Содержание к диссертации
Введение
Глава 1, Состояние вопроса и постановка задач исследования
1.1. Методы повышения работоспособности режущих инструментов 8
1.2. Анализ существующих методов повышения работоспособности режущих инструментов. Обоснование криогенной обработки как наиболее рационального метода 11
1.3. Анализ некоторых зависимостей оценки изнашивания режущих инструментов 14
1.4. Методы исследования дислокаций 19
Выводы 21
Глава 2. Условия и методика проведения экспериментов.
2.1. Технология криогенной обработки 23
2.2. Оборудование, режущие инструменты, приспособления и заготовки для проведения испытаний 23
2.3. Методика исследования дислокационной структуры 26
2.4. Оборудование и методика исследования термоЭДС, коэрцитивной силы и сил резания при точении 28
2.5. Методика исследования коэффициентов усадки стружки приточений 31
2,6. Методика ускоренных стойкостных испытаний режущих инструментов 32
Выводы 35
Глава 3. Экспериментально-теоретические исследования, объясняющие снижение интенсивности изнашивания твердосплавных инстру ментов после криогенной обработки
3.1. Исследование плотности дислокации 36
3.2. Элементы теории изнашивания твердосплавных инструментов 38
3.3. Металлографические исследования 72
Выводы 75
Глава 4. Экспериментальные исследования работоспособности режущих инструментов
4.1. Исследование физико-механических свойств твердых сплавов 76
4.2. Стойкостные испытания режущих инструментов 87
4.3. Исследование коэффициента трения 97
4.4. Исследование сил резания при точении 110
4.5. Исследование шероховатости обработанных поверхностей . 116
Выводы 118
Заключение 119
Общие выводы и рекомендации 121
Литература 123
Приложения .133
- Анализ существующих методов повышения работоспособности режущих инструментов. Обоснование криогенной обработки как наиболее рационального метода
- Оборудование, режущие инструменты, приспособления и заготовки для проведения испытаний
- Элементы теории изнашивания твердосплавных инструментов
- Исследование шероховатости обработанных поверхностей
Введение к работе
Согласно международным данным отказы современного автоматизированного оборудования до 50 % случаев связаны с несвоевременным выходом из строя режущих инструментов из-за износа и поломок, а также других проблем обработки металлов резанием. В связи с этим вопросу работоспособности режущего инструмента как недостаточно надежном)'* элементу системы «Станок
- приспособление - инструмент - заготовка» необходимо уделять повышенное
внимание. Это касается не только автоматизированного оборудования, но и
станков с ручным управлением.
При решении вопроса повышения работоспособности режущих инструментов необходимо учитывать дефицит вольфрама и кобальта, а также экологическую чистоту и рентабельность применяемых методов.
Из большой гаммы методов повышения работоспособности режущее инструментов наиболее привлекательным является метод криогенной обработки в жидком азоте. Этому метод}' посвящено значительное количество исследований, однако большая их часть связана с криогенной обработкой инструментальных сталей. По повышению работоспособности криогенной обработкой режущих инструментов из твердых сплавов также выполнены исследования, однако относительно безвольфрамовых твердых сплавов работ нет* Нет также научного объяснения повышения работоспособности твердосплавных режущих инструментов в результате их криогенной обработки.
В целом акіуальность работы состоит:
- в применении для повышения работоспособности твердосплавных режущих
инструментов в том числе из безвольфрамовых твердых сплавов криогенной
обработки - экономичного и экологически чистого метода;
в научном объяснении снижения интенсивности изнашивания инструментов после криогенной обработки действием дислокационно-вакансионного механизма;
в разработке теории изнашивания-разрушения инструментальных материалов при резании, основанной на представлениях о дефектной структуре таких материалов;
в экспериментальном исследовании процессов, сопровождающих резание металлов, подтвердивших правомерность научных предпосылок.
Автор защищает:
- криогенную обработку твердых сплавов как экономичный и экологически
чистый метод повышения работоспособности твердосплавных режущих инст
рументов;
элементы теории снижения интенсивности изнашивания твердосплавных режущих инструментов действием дислокационно-вакансионного мехаизма;
аналитическую зависимость оценки износостойкости как физической характеристики инструментальных матери&аов;
результаты экспериментальных исследований, подтверждающие правомерность теоретических разработок.
