. Слово фрактал произошло от латинского слова fractus и переводиться как дробный, ломанный, состоящий из фрагментов. Само подобие как основная характеристика фрактала означает, что он более или менее единообразно устроен в широком диапазоне масштабов. Так, при увеличении маленькие фрагменты фрактала получаются очень похожими на большие. В идеальном случае такое само подобие приводит к тому, что фрактальный объект оказывается инвариантным, т.е. ему, как говорят, присуща дилатационная симметрия. Она предполагает неизменность основных геометрических особенностей фрактала при изменении масштаба.
Конечно, для реального природного фрактала существует некоторый минимальный масштаб длины /min, такой, что на расстояниях / = /тіп его основное свойство - само подобие - пропадает. Кроме того, на достаточно больших масштабах длин l Zmax , где /тах - характерный геометрический размер объектов, это свойство само подобия так же нарушается. Поэтому свойства природных фракталов рассматриваются лишь на масштабах /, удовлетворяющих соотношению /min « / « /max . Такие ограничения являются довольно естественными, потому что, когда мы приводим в качестве примера фрактала - изломанную, негладкую траекторию броуновской частицы, то мы понимаем, что этот образ является очевидной идеализацией. Дело в том, что на маленьких масштабах сказывается конечность массы и размеров броуновской частицы, а так же конечность времени соударения при учете этих обстоятельств траектория броуновской частицы становится плавной кривой.
Отметим, что свойство точного само подобия характерно лишь для регулярных фракталов. Если вместо детерминированного способа построения включить в алгоритм их создания некоторый элемент случайности (как это бывает, например, во многих процессах диффузионного роста кластеров, электрическом пробое и т.д.), то возникают так называемые случайные фракталы. Основное их отличие от регулярных состоит в том, что свойства само подобия справедливы только после соответствующего усреднения по всем статистически независимым реализациям объекта. При этом увеличенная часть фрактала не точно идентична исходному фрагменту, однако их статистические характеристики совпадают.
Исследование изнашивания твердых сплавов с покрытием
Повышение работоспособности твер дых сплавов может быть достигнуто испо льзованием специальных методов обра- 40 ботки, в том числе применением твердых t 30 покрытий /10/. Для повышения эффективности покрытий используются композиционные покрытия (рис.3.12). Эффективность повышается за счет того, что каждый слой покрытия выполняет свою функцию.
1. Исследовано влияние структуры твердых сплавов на сопротивляемость изнашиванию. Сопротивляемость их изнашиванию существенно определяется составом карбидной фазы и режимом резания. С ростом скорости резания характер изнашивания контактных поверхностей изменяется.
2. При низких скоростях резания микроразрушения контактных слоев твердосплавного инструмента сопровождается раскалыванием и вырывом зерен карбидной фазы. При высоких скоростях резания наблюдается сдвиговый (вязкий) характер среза группы зерен карбидов.
При оптимальных скоростях резания изнашиванию подвергаются зерна карбидов, частицы износа залегают в межзеренное пространство, создавая сплошной карбидный каркас. Это способствует снижению сопротивлению изнашивания твердых сплавов
3. Изнашиванию твердых сплавов с покрытием предшествует его микроразрушение с образованием сетки микротрещин, что облегчает отрыв частиц покрытия. После микроразрушения покрытия, его частицы залегают во впадины и, таким образом повышают сопротивляемость твердосплавной основы износу.
Анализ поверхностей изнашивания твердых сплавов, твёрдых сплавов с покрытием, показывает, что изнашивание инструмента сопровождается тре-щинообразованием и отрывом группы зерен карбидов, а зависимость износ -время имеет ступенчатый характер. В этой связи, необходима разработка математической модели износа, описывающей как отрыв отдельного зерна карбидной фазы, так и вырывы в большой группы зерен, которая бы связала воедино масштабные уровни разрушения: макро- и мезоуровень. Как показывает анализ такая задача может быть решена на основе теории фракталов. Алгоритмы оценки фрактальной размерности, показателей Ляпунова и информационной энтропии по временной реализации
Хаотическая динамика течения частиц прирезцовых слоев обрабатываемого материала является также причиной возмущения в трибосистемах и в целом в упругой системе станка как автоколебаний, так и непериодических колебаний. Исследование механизмов изнашивания инструмента, изучение сценариев потери устойчивости трибосистем возможно на основе подходов нелинейной динамики, что позволит управлять износостойкостью режущего инструмента.
