Содержание к диссертации
Введение
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7
Твердые сплавы. Структура и некоторые особенности деформации 7
Методы заточки и стойкость твердосплавного режущего инструмента 12
Физико-механические процессы изнашивания режущего инструмента 18
Цель и задачи исследования 31
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 34
Общая схема эксперимента 34
Методика заточки инструмента и отжиг твердосплавных образцов 39
Точение твердосплавными режущими пластинами в различных технологических условиях 42
Измерение усилий резания, температуры резца и некоторых других изучаемых параметров 45
Микрорентгеноспектральный и растровый электронно-микроскопический анализы 46
Теоретический анализ и методика рентгенографического определения параметров тонкой
структуры карбидной фазы контактных поверхностей твердосплавных резцов 49
ТОНКАЯ СТРУКТУРА КАРБИДНОЙ ФАЗЫ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ РЕЗЦОВ ПОСЛЕ ЗАТОЧКИ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ 61
Плотность дислокаций карбидной фазы после заточки и высокотемпературного отжига 61
Растровый электронномикроскопическии анализ поверхности образцов после заточки различными методами 63
Обсуждение результатов рентгеноструктурного и растрового электронномикроскопического
анализов 65
Износ резцов, заточенных различными методами 73
Выводы 77
ТОНКАЯ СТРУКТУРА КАРБВДНОЙ ФАЗЫ КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ РЕЗЦОВ ПОСЛЕ ТОЧЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
УСЛОВИЯХ 79
Износ, усилия и температура резания на контактных поверхностях режущего инструмента 79
Плотность дислокаций карбидной фазы на контактных поверхностях режущих пластин в зависимости от технологических условий процесса резания 85
Растровый электронно-микроскопический анализ контактных поверхностей режущих пластин 89
Обсуждение результатов рентгеноструктурного и растрового электронномикроскопического
анализов контактных поверхностей 91
Дислокационный механизм износа твердосплавного режущего инструмента 105
4.6. Теоретические аспекты высокотемпературной деформации и разрушения твердых сплавов ИЗ
4.7. Выводы 117
5. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ОТЖИГ ТВЕРД0С1ШВНЫХ ОБРАЗЦОВ 119
5.1. Тонкая структура карбидной фазы после высокотемпературного отжига 119
5.2. Влияние отжига заточенного инструмента на повышение его стойкости в определенных технологических условиях 127
5.3. Диффузия железа в переднюю поверхность режущих кромок после точения чугуна СЧ 18-36 при различных методах подготовки контактных поверхностей 138
5.4. Промышленная апробация и внедрение метода отжига заточенного твердосплавного режущего инструмента 139
5.5. Выводы 146
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 148
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 151
ПРИЛОЖЕНИЯ 170
- Твердые сплавы. Структура и некоторые особенности деформации
- Общая схема эксперимента
- Плотность дислокаций карбидной фазы после заточки и высокотемпературного отжига
- Износ, усилия и температура резания на контактных поверхностях режущего инструмента
- Тонкая структура карбидной фазы после высокотемпературного отжига
Введение к работе
На ХХУІ съезде КПСС и на последующих пленумах ЦК КПСС в очередной раз была отмечена важная роль машиностроения, которое во многом предопределяет развитие других отраслей народного хозяйства. Осуществление программы XI пятилетки и плана развития народного хозяйства СССР до 1990 года возможно при тщательном изучении всех перспективных путей повышения производительности и точности обработки деталей, снижении себестоимости металлообработки. В перечне элементов, составляющих стоимость станко-часа работы, стоимость режущего инструмента представляется превалирующей; в связи с этим вопросам изнашивания и разработке основ теории стойкости режущего инструмента уделяется всестороннее внимание.
Из инструментальных материалов наиболее распространенными являются твердые сплавы, основные закономерности изнашивания которых представляются известными. В последние годы, при оценке качества, обработанной поверхности, наряду с ее основными физико-механическими показателями принимаются во внимание такие параметры тонкой кристаллической структуры, как величина микронапряжений, плотность дислокаций, величина скрытой энергии деформации; оценивается также интенсивность экзоэлектронной эмиссии. В самое недавнее время появились исследования, где изучается связь структуры и износостойкости материалов. Если в области трения подобные исследования только начинают проводиться, то в области износа режущего инструмента практически не изучено состояние тонкой (внутризеренной) структуры различных фаз контактных поверхностей и его связь с интенсивностью износа. Вместе с тем, существенное совершенствование экспериментальной техники (в частности, возможностей рентгено- структурного и микрорентгеноспектрального анализов; растровой электронной микроскопии), корректность и широкое техническое распространение прикладной теории дислокаций делают возможным и необходимым проведение подобного исследования.
