Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Перспективы и проблемы применения инструментов с керамическими режущими пластинами 11
1.1. Технико-экономическая эффективность применения инструментов с керамическими режущими пластинами 11
1.2. Разработка и изготовление керамических режущих пластин 16
1.3. Эксплуатация инструментов с керамическими режущими пластинами 25
1.4. Тенденции совершенствования керамических режущих пластин 40
1.5. Выводы. Цель и задачи исследования 56
Глава 2. Исследование природы отказов керамических режущих пластин 60
2.1. Анализ факторов, определяющих отказы керамических режущих пластин 61
2.2. Разработка комплексной методики исследования термомеханической напряженности, изнашивания и разрушения керамических режущих пластин 65
2.3. Исследование термомеханической напряженности керамических режущих пластин при эксплуатации 72
2.3.1. Контактные процессы при резании инструментами с керамическими режущими пластинами 73
2.3.2. Температура и термические напряжения в керамических режущих пластинах 80
2.3.3. Построение физической модели процесса резания инструментами с керамическими режущими пластинами 91
2.4. Выявление причин отказов керамических режущих пластин 94
2.4.1. Кинетика изнашивания керамических режущих пластин 95
2.4.2. Исследование характера разрушения керамических режущих пластин 102
2.5. Формирование методологического подхода к разработке керамических режущих пластин 107
2.6. Выводы 115
Глава 3. Исследование теплового и напряженного состояниякерамических режущих пластин 117
3.1. Построение математической модели керамической режущей пластины 118
3.1.1. Разработка расчетной схемы 119
3.1.2. Постановка задач теплопроводности и термоупругости 126
3.1.3. Алгоритмы решения поставленных задач 135
3.1.4. Разработка программного и методического обеспечения автоматизированной системы термопрочностных расчетов керамических режущих пластин 138
3.1.5. Проверка адекватности построенной математической модели 145
3.2. Моделирование термомеханической напряженности керамических режущих пластин 149
3.2.1. Методика проведения экспериментов 150
3.2.2. Тепловое и напряженное состояние керамических режущих пластин при разных условиях внешнего нагружения 151
3.2.3. Влияние свойств обрабатываемого материала на термомеханическую напряженность керамических режущих пластин 178
3.2.4.Влияние свойств керамики на тепловое и напряженное состояние режущих пластин 190
3.2.5. Напряженное состояние режущих пластин из неоднородной керамики 205
3.2.6. Влияние покрытия на термомеханическую напряженность керамических режущих пластин 212
3.2.7. Влияние геометрических параметров лезвия керамической режущей пластины на ее напряженное состояние 226
3.3. Разработка метода проектирования керамических режущих пластин 230
3.4. Выводы 234
Глава 4. Разработка режущих пластин из нитридной кермжи и технологии их изготовления 237
4.1. Разработка инструментальной керамики из нитрида кремния 238
4.1.1. Определение базового состава инструментальной керамики 238
4.1.2. Разработка инструментальной керамики из нитрида кремния, упрочненной дисперсными частицами 257
4.1.3. Разработка инструментальной керамики из нитрида кремния, армированной нитевидными кристаллами 262
4.2. Разработка технологии заточки режущих пластин из нитридной керамики 268
4.2.1. Исследование процесса шлифования режущих пластин из нитридной керамики 269
4.2.2. Особенности формирования поверхностного слоя режущих пластин из нитридной керамики 277
4.2.3. Управление процессом формообразования лезвия режущих пластин из нитридной керамики 286
4.3. Разработка режущих пластин из нитридной керамики с покрытием 291
4.4. Разработка систем обеспечения качества и экологической безопасности при изготовлении режущих пластин из нитридной керамики 296
4.5. Выводы 303
Глава 5. Исследование производительности предварительной механической обработки инструментами с режущими пластинами из нитридной кермики 306
5.1. Анализ эксплуатационных показателей разработанных режущих пластин при обработке деталей из разных конструкционных материалов 307
5.1.1. Обработка деталей из чугунов 308
5.1.2. Обработка деталей из сталей 315
5.1 .3. Обработка деталей из жаропрочных сплавов 320
5.2. Выявление причин отказов разработанных режущих пластин 325
5.2.1. Исследование кинетики изнашивания режущих пластин изнитридной керамики 326
5.2.2. Определение критериев состояния и отказов режущих пластин из нитридной керамики 336
5.3. Формирование рекомендаций по практическому применению инструментов с разработанными режущими пластинами в условиях предварительной механической обработки деталей 352
5.4. Выводы 355
Основные выводы по работе 358
Литература 362
Приложения 392
- Эксплуатация инструментов с керамическими режущими пластинами
- Разработка комплексной методики исследования термомеханической напряженности, изнашивания и разрушения керамических режущих пластин
- Разработка программного и методического обеспечения автоматизированной системы термопрочностных расчетов керамических режущих пластин
- Разработка инструментальной керамики из нитрида кремния, упрочненной дисперсными частицами
Введение к работе
За последние десятилетия машиностроительное производство достигло значительного прогресса. Созданные высокоэффективные станочные системы позволяют повысить производительность механической обработки за счет высоких и сверхвысоких скоростей резания. Однако практическое использование этого потенциала значительно ограничивается эксплуатационными показателями режущих инструментов и их недостаточно высокой способностью сопротивляться процессам изнашивания и разрушения под действием высоких термомеханических нагрузок. Очевидно, что для решения этой проблемы необходимы инструменты, ориентированные на высокоскоростную лезвийную обработку.
