Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ надежности и эффективности работы сборных твердосплавных фрез на станках с ЧПУ 11
1.1 Анализ существующих методик назначения допустимой скорости фрезерования 13
1.2 Технологическая природа неоднородности свойств инструментальных и обрабатываемых материалов 19
1.3 Задачи технологической диагностики при обработке на фрезерных станках с ЧПУ 29
1.4 Современные методы оценки состояния режущего инструмента 35
1.5 Постановка задачи исследования 46
Глава 2. Методика проведения экспериментальных исследований 48
2.1 Экспериментальная установка 48
2.2 Инструментальные и обрабатываемые материалы 50
2.3 Методика определения режущих свойств твердосплавных пластин 53
2.4 Методика измерения коэрцитивной силы твердосплавных пластин 54
2.5 Методика оценки точности результатов испытаний твердосплавных пластин 55
Глава 3. Физические основы использования термоэдс для оценки свойств контактируемых пар в условиях прерывистого резания 65
3.1 Обоснование выбора режима предварительного пробного прохода для получистового и чистового фрезерования 65
3.2 Физические основы использования термоЭДС пробного прохода в условиях прерывистого резания 71
3.3 Методика определения скоростного коэффициента Су как функции от термоЭДС пробного прохода 78
3.4 Аналого-цифровое преобразование сигнала термоЭДС как способ получения информации о состоянии многолезвийного инструмента 83
3.5 Дополнительные аспекты методики регистрации сигнала термоЭДС при прерывистом резании 94
Выводы по главе 3 105
Глава 4. Разработка способов автоматизированного определения допустимой скорости фрезерования на основе измерения термоэдс контактной пары инструмент-дет аль 106
4.1 Способ определения допустимой скорости фрезерования при неорганизованном наборе твердосплавных пластин в комплекте фрезы 107
4.2 Обоснование и разработка условий создания организованного набора твердосплавных пластин 117
4.3 Способ определения допустимой скорости фрезерования при организованном наборе твердосплавных пластин в комплекте фрезы... 131
Выводы по главе 4 134
Глава 5. Разработка блок-схем алгоритмов автоматизированного определения режимов резания на фрезерных станках с ЧПУ 136
5.1 Блок-схема алгоритма определения допустимой скорости фрезерования при неорганизованном наборе твердосплавных пластин.. 136
5.2 Блок-схема алгоритма определения допустимой скорости фрезерования при организованном наборе твердосплавных пластин 140
5.3 Разработка модуля автоматизированного расчета и коррекции режимов обработки на фрезерных станках с ЧПУ 144
Выводы по главе 5 148
Общие выводы 150
Список использованной литературы 154
Приложение 171
- Технологическая природа неоднородности свойств инструментальных и обрабатываемых материалов
- Инструментальные и обрабатываемые материалы
- Физические основы использования термоЭДС пробного прохода в условиях прерывистого резания
- Обоснование и разработка условий создания организованного набора твердосплавных пластин
Введение к работе
ВВЕДЕНИЕ
Современной тенденцией развития автоматизации машиностроительного производства является применение металлорежущих станков и станочных комплексов с числовым программным управлением. Числовое программное управление (ЧПУ) является универсальным средством управления станками, которое позволяет качественно изменить обработку металлов резанием. Обработка на станках с ЧПУ дает возможность автоматизировать мелкосерийное многономенклатурное производство, использовать многостаночное обслуживание, увеличить производительность труда оператора-станочника за счет сокращения времени переналадки, повысить точность изготавливаемых деталей. Микропроцессорные устройства управления превращают станок в станочный модуль, сочетающий гибкость и универсальность с высоким уровнем автоматизации.
Основой высокопроизводительной и качественной эксплуатации автоматизированного станочного оборудования является эффективность процесса резания. Существующие производственные условия, как в нашей стране, так и за рубежом, не всегда позволяют в полной мере реализовать все технологические возможности станков с ЧПУ. По данным работ [29,120] анализ эффективности использования 20000 станков с ЧПУ в США, Англии и Франции показал, что только 40% этого оборудования использовалось рационально.