Далее, непременным условием подготовки режущего инструмента к эксплуатации является его заточка. Качество поверхности, сформированное тем или иным методом заточки, в существенной мере предопределяет его дальнейшее поведение при эксплуатации. Если влияние заточки (шлифования) на основные физико-механические показатели образцов в существенной мере исследовано, то изменение состояния тонкой структуры составляющих фаз, происшедшее в результате заточки, и его связь с эксплуатационными показателями являются малоизученными.
Таким образом, в настоящей работе сделана попытка установить связь между интенсивностью износа и состоянием тонкой структуры карбидной фазы контактных поверхностей твердосплавного режущего инструмента. На основании проведенного исследования был выявлен принципиально новый дислокационный механизм изнашивания твердосплавных резцов, а также предложен метод управления качеством заточенных поверхностей, успешное внедрение которого явилось подтверждением дислокационного мехаг-низма. изнашивания. Проведенные исследования соответствуют Государственной программе 0.16.08 "Создать и освоить в производстве прогрессивные виды режущего, абразивного и алмазного инструмента из новых инструментальных, абразивных и сверхтвердых материалов".
Твердые сплавы. Структура и некоторые особенности деформации
На производство и восстановление металлорежущего инструмента промышленность в СССР и в других высокоразвитых странах затрачивает большие средства. Поэтому всегда актуальным остается вопрос повышения стойкости режущего инструмента. Стойкость инструмента при одинаковых технологических условиях (режимы резания, обрабатываемый материал, жесткость системы СПИД, применяемые СОЖ, и т.д.), есть функция двух параметров: геометрии инструмента и материала инструмента. Геометрия инструмента, с позиций повышения его стойкости, претерпела сравнительно быструю эволюцию (в частности, у токарных резцов) и к настоящему времени особых изменений здесь не предвидится [ю, 86, 100, 102, IIOj .
Таким образом, основное повышение стойкости обеспечивается как созданием новых, более производительных и, по возможности, более дешевых инструментальных режущих материалов (ИРМ), так и технологически более рациональным использованием уже имеющихся марок инструмента. В обоих случаях крайне важно возможно более полное изучение закономерностей процессов изнашивания режущего инструмента. В основном на машиностроительных предприятиях в качестве режущего лезвийного используется твердосплавный инструмент, что объясняется высокими эксплуатационными качествами и относительной дешевизной.
Твердые сплавы получают совместным спеканием порошков карбидов тугоплавких металлов и металлов железной триады. Наиболее распространенные сплавы - карбид вольфрама - кобальт WC - Со , структура которых представляет собой контактирующие частицы WU, погруженные в связку - твердый раствор вольфрама и углерода в кобальте. Разнообразие марок твердых сплавов (ТС), обусловленное главным образом составом карбидной и связующей фазы, содержанием связки, чаще всего кобальта (3 - 25 %) и размером зерен карбидов, оправдывается различными областями применения ТС, чем и объясняется сравнительно долгая "неустареваемость" этого ИРМ. Поскольку вопросы изнашивания режущего инструмента в процессе обработки материалов самым непосредственным образом связаны со структурой и свойствами ИРМ, здесь коротко рассмотрены основные направления создания новых ТС.
Основополагающими работами, раскрывающими структуру, свойства ТС, технологию их изготовления и области применения являются работы [55, 123, 127, I36J . Среди связок, применяемых в обычных ТС, кобальт доминирует ввиду его высокой смачивающей способности. Результаты исследования [l48] показали, что ТС с добавками в связку рутения обладают повышенной стойкостью к ударным и тепловым нагрузкам, повышенной усталостной прочностью при переменных термических нагрузках. Сравнительная дороговизна кобальта требует эффективной замены его более дешевыми связками. В работе [148] исследования проводились в двух направлениях: изучались связки с низкими температурами плавления (на основе железа, никеля и меди) и связки с высокими температурами плавления (на основе хрома, ванадия, рутения, ниобия). Полученные результаты показывают, что ТС на связках с низкой температурой плавления, имеющих только одну О.Ц.К. - фазу, обладают более низкими эксплуатационными характеристиками, чем обычные ТС. Наоборот, ТС, имеющие в связке твердый раствор типа железо - никель, превосходят по своим свойствам обычные ТС. Термообработка сплавов железо-никель-медь приводит к стабилизации структур и позволяет получать более прочные связки. Кроме того, использование некоторых элементов (хром, кремний, алюминий, магний, бор) повышает упругость и обеспечивает более равномерное распределение углерода в связке, что способствует стабилизации структуры и улучшению механических характеристик. Единственно пригодными связками с высокими температурами плавления являются связки типа ванадий - ниобий.