Требованиям высокоскоростного резания в наибольшей степени отвечают инструменты, оснащенные керамическими режущими пластинами, которые успешно применяются на окончательных операциях механической обработки деталей из чугунов, закаленных сталей и цветных сплавов. Эти инструменты позволяют значительно увеличить производительность механической обработки и повысить качество изготовленных деталей при выполнении постоянно возрастающих экологических требований. Однако применение инструментов с керамическими режущими пластинами только на финишных этапах технологических процессов, где традиционно и эффективно применяется абразивная обработка, не способно оказать существенное влияние на общие экономические показатели предприятий. Поэтому набольший интерес для ряда отраслей промышленности (станкостроение, автомобилестроение, авиационная промышленность) представляют керамические режущие пластины с более широкой областью применения.
В настоящее время применение инструментов с керамическими режущими пластинами на предварительных операциях механической обработки деталей является неэффективным. Повышенные подачи при
резании, переменные припуски и модифицированные свойства поверхностного слоя заготовок, характерные для этих этапов обработки, создают экстремальные условия нагружения режущих пластин. Хрупкие пластины не выдерживает этих нагрузок, что приводит к резкому увеличению вероятности их отказов. Принципиально изменить поведение керамических режущих пластин под действием высоких термомеханических нагрузок только за счет достижений технологии керамических материалов, на которые делается главный упор при решении этого вопроса, не представляется возможным. Ориентация этих исследований на увеличение прочности, трещино- и термостойкости инструментальной керамики не оправдывает надежды.
Это связано с тем, что механизм разрушения керамических материалов основан на процессе зарождения и распространения трещин без заметных пластических деформаций. Традиционные механизмы торможения трещин в керамических материалах оказываются неэффективными для режущих пластин из-за экстремально высоких эксплуатационных нагрузок. Серьезную опасность для керамических режущих пластин также представляют напряжения, возникающие под действием силовых и тепловых нагрузок. Неблагоприятное сочетание основных компонентов , керамики часто приводит к тому, что в режущих пластинах формируются критические микронапряжения, способные стать первопричиной разрушения режущих пластин.
Вместе с тем композиционный характер керамических материалов является благоприятной базой для разработки инструментов нового поколения. Рациональный выбор основных компонентов керамики и формирование структуры определенного типа в материале позволяет управлять ее свойствами в достаточно широком диапазоне. Однако практическая реализация этого подхода крайне затруднена из-за отсутствия методов расчета режущих пластин, учитывающих неоднородный характер керамики.
Кроме этого проблемные вопросы керамических режущих пластин не дифференцированы на группы, обусловленные природой керамических материалов и особенностями их эксплуатации. Усложняет решение этих вопросов ограниченность сведений о причинах отказов керамических режущих пластин, их повышенная чувствительность к состоянию технологической среды и отсутствие научно обоснованных требований к инструментальной керамике. Все это требует изменения отношения к вопросу значительного расширения области применения керамических режущих пластин только как к задаче разработки керамики «с повышенным уровнем прочностных свойств». Очевидно, что ее решение может быть обеспечено только на основе комплексного подхода к проектированию, изготовлению и эксплуатации керамических режущих пластин.