В связи с постоянным ростом численности отечественного парка станков с ЧПУ существует задача повышения надежности процесса резания как основного фактора обеспечения эффективной эксплуатации металлорежущего оборудо-
Введение
вания. Среди факторов, определяющих надежность обработки на фрезерных станках с ЧПУ, преобладающим является фактор стабильной работы сборного многолезвийного инструмента в течение заданного периода времени, что, в свою очередь, определяется расчетом допустимой скорости резания. Существующие методики определения допустимой скорости фрезерования [38,81,100,101] ориентированы на то, что весь комплект (набор) режущих пластин обладает одинаковыми режущими способностями, и рассчитанная скорость резания является рациональной для всего набора, обеспечивая, тем самым, расчетное время его безотказной работы. В тоже время, практика эксплуатации фрезерных станков с ЧПУ, оснащенных сборным многолезвийным твердосплавным инструментом (торцовые фрезы), показала, что до 50% всех отказов в работе станков связано с преждевременным выходом из строя режущего инструмента [9,24,34,102].
Обеспечение надежности автоматически выполняемого процесса резания в части основных его технологических параметров до сих пор остается полностью не разрешенной проблемой. В большинстве случаев для ее решения идут на значительное (до 50...70%) снижение расчетных значений режимов резания относительно нормативных в предположении, что более низкие скорости и подачи обеспечат стабильную работу инструмента. Обоснованием к указанному снижению является допускаемый техническими условиями на изготовление разброс физико-механических свойств как со стороны обрабатываемого, так и инструментального материала [23,48,98,99]. На практике при пониженных ре-
- 6 - Введение
жимах резания имеет место значительный статистический разброс значений стойкости инструмента, достигающий 100% [103].
На сегодняшний день в области разработки новых систем ЧПУ сложилась ситуация, когда математические зависимости теории резания, используемые в алгоритмах расчета режимной части управляющих программ не позволяют выбрать надежные режимы обработки. Каждое новое поколение систем ЧПУ отличается более высокой степенью автоматизации в подготовке геометрической информации, но ни одно из них пока не имеет программного обеспечения и аппаратных средств, которые способствуют выбору режимов обработки, обеспечивающих расчетную стойкость инструмента. В большинстве случаев для расчета элементов режимов резания на фрезерных станках с ЧПУ используются методики, разработанные применительно к универсальным станкам с ручным управлением.
Методики расчета допустимой скорости фрезерования как основного параметра, определяющего заданное время работы (стойкость) сборного многолезвийного твердосплавного инструмента не в полной мере учитывают существующий разброс физико-механических свойств обрабатываемых сталей и разброс режущих свойств твердосплавных пластин. Проблема выбора рациональных режимов резания особенно значима при многостаночном обслуживании фрезерных станков с ЧПУ и при работе станков в составе автоматизированных станочных комплексов, где у оператора-станочника нет физической возможности одновременного наблюдения и контроля над ходом процесса об-
Введение
работки на нескольких станках.
В работах отечественных и зарубежных исследователей [14,26,30,47,53,108,124,125,131] представлены различные средства и методы управления процессом резания на автоматизированном станочном оборудовании, но все они основаны на использовании существующих методик расчета режимов обработки с присущими им недостатками и в целом не решают проблему выбора рациональных режимов резания расчетным путем. Исследования в области эксплуатации фрезерных станков с ЧПУ выявили резервы увеличения эффективности обработки за счет повышения надежности и работоспособности сборного многолезвийного режущего инструмента. Использование этих резервов ставит задачу разработки принципиально новых подходов к назначению режимов обработки с использованием оперативной информации о свойствах каждого инструмента и заготовки. Учитывая широкое применение фрезерных станков с ЧПУ в автоматизированном мелкосерийном и серийном производствах, разработка способов и устройств, повышающих надежность их работы, является важной и актуальной задачей.