Недавно были созданы весьма мелкозернистые ТС (размер зерен равен 0,2 - I мкм). Подобные ТС, обладая повышенной вязкостью при неизменной твердости, характеризуется также повышенной стойкостью, и могут эффективно применяться в качестве ИРМ при резании в основном с низкими скоростями, где они уменьшают число сколов режущей кромки.
Общая схема эксперимента
Для конкретизации условий варьирования входными параметрами процесса изнашивания была построена структурная схема процесса изнашивания ТС режущего инструмента при точении металлов (рис. 2.1). При этом, за основу были взяты общие структурные схемы механической обработки, раскрытые в работе [92J . Элементы и показатели структурной схемы процесса изнашивания представлены в табл. 2.1.
Из числа выходных параметров не указаны те, которые не связаны непосредственно с задачами настоящего исследования (точность обработки, качество поверхности детали, прочность инструмента, производительность, экономичность и т.п.).
При более общем исследовании входного параметра КИМ (качество рабочих поверхностей инструмента - см. табл. 2.1) необходимо также рассматривать следующие показатели: напряжения первого рода (61 +6г) и механические показатели, как-то: предел прочности при изгибе (бизг) ; ударная вязкость (cfH) ; прочность режущей кромки на микроскалывание (і кс) [38] и долговечность (л/ Ю ) . Однако, во-первых, исследование подобных механических характеристик КРПИ для ТС инструмента детально проведено рядом авторов (см. 1.2.) и, во-вторых, оно имеет непосредственную связь с вопросами хрупкой прочности инструмента, а не с задачами настоящей работы.
В процессе исследования КРПИ и СРПИ, изготовленного из ТС, при измерении микротвердости линейные размеры отпечатка алмазной пирамиды близки к размерам зерен карбидной фазы; процесс приготовления микрошлифа также может исказить результаты измерения. По этим причинам, а также в результате незначительного изменения значений микротвердости в рамках настоящих экспериментов отпала необходимость контроля микротвердости.
Далее были выделены три группы экспериментальных исследований, основным объектом которых являлись одно- и двухкарбид-ные ТС образцы марок ВК8, T5KI0 и TI5K6.
В первой группе устанавливались корреляции между различными методами алмазной заточки ТС пластин, их параметрами тонкой структуры карбидной фазы (КФ) и эксплуатационными показателями. Далее изучалось влияние высокотемпературного отжига на тонкую структуру КФ заточенных различными методами поверхностей.
Во второй группе исследований СРІЖ (см. рис. 2.1; табл.2.1) изучалось после точения, при варьировании ИРМ, ОМ и скоростью резания. Все прочие входные параметры поддерживались неизменными. Подобное исследование, проведенное впервые, дает возможность получить связь между установившейся в процессе нормального изнашивания плотностью дислокаций КФ на рабочих поверхностях инструмента и скоростью резания, а также интенсивностью износа и некоторых других параметров. Взаимосвязь скорости, температуры резания, интенсивности износа, коэффициента трения по передней грани установлена в работах Гб9, 72, 73, I38J , а совмещение этих зависимостей с искомой позволяет глубже изучить процесс изнашивания, а также предложить некоторые практические рекомендации по повышению стойкости режущего инструмента.
Плотность дислокаций карбидной фазы после заточки и высокотемпературного отжига
Результаты рентгенографических измерений сведены в три таблицы, приведенные в приложении 2, каждая из которых отражает изменение состояния поверхности конкретной марки ТС (ВК8 - табл. П.2.І; T5KI0 - табл. П.2.2; TI5K6 - табл. П.2.3) в зависимости от методов заточки в исходном состоянии и после высокотемпературного отжига. Номера участков, заточенных различными методами алмазного шлифования, соответствуют описанию, приведенному в 2.2, т.е.