В этой связи разработка керамических режущих пластин, позволяющих выполнять не только окончательную, но и предварительную механическую обработку деталей, является многоплановой и актуальной научно-технической проблемой. В диссертационной работе эта проблема решена за счет использования созданного метода проектирования керамических режущих пластин для заданных условий эксплуатации, основанного на их термопрочностном расчете и целевом выборе компонентов керамики, покрытия и геометрии лезвия.
Научная новизна работы заключается в установлении:
взаимосвязей термомеханической напряженности керамических режущих пластин с характером их изнашивания и разрушения, позволяющих разрабатывать инструменты для заданных условий механической обработки;
взаимосвязей свойств керамики, покрытия, геометрии лезвия и условий эксплуатации режущих пластин с температурой и напряжениями в них;
взаимосвязей состава нитридной керамики и технологических режимов изготовления режущих пластин из нее с эксплуатационными показателями инструментов, оснащенными этими пластинами, и
производительностью предварительной механической обработки деталей из разных материалов.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработаны и доведены до инженерных решений метод и средства, позволившие создать режущие пластины из нитридной керамики для предварительной механической обработки деталей;
создана комплексная методика исследования термомеханической напряженности, интенсивности изнашивания и характера разрушения керамических режущих пластин;
создана автоматизированная система термопрочностных расчетов керамических режущих пластин, на базе которой сформирован метод их проектирования;
разработаны и изготовлены режущие пластины из нитридной керамики, а также сформулированы рекомендации по их применению.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всесоюзных, всероссийских, международных и республиканских научно-технических конференциях: «Состояние и перспективы развития средств измерения температуры» (Львов, 1984); «Теплофизика технологических процессов» (Ташкент, 1984); «Методы повышения производительности и качества обработки деталей на оборудовании автоматизированных производств» (Андропов, 1985); «Теплофизика процессов лезвийной обработки» (Тольятти, 1988); «Разработка и промышленная реализация новых механических и физико-химических методов обработки» (Москва, 1988); «Проблемы интеграции образования и науки» (Москва, 1990); «Инструментальное обеспечение автоматизированных систем механообработки» (Иркутск, 1990); «Nove Tehnologue-90» (Cacak, Yugoslavia, 1990); «Научно-практические аспекты автоматизированного машиностроения» (Москва, 1991); «Research and development in mechanical industry - RaDMI» (Serbia and Montenegro, 2002, 2003, 2004); «Новые материалы и технологии НМТ-2002» (Москва, 2002);
«29 Jupiter Konferencija» (Beograd, Serbia and Montenegro, 2003); «Производство, технология, экология - ПРОТЭК-04» (Москва, 2004); «UNITECH-04» (Gabrovo, Bulgaria, 2004); «5th International Conference on Tribology - BALKANTRIB-05» (Kragujevac, Serbia and Montenegro, 2005); «International Scientific Conference Heavy Machinery - НМП-05» (Mataruska Banja, Serbia and Montenegro, 2005); «Конструкторско-технологическая информатика - КТИ-05» (Москва, 2005).
Разработанные керамические инструменты демонстрировались и были удостоены медалей (дипломов) на Международной технологической выставке «D-TE» (Гуанджоу, Китай, 2003), Международной промышленной неделе (Москва, 2003) и Международной выставке изобретателей (Шанхай, Китай, 2004).
В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседаниях кафедр «Инструментальная техника и технология формообразования» и «Высокоэффективные технологии обработки» ГОУ ВПО МГТУ «Станкин». По результатам исследований опубликовано 69 работ, в том числе три монографии. На новые технические решения получено 16 патентов и авторских свидетельств. Результаты настоящей работы внедрены на семи машиностроительных предприятиях. Отдельные разделы диссертации используются в учебном процессе МГТУ «Станкин» при выполнении практических работ, курсовых и дипломных проектов.
Автор выражает благодарность проф. Старкову В.К. за научные консультации; проф. Верещаке А.С., проф. Волковой Г.Д., проф. Григорьеву С.Н. и проф. Синопальникову В.А. за обсуждение результатов исследований, а также высказанные замечания и рекомендации; к.т.н. Попову В.Ф. за многолетнее научное сотрудничество, благодаря которому на практике были реализованы основные теоретические положения этой работы.