Цель работы. Повышение износостойкости лезвийных твердосплавных режущих инструментов (на примере токарных проходных резцов и спиральных сверл) криогенной обработкой их в жидком азоте.
Методы исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований на основе теории резания металлов и технологии машиностроения, физики металлов и металловедения, в том числе теории разрушения металлов и теории дислокаций. В экспериментальной часта исследований применены методы линейного программирования и математической статистики. Работа выполнялась в Новороссийском политехническом институте Кубанского государственного технологического университета.
Научная новизна работы.
1. Предложены элементы теории изнашивания твердосплавных режущих инструментов, основанной на представлениях о первопричине разрушения инструментальных материалов -дефектах кристаллического строения.
Впервые показано, что снижение интенсивности изнашивания режущих инструментов после криогенной обработки, приводящей к увеличению плотности струкіурьі твердых сплавов, связано с действием дислокационно-вакансионного механизма Внутреннее проявление этого механизма-рост плотности дислокаций в карбидах (карбонитридах) металлов, с соответствующим снижением термоЭДС, повышением коэрцитивной силы и твердости инструментальных материалов. Внешнее проявление - снижение коэффициента трения, с соответствующим снижением силы резания и высоты микронеровностей обработанных поверхностей.
Предложена аналитическая зависимость оценки износостойкости инструментальных материалов как их физической характеристики, расчеты по которой показывают увеличение износостойкости твердых сплавов после криогенной обработки.
Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций промышленным предприятиям по использованию жидкого азота в качестве криогенной среды для повышения работоспособности режущих инструментов, оснащенных твердыми сплавами, в том числе и безвольфрамовыми, а также в предложенной аналитической зависимости для оценки износостойкости.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на Новороссийском заводе «Молот». Условно-годовой экономический эффект составляет 46180 рублей в ценах 2006 года.
Апробация работы. Основные научные положения диссертации и результаты исследований представлялись и обсуждались на международных, республиканских и краевых научно-технических конференциях и семинарах. Среди них:
международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиноведения и высоких технологий», Ростов н/Д, 2005 год;
Всероссийская научно-техническая конференция «Наука, техника и технологии XXI века», Нальчик, 2005 год;
Конгресс «Конструкгорско-технологическая информатика», Москва, 2005 год;
международная научно-техническая конференция «Проблемы исследования и проектирования машин», Пенза, 2005 год;
- международная конференция по теории механизмов и механике машин,
посвященная 100-летию со дня рождения академика И.И. Артоболевского;
Краснодар, 2006 год;
международная школа-конференция молодых ученых, аспирантов и студентов им. ПА Соловьева и В.Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений», Рыбинск, 2006 год.
- международная научно-техническая конференция «Проектирование, тех
нологическая подготовка и производство зубчатых передач», ТулаД)05год.
Анализ существующих методов повышения работоспособности режущих инструментов. Обоснование криогенной обработки как наиболее рационального метода
Прежде чем дать анализ существующих методов, автор полагает необходимым определиться с термином фаботоспособность», как это сделано в работе /83/. С учетом ГОСТ 27.004-85 работоспособность режущего инструмента необходимо определял как его состояние, при котором он способен выполнять заданные функции с параметрами, установленными техническими требованиями. Основным критерием работоспособности режущего инструмента является его износостойкость, оцениваемая средней стойкостью, а также доверительным интервалом и коэффициентом вариации стойкости при определенной вероятности. В ряде случаев необходимо рассматривать гарантийную стойкость и интенсивность отказов режущих инструментов. Кроме стойкости, показателями работоспособности режущего инструмента могут быть температура, усилия резания и качество обработанных поверхностей.
Анализ рекомендаций по применяемости приведенных выше методов повышения работоспособности режущих инструментов показывает, что в целом нет универсальных и они отличны для разных типоразмеров инструментов, конструкционных материалов и режимов резания. Технологические методы относятся к традиционным и каких-либо оговорок не вызывают; их можно использовать параллельно с другими, нетрадиционными методами, обладающими некоторой универсальностью. К универсальным, пожалуй, можно отнести элекгроизоляцию, криогенную обработку и поверхностное пластическое деформирование.