В данной работе обосновывается разработка и реализация принципиально нового способа обеспечения надежности процесса многолезвийной обработки на фрезерных станках с ЧПУ, основанного на использовании предварительной оперативной информации о режущих свойствах комплекта сборного многолезвийного твердосплавного инструмента и о свойствах пары инструмент - деталь. Результаты исследований относятся к условиям получистовой и чистовой обра-
- 8 - Введение
ботки углеродистых конструкционных и легированных сталей торцовыми фрезами, оснащенными многогранными твердосплавными неперетачиваемыми режущими пластинами.
Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка использованной литературы и приложения. В порядке расположения глав в диссертационной работе решались следующие задачи.
В главе 1 проведен анализ существующих способов назначения режимов фрезерования по математическим моделям и с помощью таблиц, изложенным в справочно-нормативной литературе. Выявлены неточности расчетных зависимостей, используемых в данных способах, рассмотрена возможность применения существующих способов Расчета при автоматизированной подготовке технологической информации для фрезерных станков с ЧЕТУ. Исследована технологическая природа неоднородности свойств инструментальных и обрабатываемых материалов и ее влияние на надежность процесса фрезерования. Определены задачи технологической диагностики обработки на фрезерных станках с ЧПУ и сформулированы требования к диагностическому параметру для оценки состояния сборных твердосплавных фрез. Рассмотрены современные методы оценки состояния режущего инструмента и автоматизированного выбора режимов резания на основе различных физических явлений и процессов. Предложен способ оценки режущих свойств сборного твердосплавного инструмента и физико-механических свойств обрабатываемого материала по величине термоЭДС, генерируемой естественной термопарой инструментальный
Введение
материал - обрабатываемый материал в условиях пробного прохода. На основании проведенного анализа сформулированы задачи исследования.
В главе 2 изложена методика проведения экспериментальных исследований, охватывающая вопросы определения режущих свойств сборного многолезвийного твердосплавного инструмента, измерения магнитных характеристик твердосплавных пластин и оценки точности результатов измерений исследуемых величин.
В главе 3 рассматривается физическая природа связи термоЭДС пары инструмент - деталь в условиях пробного прохода с физико-механическими свойствами контактируемых материалов и условиями протекания процесса резания. Представлена методика измерения величины термоЭДС при обработке сборным многолезвийным инструментом, в которой показана возможность использования аналого-цифрового преобразования сигнала термоЭДС для оценки состояния твердосплавных пластин в комплекте фрезы и изучения быстротекущих контактных процессов прерывистого резания. Рассмотрены вопросы обеспечения точности и помехозащищенности при съеме и обработке сигнала термоЭДС.
В главе 4 описан способ и математическая модель автоматизированного определения допустимой скорости фрезерования на основе измерения термоЭДС пары инструмент - деталь (условия неорганизованного набора режущих элементов). Введены коэффициенты для расчета неравномерности режущих свойств комплекта сборной фрезы. Предложена методика предварительной
Введение
оценки режущих свойств и распределения по группам качества твердосплавных пластин на основе измерения коэрцитивной силы. Установлена связь между термоЭДС и коэрцитивной силой пластин в пределах партии поставки. Представлен способ и математическая модель определения допустимой скорости фрезерования путем последовательного измерения коэрцитивной силы пластин и термоЭДС пары инструмент - деталь (условия организованного набора режущих элементов).
В главе 5 приведены блок-схемы алгоритмов автоматизированного определения допустимой скорости фрезерования для условий организованного и неорганизованного набора режущих элементов. Изложены принципы построения систем автоматизированного расчета и коррекции режимов резания на фрезерных станках с ЧПУ.
Работа выполнялась на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета и является составной частью госбюджетной НИР №35-53/803-07 и хоздоговорной НИР №351/35-504, выполняемых на кафедре под руководством д.т.н., профессора Плотникова А.Л.
Результаты работы могут найти применение при создании новых поколений систем ЧПУ класса PC-NC на базе персональных компьютеров и разработки научных основ информационных технологий для автоматизированных участков фрезерных станков с ЧПУ.