В настоящее время при исследовании процессов динамических систем все большее развитие получает качественная теория дифференциальных уравнений /1/. Переход к геометрической трактовке дифференциальных уравнений без их интегрирования приводит к тому, что многие основные термины носят геометрический смысл: траектория, множество, многообразие, размерность и т.д. Таким образом, новый подход к исследованию динамики трибосистем заключается в представлении как эволюции некой траектории в обобщенном фазовом пространстве. Понятие фазового пространства имеет смысл для любой системы дифференциальных уравнений.
В диссипативных динамических системах, в их фазовом пространстве после затухания переходных процессов можно выделить предельное множество точек, притягивающее фазовые траектории и называемое аттрактором. Существование аттракторов связано со свойством сжатия фазового объема динамической системы под действием оператора эволюции. Большинство эволюционных процессов, наблюдаемых в реальности - диссипативны, т.е. проявляют свойство самоорганизации и обладают аттракторами /4/.
Простейшим аттрактором является фиксированная точка. Он описывает систему, которая эволюционирует к единственному устойчивому состоянию. Другой вариант аттрактора - предельный цикл. Он соответствует динамической системе, стремящейся к периодическим автоколебаниям. В фазовом пространстве, вблизи предельного цикла, траектории следуют по регулярной кривой, окружности, эллипсу или тору.
Третий тип аттрактора, характеризующий нерегулярный, похожий на случайный процесс, изменения динамических переменных системы во времени, был назван Д. Рюэлем и Ф. Такенсом странным (хаотическим) аттрактором /4/. Странный аттрактор - сложно устроенное фрактальное множество, притягивающее к себе все траектории из некоторой прилегающей области (бассейна аттрактора). В фазовом пространстве, вблизи странного аттрактора, две траектории, начавшиеся при почти идентичных начальных условиях, уже через короткое время расходятся, а через значительное время будут совершенно отличаться друг от друга.
В работе /40/ показано, что в процессе резания устойчивое движение упругой системы станка (УСС) нарушается хаотическими возмущениями и в целом переходом к квазипериодическому движению. В этой связи, многочисленные исследования свидетельствуют о сильной зависимости динамики станочных систем от специфических особенностей развития во времени контактных процессов в системе резания. Иначе говоря, устойчивость упругой системы станка существенно определяет динамика процесса резания, в частности, локализация пластических деформаций в зоне стружкообразования, высокая степень деформации в приконтактных слоях стружки, вызывающая здесь вихревой характер движения обрабатываемого материала. Особенно это заметно на высоких скоростях резания, где температура и скорость деформации обрабатываемого материала близки к точке перехода от ламинарного течения структурных элементов к турбулентному.
Теоретические основы решения подобного рода задач были предложены Таккесом /4/. Доказанная им теорема утверждает, что почти для всех гладких динамических систем с помощью достаточно точно и длительно записанной одной переменной мы можем восстановить информацию о динамике всей исследуемой системы. Иначе говоря, по имеющейся временной реализации одной наблюдаемой динамической переменной, например, по сигналу акустической эмиссии, излучаемому в процессе резания (трения), можно сконструировать аттрактор, основные свойства которого будут такими же, как у всей динамической системы резания в целом. Аналогично аттрактор динамической системы резания можно построить по профилограмме обработанной поверхности.
Исследование контактного взаимодействия при внешнем трении инструментального и обрабатываемого материалов на основе теории фракталов
В настоящее время имеется ограниченное число работ в области внешнего трения материалов /15, 47, 73/, в которых теория фракталов в основном использована для изучения механизмов трения, предложены фрактальные модели трения шероховатых поверхностей.