Кроме универсальности, методы следует рассматривать с позиции экологической чистоты. К таковым относятся технологии обработки в вакууме, механические методы, электроизоляция и криогенная обработка
И, наконец, экономичность или рентабельность методов. Химические, химико-термические, термомеханические и большинство электрофизических методов в современных условиях российского машиностроения совершенно нерентабельны, поскольку требуют дорогостоящих специальных установок. К экономичным методам сегодня следует относить элекгроизоляцию, криогенную обработку и механические методы, в частности поверхностное пластическое деформирование. Эти методы достаточно подробно исследованы школой профессора ВГ.Солоненко /79, 80, 81, 82, 83 и др./, однако необходимо подчеркнуть следующее. Термоэлектрические явления и электроизоляция, в частности, которыми ученые занимаются с пятидесятых годов прошлого столетия -это особая статья, в ряде случаев с противоречивыми моментами. Например, согласно последних представлений /65/ «...изоляция инструмента как самое простое средство устранения циркуляции триботока во внешней цепи не всегда приведет к положительному эффекту».
Поверхностное пластическое деформирование - /79/ весьма рентабельный метод, однако моїущий применяться доя малых количеств режущих инструментов; даже в этом случае, например, одна режущая пластана (или несколько пластин в полете) требуют обязательного поворота такое количество раз, сколько имеют режущих кромок. Криогенная обработка, результатом которой является объемное упрочнение любого количества режущих инструментов, выгодно отличается от поверхностного пластического деформирования, не уступая другом методам в эффективности.
Таким образом, криогенная обработка во всех отношениях является предпочтительной по сравнению с другими методами. Профессором В.Г.Солоненко проведены фундаментальные теоретико-экспериментальные исследования /83/ по определению рациональных криогенных температур на основании изучения физико-механических свойств инструментальных материалов. Им показано /83/, что температура кипения жидкого азота (- 196,8 С) является оптимальной с точки зрения повышения таких свойств. Для инструментальных сталей, где в результате криогенной обработки происходит дополнительный переход остаточного аустенита в мартенсит /17/, механизм повышения режущих свойств инструментов основан в основном на таком переходе. Однако профессор В.Г.Солоненко объяснил повышение режущих свойств не только быстрорежущих сталей, но и твердых сплавов, действием вакансионного механизма. В то же время в работе /83/ показано, что рентгенострукгурный анализ не выявил существенного различия в структуре материалов до и после криогенной обработки, в связи с чем профессор В.Г.Солоненко исследовал температуру Дебая. Результаты этих исследований подтвердили гипотезу /83/ о вакансионном механизме разрушения инструментальных материалов.
Гипотеза /83/ работает, но смущают результаты рентгеноструюурного анализа /83/, поскольку наши собственные предварительные исследования показали явное изменение на рентгенограммах в результате криогенной обработки. Кроме того, гипотеза /83/ сужена рамками вакансионного механизма. По нашему мнению теория изнашивания в целом должна строится на представлениях о дефектах кристаллического строения разных типов.
Оборудование, режущие инструменты, приспособления и заготовки для проведения испытаний
Сравнительные испытания режущих инструментов провели при точении и сверлении. Точение прямыми проходными резцами (ф = фі = 45) с механическим креплением четырехгранных пластин твердых сплавов (тип крепления «М» согласно системе ИСО) осуществляли на токарно-винторезном станке 1К62. Использовали твердые сплавы ВК8, ТН20 и КНТ16. У резцов, оснащенных твердыми сплавами ВК8 и КНТ16, у = 12 , у резцов, оснащенных сплавом ТН20, у = 8; а = 8, а,=2.
В целом исследования проведены при точении, что, прежде всего, связано с акцентом на твердые сплавы. При точении технологичнее, чем при других видах обработки изучать явления, сопутствующие резанию металлов (в частности, коэффициент трения, термоЭДС, силы резания). Экономичнее подвергать криогенной обработке пластины твердых сплавов для оснащения токарных резцов в отличие от погружения в жидкий азот РИ больших габаритов (хотя сверла для сравнительных стойкостных испытаний также подвергали криогенной обработке).