Технологическая природа неоднородности свойств инструментальных и обрабатываемых материалов
Причина низкой технологической надежности процесса резания заключается в нестационарном характере самого процесса обработки. В основе этих явлений лежит неоднородность свойств инструментального и обрабатываемого материалов в пределах их марочных составов, обусловленная технологическими особенностями металлургического производства.
Твердосплавные режущие пластины, предназначенные для оснащения резцов, фрез, сверл, зенкеров и других видов лезвийного инструмента являются продуктом порошковой металлургии. Особенность технологического процесса спекания твердосплавных режущих пластин состоит в том, что очень узкие по допустимому содержанию углерода области, составляющие десятые доли процента (0,1...0,5%) приводят к широкому диапазону изменения режущих свойств. В работах отечественных авторов [19,29,36,47], касающихся специфики технологии спекания твердосплавных изделий и связанным с ней разбросом эксплуатационных характеристик, указывается на решающую роль углерода, среди других факторов, в формировании свойств связующей кобальтовой фазы и свойств сплава в целом.
М.М. Бабичем на основе комплекса исследований особенностей технологического процесса изготовления вольфрамокобальтового инструмента показано, что допускаемые ТУ на изготовление отклонения по содержанию кобальта, отклонения по зернистости смеси, значительно меньше влияют на физико-механические и эксплуатационные свойства изделий, чем допускаемые по ТУ отклонения по содержанию углерода. В качестве примера в работе [3] показано, что при ширине двухфазной области по углероду для сплава ВК6, равной 0,12 весовых процента, колебание углерода от нижнего до верхнего предела приводит к двукратному снижению его износостойкости.
В работе В.И. Третьякова приведены данные об изменении физико-механических свойств двухкарбидного твердого сплава Т5К10 в зависимости от содержания углерода [107]. Данные охватывают трехфазную область (JVC + у + (3) и область с фазой графита. При этом изменение предела прочности при изгибе составляет 20%, твердости 8%, период решетки кобальтовой фазы изменяется от 3,574 А до 3,553 А и его значения связаны с количеством растворенного вольфрама в кобальтовой фазе (2...20%). Допустимое изменение содержания углерода по ГОСТ 4872-75 внутри марочного состава твердого сплава от нижней допустимой границы двух- или трехфазной области до включения свободного графита в пределах 0,2.. .0,5% фактически приводит к изменению режущих свойств (износостойкости) в партиях спекания в 1,5...2,0 раза [74].
В работе [107] показано, что физико-механические свойства твердосплавных пластин, их относительный коэффициент стойкости при резании, как оценочная величина уровня качества сплава, в значительной мере зависит от условий спекания. Различие в свойствах твердосплавных пластин обусловлено их местоположением в контейнере, габаритами контейнера, нестабильностью температуры и ее изменением в процессе спекания в зависимости от типа печи, общей массы изделий, скорости движения водорода через печь и т.п. Химический состав связующей кобальтовой фазы, как твердого раствора с ограниченной концентрацией, то есть процент растворенного вольфрама в кобальте, у пластин одной партии спекания оказывается различным (2...20%). Это обуславливает различную способность кобальтовой связки прочно удерживать зерна карбидов или блоки зерен в монолитном объеме, различную способность противостоять циклическим контактным нагрузкам на режущем лезвии, различную интенсивность взаимной диффузии компонентов стали в связку и компонентов связки в приграничные объемы зоны контактных пластических деформаций.
Инструментальные и обрабатываемые материалы
Для исследований режущих свойств инструмента и стойкостных испытаний в лабораторных и заводских условиях использовались сменные многогранные твердосплавные пластины марок Т5К10, Т14К8, Т15К6 ГОСТ 19065-80 производства ОАО «Кировоградский завод твердых сплавов». В качестве сборного многолезвийного инструмента использовались 8-зубая и 10-зубая торцовые фрезы диаметром D = 100 мм и D = 125 мм соответственно, которые комплектовались многогранными твердосплавными пластинами.