В таблицах приложения 2 имя образца составляется следующим образом: индекс "3" (заточка) означает, что исследованию подвергался образец, заточенный различными методами; индекс "Ж" (отжиг) означает, что исследование проведено после высокотемпературного отжига; "В8", "Т5" или "TI5" - это марка исследуемого образца (ВК8, T5KI0 или TI5K6); "Ф" или "Т" - это рентгенографически исследуемая фаза (Ф - карбид вольфрама; Т - карбид титана), последующая цифра "I", "2" или "3" - это номер изучаемой кристаллографической плоскости [для фазы WC : "I" - плоскость (100); "2" - плос - 62 кость (101); "З" - плоскость (001); для фазы ТіС : "I" - плоскость (200); "2" - плоскость (220)J .
Последняя цифра в имени образца - это номер участка, с которого ведется съемка.
В головках таблиц приведены следующие обозначения: (H i d) - индексы Миллера изучаемой кристаллографической плоскости; 28тах- угол Вульфа-Брэгга; Jm&x - интенсивность пика в точке SSmax &жсп - полуширина экспериментальной кривой без фона; В - физическое (истинное уширение дифракционных линий. Графическое изображение значений В представлено на. рис. 3.1. При этом заштрихованные области соответствуют значениям в , измеренным после отжига.
Износ, усилия и температура резания на контактных поверхностях режущего инструмента
Тонкая структура карбидной фазы после высокотемпературного отжига
Экспериментальными исследованиями установлено, что во многих случаях зависимость износа инструмента от скорости резания описывается кривой с явно выраженным экстремумом. Существуют различные гипотезы, касающиеся причин немонотонности функций h=fO) [%5, 39, 69, 72, 168 J . В зависимости от усло вий резания и, главным образом, от характера и интенсивности взаимодействия ИРМ и ОМ, экстремумы кривых износа смещаются в сторону больших или меньших значений скорости резания, а абсолютное значение износа имеет различное значение. В настоящей работе назначение режимов резания ( О") So) t) исследуемых сочетаний ОМ - ИРМ проведено на основе экспериментальных исследований зависимости H-ffU ) в работах [72, I38J , а также на основе собственных исследований 49J .
На рис. 4.1 представлены полученные кривые зависимости относительного поверхностного износа поп от скорости резания. Поверхностным относительным износом называется радиальный износ инструмента, отнесенный к 1000 сиг обработанной поверхности, т.е. где Аг - текущая величина размерного износа в мкм; П - площадь обработанной поверхности в см2 ; А, - начальный радиальный износ в мкм; L - текущая длина пути резания в м; LH - длина начального участка пути резания в м; So - подача на. оборот в мм/об. Зависимость температуры от скорости резания стали 40Х и титанового сплава ВТ4 приведена на рис. 4.2, а температурная зависимость твердости сплавов ВК8 и TI5K6 - на рис. 4.3. При увеличении скорости резания и температуры (см. рис. 4.1 и рис. 4.2) до оптимальных значений, которым соответствует минимальная интенсивность изнашивания (при соответствующих режимах резания для следующих сочетаний ОМ - ИРМ оптимальная скорость и температура резания принимает следующие значения: ВТ4 - TI5K6: Спт = 20 м/мин; вопт= 870 К; ВТ4 - ВК8: (/ = 40 м/мин; ? = 1020 К; сталь 40Х - ВК8: LfQnT = 80 м/мин; &опт = 1100 К; сталь 40Х -I5K6: Спт = 160 м/мин; Эопт = 1270 К), интенсивность изнашивания твердосплавного инструмента уменьшается. Как можно видеть, при увеличении скорости резания до оптимальных значений, хотя и происходит снижение твердости сплавов ВК8 и TI5K6 (рис. 4.3), но при этом повышается их пластичность и сопротивление циклическим микроконтактным нагрузкам. В этих условиях сопротивление адгезионно-усталостному износу ТС возрастает. Адгезионные вырывы становятся более мелкими, интенсивность износа уменьшается, а стойкость инструмента увеличивается [69] . Снижение интенсивности износа и возрастание стойкости продолжается до достижения оптимальных значений скоростей резания.