В качестве предмета исследования, как видно, приняты твердые сплавы ВК8, ТН20 и КНТ16. В работе /35/ рассмотрены твердые сплавы группы ВК. Показано, что в отличие от других карбидов карбид вольфрама обладает некоторой пластичностью. Уникальность карбида вольфрама с точки зрения пластической деформации объясняется частично наличием сеток в струїоуре дислокаций карбида /93/.
Показано /35/, что кобальтовая связка ведет себя как обычный металл с ЩК-решеткой при нормальных условиях с размножением дислокаций, их пересечением и торможением зернами карбида вольфрама. Поэтому реальным механизмом пластической деформации у твердых сплавов считается переход некоторой части ГЦК-модификации кобальта в ГПУ-модификацию путем сдвигового превращения мартенситного типа /90/. Эффективный размер зерна кобальтовой фазы достигает 50-100 мкм, т.е. значительно превышает размер зерен карбида вольфрама 0,5 - 5 мкм для всего диапазона от особомелкозерни-стых до крупнозернистых твердых сплавов.
Коэффициент термического расширения кобальта в три раза больше такого же коэффициента карбида вольфрама, поэтому при охлаждении от температуры спекания в карбиде вольфрама возникают остаточные напряжения сжатая, а в кобальтовой связке — напряжения растяжения. Величина этих напряжений по различным данным /35/ колеблется для карбида вольфрама от -50 до -1000 МПа, а для кобальта - от 500 до 2000МПа. Предложен /26/ метод анализа деформаций между фазами в сплавах группы ВК.
В работе /35/ изучены технологические методы повышения прочности и долговечности твердых сплавов: объемное упрочнение термической обработкой, алмазная обработка, поверхностное пластическое деформирование вибрационной обработкой, допрессовка в газосгате, обработка взрывом, дробеметная обработка, создающая в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия.
Безвольфрамовые твердые сплавы ТН20 и КНТ16 имеют никель-молибденовую связку /67/. Автором настоящей работы при анализе рентгенограмм сплавов ТН20 и КНТ16 установлено, что в них никель, который предположительно мог являться связкой, в чистом виде отсутствует; он образует с молибденом соединение типа Nix- Моу, являясь в таком виде связкой,
В табл. ДИ.Менделеева Со и Ni вместе с Fe находятся в восьмой побочной подгруппе /13/; они обладают близкими физическими свойствами. Приведенные здесь данные использованы ниже в настоящем исследовании при теоретических и экспериментальных разработках. Работоспособность резцов, оснащенных сплавом ВК8, изучена при точении сталей 40X13 и 14Х17Н2, относящихся ко П-й группе труднообрабатываемых материалов /63/. Стали этой группы характеризуются высоким содержанием хрома; применяются для изготовления арматуры, корпусных деталей, турбинных лопаток и дисков, работающих при температурах до 500 - 550 С, а также других деталей с высокой коррозионной стойкостью (например, сталь 40X13 применяют для изготовления шарикоподшипников). Стали 40X13 и 14Х17Н2 имеют коэффициент обрабатываемости 0,5 по отношению к стали 45.
Работоспособность токарных резцов, оснашенных сплавами ТН20 и КПП 6, исследовали при точении стали 45, что связано со следующим. Во- первых, безвольфрамовые твердые сплавы криогенной обработке до настоящего исследования не подвергались, поэтому на первом этапе оказалось необходимым исследовать работоспособность резцов при точении стали, обрабатываемость которой принята за единицу. Кроме того, эти сплавы содержат никель, имеющийся в стали 14Х17Н2, т.е. они химически активны по отношению к ней со всеми возможными отрицательными последствиями. Целостность работы была бы нарушена, если бы исследование резцами, оснащенными безвольфрамовыми твердыми сплавами, провели только при точении стали 40X13. Все обрабатываемые материалы использовали в состоянии поставки. Для стойкостных испытаний сверл применен вертикально-сверлильный станок 2А135.