Крепление пластин осуществлялось механически с помощью винта и цилиндрической втулки. Заточка твердосплавных пластин производилась на универсально-заточном станке модели ЗВ642 алмазными кругами АЧК-АСР 100/80-Б1-100. Для исследования режущих свойств твердосплавных пластин использовался метод полного симметричного фрезерования плоских стальных заготовок. Испытания проводились в диапазоне скоростей резания выше зоны наростообразования в условиях получистового и чистового фрезерования.
В качестве обрабатываемых материалов применялись: углеродистая конструкционная сталь 45 ГОСТ 1050-88 (ОАО «Златоустовский металлургический завод»), легированная конструкционная сталь 40Х ГОСТ 4543-71 (ОАО «Уральская сталь»), подшипниковая сталь ШХ15 ГОСТ 801-78 (ОАО «Белорецкий металлургический комбинат»).
Все обрабатываемые материалы использовались в состоянии поставки. В исследованиях использовались заготовки из круглого проката. Размерный диапазон заготовок находился в пределах: диаметр D= 100... 120 мм, длина L = 500...600 мм. Круглые заготовки предварительно обрабатывались до размеров квадратного сечения 80x80 или 90x90 и затем использовались для проведения стойкостных испытаний торцовых фрез.
Механические свойства и химический состав обрабатываемых материалов взяты из сертификатов качества на партии поставки стали заводов-изготовителей и представлены в табл. 2.2 и 2.3 соответственно.
На сегодняшний день основным методом определения режущих твердосплавных пластин является метод, основанный на расчете коэффициента стойкости по ОСТ-48-99-84, который устанавливается как средняя величина при испытании на износ четырех пластин из партии спекания и присваивается всей партии [92]. В 1 главе настоящего исследования указывалось на невысокую достоверность данного метода в связи с значительным фактическим диапазоном изменения физико-механических свойств твердых сплавов в пределах одной партии спекания и невозможность использования его для определения режущих свойств каждой твердосплавной пластины.
Оценка режущих свойств пластин также может производиться по патентованным методам измерения акустического сигнала [69], коэрцитивной силы [62], рентгеновского излучения [71], термоэлектрических параметров [67]. В данной работе режущие свойства твердосплавных пластин определялись термоэлектрическим методом, на основе измерения величины термоЭДС естественной термопары инструментальный материал -обрабатываемый материал в условиях пробного прохода (У = 100м/мин; S — 0,1 мм/об; t = 1мм) [61]. В качестве эталонного обрабатываемого материала использовалась сталь 45.
В связи с рядом технологических особенностей, связанных с регистрацией и использованием сигнала термоЭДС при обработке многолезвийным инструментом описание данной методики представлено в отдельной 3 главе.
Для предварительной оценки режущих свойств твердосплавных пластин в партиях поставки и последующего распределения их по группам качества проводилось измерение коэрцитивной силы каждой пластины с помощью ко-эрцитиметра КИПФ-1. Данный коэрцитиметр предназначен для неразру-шающего контроля механических свойств, поверхностных слоев и структуры ферромагнитных материалов по установленным корреляционным связям между измеряемой величиной коэрцитивной силы и контролируемыми параметрами.
Физические основы использования термоЭДС пробного прохода в условиях прерывистого резания
Физика твердого тела, описывающая термоэлектрические явления основывается на взаимодействии чистых металлов. Контактируемая пара инструмент - деталь составлена из разнородных материалов, представляющими собой сложные многокомпонентные твердые растворы, эмиссионные свойства которых еще недостаточно изучены. Однако имеющиеся данные о корреляции уровня термоэлектрических явлений со свойствами обрабатываемых и инструментальных материалов [6,59] позволяют рассматривать эти явления с установленных позиций физики чистых металлов применительно к их сплавам.
Фононная составляющая термоЭДС аф, т.е. эффект увлечения электронов фононами, существенное влияние на результирующее значение удельной термоЭДС пары оказывает только в интервале низких температур (350...400С), поэтому для качественной оценки ее влиянием можно пренебречь, т.к. реальные значения температуры в зоне резания при современных скоростях обработки находятся в интервале 700...900С [63].