Эксплуатация инструментов с керамическими режущими пластинами
Высокие твердость и теплостойкость керамических режущих пластин позволяют использовать их при повышенных скоростях резания, а недостаточная прочность керамики значительно ограничивает подачу при резании. Поэтому для инструментов с керамическими режущими пластинами рекомендованной областью применения являются высокие скорости резания и малые толщины среза. Однако даже в этих условиях отказы керамических режущих пластин часто происходят без видимых причин, что в значительной степени снижает к ним интерес современной металлообработки, предъявляющей очень высокие требования к надежности всех элементов технических систем.
Выполненный анализ научно-исследовательской литературы по этой тематике показал следующее. Изучению причин отказов инструментов, а также их связи с условиями механической обработки посвящено большое число исследований [29, 56, 123, 127, 128, 177, 193, 205, 210, 219, 297]. Решению проблемы прочности инструментов посвящены работы [153, 154, 160, 161, 163, 230], в которых рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния прочности инструментов на их эксплуатационные показатели. Вопросы экспериментального изучения основных закономерностей изнашивания и разрушения керамических режущих пластин в разных условиях эксплуатации рассмотрены в работах [77, 87,92, 93,98,155,165,173,222,233,259,276,284,290,296, 323].
Общепринятое мнение о недостаточной прочности керамики как главной причине неудовлетворительных эксплуатационных показателей режущих пластин не отражает всей глубины проблемы. Эксплуатационные показатели инструментов с керамическими режущими пластинами определяется более сложным комплексом свойств, чем их высокотемпературные твердость, прочность и химическая инертность. В связи с этим целесообразно проанализировать вопрос эксплуатации керамических режущих пластин во взаимосвязи с особенностями процесса резания в рекомендованной области их применения.
Процесс высокоскоростного резания является весьма актуальной исследовательской областью, интерес к которой не ослабевает многие десятилетия. В его основе находится не только проблема повышения производительности механической обработки, но физика процесса резания. Известно, что увеличение скорости резания существенно изменяет контактные процессы при резании, термомеханическую напряженность и механизмы изнашивания инструментов.
Исследование контактных характеристик при точении сталей 45, 40Х, У8 и ХВГ режущими пластинами Силинит-Р и ВОК60 выполнено в работах [21, 221]. Анализ полученных результатов показывает, что увеличение скорости резания приводит к уменьшению коэффициентов усадки стружки Ь, и трения (і, но при этом повышается угол рп наклона условной плоскости сдвига (рис. 1.7). Аналогичные результаты зафиксированы при обработке других сталей. Увеличение скорости резания приводит к существенному изменению механизма стружкообразования, определяющему характер и уровень силовых и температурных нагрузок на инструменты [299, 307]. При высокоскоростном резании образуются так называемые сегментные стружки, имеющие специфическую форму и геометрию [129]. Сегментные стружки состоят из отдельных элементов практически недеформированного обрабатываемого материала, соединенных тонким и сильно деформированным слоем [107]. С увеличением скорости резания высота и ширина этих элементов, а также длина контакта между ними уменьшаются.
В настоящее время природа формирования сегментных стружек однозначно не определена, а предположения относительно физики этого процесса достаточно противоречивы (табл. 1.5). Между тем большинство исследователей сходятся во мнении, что характер стружкообразования при высокоскоростном резании определяется механизмом локализованного сдвига обрабатываемого материала в узкой области (полоса локализованного сдвига) [20, 79, 91, 184]. Скорость деформации материала внутри этой области составляет 9-Ю5 с 1, что приводит к увеличению напряжения, при котором происходит переход упругой деформации в пластическую [34, 38, 72, 88, 220].
Разработка комплексной методики исследования термомеханической напряженности, изнашивания и разрушения керамических режущих пластин
Методическое обеспечение экспериментальных исследований разработано с учетом задач исследования и условий эксплуатации режущей пластины с керамическими режущими пластинами.
Условия проведения экспериментов. Исследования проводили при точении и фрезеровании конструкционной стали 40Х (220 - 240 НВ), серого чугуна СЧ32 (180 - 220 НВ), никелевых сплавов ЭИ437Б и ЭП741Н-П, также молибденового сплава М-НП. Основные свойства жаропрочных сплавов приведены в табл. 2.1. В некоторых экспериментах и в производственных испытаниях обрабатывали детали из других конструкционных материалов, свойства которых указываются в соответствующих разделах.