Элементы теории изнашивания твердосплавных инструментов
При разработке теории приняты во внимание некоторые положения работ /15,19,58, 80 88/. Показано /80/, что повышение стойкости инструментов является результатом изменения износостойкости инструментального материала, которая рассмотрена как физическая характеристика такого материала Изменение износостойкости является следствием физических процессов, происходящих в шіструмеїггальном материале под влиянием внешних воздействий. Уравнение износостойкости /80/ получено на основании термодинамического подхода
Уравнение (3.1) содержит коэффициент аккумулирования энергии пластической деформации, смысл которого состоит в следующем. Пластическая деформация сопровождается зарождением большого количества дислокаций и их перемещением в поле напряжений. Следовательно, работа, которая совершается внешними нагрузками, прилагаемыми к поверхности режущего инструмента, преобразуется в потенциальную энергию перемещения дислокаций; она названа /52/ скрытой энергией деформирования. Кроме того, работа пластического деформирования преобразуется в кинетическую энергию перемещения дислокаций, которая полностью переходит в тепло /86/. Влияние эволюции дислокаций на износостойкость определено компонентами векторов Бюргерса, модулем сдвига и величинами, описывающими взаимодействия в дислокационной струюуре. Твердые спеченные сплавы можно отнести к категории механических систем, состоящих из малых однородных областей (компонентов), разграниченных поверхностями раздела. Такие системы называют неоднородными или гетерогенными средами. Твердые сплавы состоят из двух фаз - карбидов ( или карбонитридов) тугоплавких металлов и металлической связки, которые отличаются физико-механическими свойствами. Это различие может быть принято в качестве основы внутренних процессов, происходящих в инструментальных материалах в результате криогенной обработки.
Предлагается рассматривать твердый сплав в качестве композиционного материала, который моделируется в виде однородной матрицы (связующая фаза), содержащей систему сферических включений из карбидов тугоплавких металлов. Однако говорить о матрице из связующей фазы можно с определенной долей условности, поскольку процентный состав ее в твердых сплавах невысок. В частности, в вольфрамосодержащнх одно- (группа ВК) и двухкарбидных (группа ТК) сплавах связки (кобальта) - от 2 до 15 %. В безвольфрамовых твердых сплавах ТН20 и КНТ16 связующей никель-молибденовой фазы не более 25 %. Таким образом, если вести речь о связке как о матрице, то у нее очень тонкие стенки, которыми отделяются друг от друга сферические включения. В данной работе будет использован подход, когда твердый сплав моделируется набором двухслойных шаров: внутренний шар - карбид тугоплавкого металла, внешний сферический слой - слой металлической связки.
Моделирование процессов в твердых сплавах, рассматриваемых как гетерогенные двухфазные среды, обуславливает необходимость введения трех уровней рассмотрения моделируемых процессов.
На первом уровне твердый сплав рассматривается как однородная среда, обладающая физическими характеристиками, с помощью которых можно производить описание свойств материала, не вдаваясь в особенности внутренней структуры его. На этом уровне вводится понятие износостойкости, как инге-тральной характеристики, с помощью которой можно описывать сопротивление материала изнашиванию.
Второй уровень предполагает, что необходимо учитывать влияние внутренней структуры материала на характер протекающих в твердом сплаве процессов. На этом уровне вводился модель структуры материала и характерный элемент, рассматриваются протекающие физические процессы в конкретной структурной конфигурации материала. Для этого уровня также остаются приемлемыми представления о тензоре деформаций и тензоре напряжений, но уравнения записываются для конкретной реализации структуры.
Третий уровень соответствует эволюционным процессам в дислокационной структуре. При этом дислокация становится основным носителем физических явлений. Рассмотрим эти уровни более подробно.