Объемная составляющая термоЭДС а0б обусловлена образованием направленного движения носителей тока в проводнике при наличии градиента температур и имеет, как показано в работе [74], малую величину, влиянием которой на изменение значения а также можно пренебречь.
Следовательно, в изменение величины удельной термоЭДС контакти-руемой пары основной вклад вносит величина контактной составляющей, зависящая, в свою очередь, от величины химических потенциалов контактируемых материалов. Из условия равенства электрохимических потенциалов электронов в контактируемых поверхностях металлов следует, что удельная термоЭДС определяется разностью работ выхода электронов из обрабатываемого и инструментального материалов.
Работа выхода электронов из сталей и твердого сплава, определяющая уровень контактной составляющей оск в формуле (3.6) и величину термоЭДС в формуле (3.1), является информативным параметром, несущим сведения об изменениях химического и фазового состава контактируемых пар. Экспериментальные исследования ряда авторов [1,46,83] показали, что между содержанием углерода в твердом сплаве и величиной термоЭДС существует зависимость: чем выше в сплаве содержание углерода, тем выше величина генерируемой этим сплавом (при прочих равных условиях) термоЭДС. При этом определяющим фактором является содержание вольфрама в кобальтовой связке (для сплавов ВК и ТК), а также наличие свободного углерода (для сплавов с дополнительной фазой графита). В работе [74] на основе анализа диффузионных и контактных процессов установлена зависимость износостойкости твердосплавного режущего инструмента от содержания в нем углерода: чем выше в сплаве содержание углерода, тем ниже износостойкость, Глава З ниже режущие свойства данной твердосплавной пластины. Отсюда зависимость между величиной термоЭДС и режущими свойствами твердосплавного инструмента будет выглядеть следующим образом: с возрастанием величины термоЭДС режущие свойства (износостойкость) твердосплавного инструмента будут уменьшаться.
Причиной возрастания значений термоЭДС для углеродистых сталей является увеличение работы выхода электронов, связанное с увеличением объемного содержания цементита; имеющийся при этом разброс значений термоЭДС внутри марочного состава обусловлен колебаниями химического состава и влиянием примесей. Для легированных сталей большие значения термоЭДС имеют место за счет повышения твердости феррита и цементита легирующими элементами [21].
Проведенный анализ процесса генерирования термоЭДС естественной термопары инструмент - деталь позволяет заключить, что данный параметр может использоваться как для оценки физико-механических свойств (обрабатываемости) сталей, так и для оценки режущих свойств (износостойкости) твердых сплавов. Информационная ценность сигнала термоЭДС состоит в том, что он, как неотъемлемый фактор процесса резания, позволяет оценивать свойства каждой контактируемой пары. Этот электрический сигнал можно измерить, запомнить, преобразовать, использовать для сравнения и вычисления, используя при этом аппаратные средства системы ЧПУ. При этом отпадает необходимость проведения предварительных механических испытаний сталей для определения поправок на прочностные свойства обрабатываемого материала. Данное обстоятельство является преимуществом при автоматизированном назначении режимов резания, прежде всего, с точки зрения повышения точности их расчета, обеспечивающих надлежащие эффективность и производительность обработки.
Обоснование и разработка условий создания организованного набора твердосплавных пластин
Для фрезерных станков с ЧПУ неоднородность режущих свойств твердосплавных пластин в комплекте сборного многолезвийного инструмента приводит к отклонению фактического периода стойкости от расчетного, что значительно снижает надежность и производительность обработки, приводит к вынужденным простоям для замены изношенного раньше времени инстру мента, увеличивает дополнительные затраты на режущий инструмент, а при отсутствии активного размерного контроля — к появлению брака.