Целью настоящих исследований явилось изучить эволюцию аттрактора динамической системы при внешнем трении округленной кромки режущей пластины о поверхность цилиндрической заготовки. Эксперименты проводились на токарном станке 1К62 повышенной жесткости. В качестве инструмента использовался сборный токарный резец со сменной неперета-чиваемой пластинкой из сплава ВК8. В ходе каждого эксперимента синхронно с процессом трения регистрировались сигналы виброускорений вершины инструмента с помощью высокоточных акселерометров марки ЮЭ35, закрепленных на корпусе резца в непосредственной близости от его вершины. По полученным вибросигналам производилась реконструкция аттрактора динамической системы трения и дальнейший анализ устойчивости процесса.
Завиатостъ информационной энтропии и фрактальной размерности сигнала АЭ от скорости трения режущего инструмента ВК8 о заготовку из титанового сплави С повышением скорости трения увеличивается как информационная энтропия вибросигнала, так и его фрактальная размерность. Причём с увеличением скорости трения наблюдается повышение хаотичности колебаний инструмента. На малых скоростях трения (V 30 м/мин) для системы характерен аттрактор в виде предельного цикла - тора. Внешний вид этого тора слегка размыт, что говорит о присутствии небольшой доли неупорядоченных колебаний (хаоса) в системе трения. Это подтверждает и расчет значения информационной энтропии Su - на малых скоростях ее значение составляет положительное значение: 2,5 SU 3,5 нат.
При увеличении скорости трения доля неупорядоченных, хаотических колебаний в системе трения возрастает, аттрактор динамической системы все больше эволюционирует от предельногого цикла (тора) к неупорядоченному хаотическому переплетению фазовых траекторий - хаотическому аттрактору.
Следовательно, при увеличении скорости трения к динамической системе подводится все большее количество энергии. До определенного предела (до V 70 м/мин) динамическая система трения способна диссипи-ровать (рассеивать) подводимую к ней энергию в виде устойчивых механических колебаний небольшой амплитуды и система имеет аттрактор в виде предельного цикла. При скоростях 70 V 90 м/мин происходит разрушение предельного цикла, динамическая система трения теряет устойчивость. При скорости трения V= 108 м/мин динамическая система трения имеет хаотический аттрактор, то есть ее колебания неупорядочены и неустойчивы. Информационная энтропия Шенона на этой скорости достигает значения: Su = 5 нат, что характерно для хаотических систем. То есть уровень энергии, подводимой к динамической системе трения на скоростях V 100 м/мин так велик, что система уже не способна рассеивать ее, не потеряв при этом устойчивость, без перехода к хаосу. При трении в системе титановый сплав - ВК8 (рис. 4.2) сценарий потери устойчивости динамической системы такой же - разрушение тора (предельного цикла) и переход к хаосу.
Зависимости А, показателя Ляпунова в зависимости от скорости и времени трения, в отличии от D и Su происходит немонотонно. Особый интерес представляют временные зависимости показателей Ляпунова, свидетельствующие о периодической потери устойчивости системы трения.
С позиций термодинамики открытых систем колебание параметров D, X и Su означает периодический переход трибосистемы в новое состояние с образованием диссипативных структур. Приэтом важным моментом оказывается существование определенного соотношением между производством и обменом энтропии с внешней средой. Накопленная энтропия в три-босистеме
Таким образом, определяющим фактором колебаний устойчивости трибосистем при внешнем трении, оказывается производство энтропии, вызывающейся структурообразование в приконтактных слоях инструментального материала. Образующиеся структуры, по-видимому обладают различными диссипативными свойствами и временем жизни (релаксации). Поэтому трибосистема может периодически терять устойчивость и самоорганизуясь переходить в новое устойчивое состояние.
Полученные результаты исследований позволили с позиций термодинамики необратимых процессов объяснить причины изменения интенсивности изнашивания твердых сплавов во времени и скорости резания.
Микроскопический механизм потери структурной устойчивости твердых сплавов наиболее эффективно изучать на основе теории фракталов, подвергая фрактальному анализу, как контактные поверхности инструмента, так и опорную поверхность стружки. Иначе говоря, сопротивляемость изнашиванию твердых сплавов определяется как их структурой, температурой, величиной контактных напряжений, так и характером течения частиц обрабатываемого материала в прирезцовых слоях стружки.