На первом уровне, как было показано выше, в модель вводится понятие гоносостойкоста. Накопление энергии, о которой также сказано выше, в основном реализуется в дислокационной структуре материала из-за взаимодействий дислокаций. Энергия упругого поля ансамбля взаимодействующих дислокаций может быть записана так:
Исследование шероховатости обработанных поверхностей
Шероховатость обработанных поверхностей исследована в связи с тем, что, во-первых, она сама по себе может служить оценочным параметром работоспособности режущих инструментов. После криогенной обработки, как показано в предыдущих разделах, повышаются физико-механические характеристики твердых сплавов, уменьшаются коэффициенты усадки стружки и трения, а также силы резания, что может, предположительно, привести к снижению высоты микронеровностей обработанных поверхностей. Кроме того, автор ориентировалась на результаты исследований /79/, где показано, что поверхностное пластические деформирование твердых сплавов ведет к уменьшению показателей шероховатости обработанных поверхностей,
Измерение высоты микронеровностей обработанных поверхностей по параметру Rz проводили с помощью двойного микроскопа Линника МИС-11. Величины Rz принимались как среднее арифметическое пяти замеров в пределах одного пояска заготовки. Точение проводили острозаточенными резцами на следующих параметрах режима резания: для пар «ВК8 - 14Х17Н2» и «ВК8 -40X13» скорость резания 86,3 м/мин, подача 0,12 мм/об, глубина резания 0,5 мм; для пар «ТН20 - сталь 45» и «КНТ16 - сталь 45» скорость резания 125,6 м/мин, подача и глубина резания те же. Ниже приведены результаты исследований.
Установлено, что после криогенной обработки твердых сплавов: снижаются величины термо-ЭДС, силы резания, коэффициенты усадки стружки и трения, высота микронеровностей обработанных поверхностей; возрастают коэрцитивная сила, твердость и микротвердость. Полученные данные подтверждают полученные теоретически результаты: после криогенной обработки из-за роста плотности дислокаций и предположительно соответствующего увеличения прочности изменяются физико-механические характеристики твердых сплавов, что приводит с снижению интенсивности изнашивания режущих инструментов.
В заключении необходимо подчеркнуть, что теория, основанная на представлениях о дефектной струюуре инструментальных материалов, как первопричине разрушения-изнашивания режущих инструментов при трении в условиях резания позволяет объяснить различные виды изнашивания и выявить пути снижения интенсивности изнашивания режущих инструментов. В частности, адгезионное, диффузионное и химическое изнашивания протекают по вакансионно-дислокационному механизму; основой механического изнашивания является эволюция точечных дефектов и образование микротрещин. Известные методы снижения интенсивности изнашивания режущих инструментов (термические, химико-термические, механические, физические) связаны с реализацией механизма, основанного на первопричине разрушения твердых тел, - дефектной структуре инструментальных материалов.
Анализ существующих методов снижения интенсивности изнашивания /40/ относительно классической зависимости «юное - стойкость» показывает следующее. Нагрев режущих инструментов, резание с подогревом, химическое осаждение из газовой фазы, применение поверхностно-активных веществ и ашифрикционных покрытий, детонационное напыление, дробеструйная, вибрационная и ультразвуковая обработки, когда превалируют пластические процессы контактной зоны, действуя по дислокационному механизму, сокращают период приработки режущих инструментов. Диффузионное насыщение бором, хромом, азотом; термодиффузионное насыщение из твердой фазы, магнитная и магнитно-импульсная обработки, электроискровое легирование, увеличивая период нормальной работы режущих инструментов, действуют по вакансионному механизму. Электроизоляция оказывает влияние на оба периода работы режущих инструментов, действуя по вакансионному механизму, ответственному за термоэлектрические процессы контактной зоны. Какие из приведенных методов являются более рациональными? В принципе - те и другие, поскольку при уменьшении периода приработки автоматически увеличивается время нормальной работы. Однако при назначении метода снижения интенсивности изнашивания режущего инструмента необходимо исходить из конкретных условий: типа производства, количества работающих инструментов, наличия специальной технологической оснастки и приспособлений для применения определенного метода, экологической чистоты, технологичности и экономичности методов.
На основании изложенного - общих теоретических предпосылок и частых экспериментальных данных - можно утверждать, что концепция, основанная на представлениях о первопричине изнашивания-разрушения инструментальных материалов - их дефектной струюуре, не противореча устоявшимся воззрениям, может явиться единой теорией интенсивности изнашивания режущих инструментов. Она позволяет в конкретных случаях количественно оценить величину линейного износа режущих инструментов/83/, а также определить пути снижения интенсивности их изнашивания. Это является актуальным в современных условиях, а также в условиях обозримого будущего, пока получение деталей машин резанием будет превалировать по сравнению с другими методами. В целом теория позволяет прогнозировать интенсивность изнашивания и, следовательно, работоспособность лезвийных режущих инструментов, от которой в значительной мере зависит производительность автоматизированного станочного оборудования.