Повысить надежность и эффективность фрезерной обработки возможно при использовании предварительного распределения (сортировки) по некоторому оценочному параметру твердосплавных пластин на группы с одинаковыми режущими свойствами для последующей комплектации в наборы сборных фрез. Такой подход позволит обеспечить рациональное использование инструментального материала и повысить вероятность безотказной работы инструмента в течение заданной стойкости за счет равномерного количественного износа всех режущих кромок.
В цеховых условиях невозможно определять методами разрушающего контроля, хотя бы выборочно, химический и фазовый состав, механические и теплофизические характеристики твердосплавных инструментов. Проблемным является и перенос результатов разрушающего контроля свойств одних твердосплавных пластин на другие из-за существующего диапазона колебания их характеристик внутри одной партии поставки. Следовательно, возникает задача отыскания и использования такого диагностического параметра, который обладал бы высокой информативной ценностью и мог быть использован для оперативного неразрушающего контроля каждой твердосплавной пластины.
В настоящее время для исследования различных характеристик сталей и сплавов (структуры, химического состава, механических напряжений, твердости, упругих и пластических деформаций) все чаще используются магнитные методы оценки на основе измерения коэрцитивной силы Не, магнитной индукции В, намагниченности М и магнитной проницаемости \І. Анализ ряда работ отечественных и зарубежных исследователей показал, что наиболее информативным параметром для оценки свойств ферромагнитных материалов является коэрцитивная сила [16,25,34,45,113].
Если намагнитить ферромагнетик до насыщения Ms, а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то намагниченность образца М, начиная с некоторого значения поля, будет отставать в своем уменьшении от уменьшения поля и при Н = 0 окажется отличной от нуля. В материале появляется остаточная намагниченность Мп не равная нулю, но несколько меньшая значения, соответствующего насыщению. Для того, чтобы сделать намагниченность ферромагнетика равной нулю, необходимо приложить обратное магнитное поле величины Не. Напряженность Не называется коэрцитивной силой.
Намагничивание ферромагнитного образца, имеющего М- 0 при Н = 0, происходит за счет изменения формы и ориентации доменов (областей спонтанной намагниченности). При малых значениях напряженности Н происходит процесс смещения границ доменов, т.е. наблюдается увеличение объема "выгодно" расположенных относительно внешнего поля доменов, за счет доменов с "невыгодной" ориентацией. Увеличение напряженности Н приводит к тому, что рост выгодно ориентированных доменов осуществляется за счет необратимых процессов. На крутых участках кривой намагничивания и петли гистерезиса, где структура ферромагнитных доменов изменяется в результате процессов смещения их границ, наблюдается скачкообразное изменение намагниченности (эффект Баркгаузена).
Имеющиеся в материале различного рода неоднородности (инородные включения, дислокации, остаточные механические напряжения и т.д.) пре пятствуїот перестройке доменной структуры. Когда граница домена, смещаясь при увеличении напряженности магнитного поля Н, встречает препятствие (например, инородное включение), она останавливается и остается неподвижной при дальнейшем увеличении поля. При некотором возросшем значении поля граница преодолевает препятствие и скачком перемещается дальше, до очередного препятствия, уже без увеличения поля. Наличие в твердых сплавах примесей, дефектов кристаллической решётки, различного рода неоднородностей затрудняет движение границ магнитных доменов, что препятствует перемагничиванию материала и тем самым повышает величину коэрцитивной силы.
Для сплавов одной партии, наблюдается зависимость между величиной коэрцитивной силы и объемным содержанием ферромагнитной составляющей (твердого раствора вольфрама и углерода в кобальте), размером зерна WC, средней толщиной прослоек связующей фазы. На величину коэрцитивной силы оказывает влияние также величина растягивающих напряжений в кобальтовой фазе и сжимающих напряжений в карбидной фазе, а также величины включений и их объемная доля. Например, в сплавах с содержанием кобальта 2,5 и 15% (по массе) изменение среднего размера зерна WC от 2 до 3 мкм приводит к изменению величины коэрцитивной силы до 60% [106].
Похожие диссертации на Обеспечение надежной работы сборного многолезвийного твердосплавного инструмента на фрезерных станках с ЧПУ