Экспериментальные исследования выполняли на токарно-винторезных станках мод. 16К20 и 16П16-1, а также горизонтально-фрезерном станке мод. 6Г55. Лабораторные и производственные исследования проводили в широком диапазоне режимов резания: v = 5 - - 1200 м/мин, S = 0,075 - 0,8 мм/об, t = 0,25 + 5 мм.
Инструменты. В экспериментах использовали резцы и фрезы, оснащенные режущими пластинами формы SNGN 120408 из ВОІЗ, ВОК71 (Союзтвердосплав, РФ), СС620, СС650, СС680 (Sandvik Coromant, Швеция) и силинит-Р, (ИМП АН Украины, Украина). Свойства этих режущих пластин приведены в табл. 2.2. Для сравнения использовали режущие пластины из твердого сплава ВК6. Отбор режущих пластин осуществляли в случайном порядке с последующим внешним осмотром, а также измерением геометрических размеров и шероховатости. В случае выявленных отклонений от технических требований режущие пластины исключали из экспериментов. Надежную установку пластин в корпусе резцов и фрез обеспечивала схема крепления «прихват сверху». При фрезеровании в фрезу устанавливали две пластины, одна из которых являлась режущей, а другая -балансиром. Резцы и фрезы имели следующую геометрию режущей части: у = - 7, а = 7, р = ф/ = 45, р = 20 - 25 мкм или/ф уф = 0,15 мм 10. Методика исследования термомеханической напряженности керамических режущих пластин. Характер деформационных процессов в зоне стружкообразования изучали на шлифах стружки, образцов с «неразрушенной» зоной резания и образцов, вырезанных из поверхностного слоя обработанных деталей. Для получения образцов с «неразрушенной» зоной резания использовали устройство для «мгновенной» остановки процесса резания (А.с. СССР № 1152715 от 3.01.85 и № 1226155 от 22.12.85). Это устройство позволяет получать образцы с «неразрушенной» зоной резания за счет превышения скорости вывода режущей пластины из контакта с заготовкой над скоростью резания. Технические характеристики устройства обеспечили получение образцов с «неразрушенной» зоной резания при точении до v = 500 м/мин. Из этих образцов изготавливали шлифы для изучения деформационных процессов в зоне резания.
Шлифы для металлографических исследований готовили с использованием пластин из синтетических алмазов марки САМ зернистостью 80/63, 28/20, 7/5 и 3/2 с концентрацией 100 % и связкой МП. Окончательную полировку шлифов выполняли с использованием алмазной пасты АСМ зернистостью 1/0, нанесенной на плотную бумагу. После этого шлифы протравливали раствором азотной кислоты. Эта методика позволяла получать высококачественные шлифы без «завалов» их периферийных участков.
Параметры характерных областей деформаций в зоне резания определяли на шлифах по текстуре и микротвердости обрабатываемого материала. Металлографические исследования проводили с использованием микроскопа ММР-4. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор 100 г. Длины контактных площадок на рабочих поверхностях керамических режущей пластины измеряли на микроскопе БМИ-2Ц после стравливания налипов, которое проводили 30 %-ным водным раствором соляной кислоты. В качестве истинных размеров контактных площадок принимали их максимальные значения из десяти опытов.
Составляющие силы резания измеряли универсальным динамометром УДМ-600, установленным на месте суппорта токарного станка и оснащен-ным комплектом измерительной аппаратуры. Перед каждой серией опытов проводили тарировку динамометра. Для исключения влияния износа режущих пластин на силу резания в каждом опыте использовали их новую кромку. Для измерения температуры в керамических резцах применили методику, основанную на использовании многопозиционных термоиндикаторных веществ (А.с. СССР № 1295082 от 08.111986). Этот выбор связан с тем, что исследование теплового состояния керамических режущих пластин является достаточно сложной задачей из-за ограничений традиционных методов измерения температуры. Например, для исследования теплового состояния керамических режущих пластин не пригодны методы естественной и полуискусственной термопары, а использование искусственной термопары значительно затрудняет эксперимент. Применение оптических пирометров крайне неэффективно из-за слишком усредненных фиксируемых температур. При этом многопозиционные термоиндикаторные вещества хорошо зарекомендовали себя в исследованиях теплового состояния инструментов из быстрорежущих сталей и твердых сплавов [74, 211]. Разработанная методика позволяет определять температуру и строить поля температур, температурных градиентов и термических напряжений в специальных разрезных резцах, изготовленных из разных керамических материалов. Это достигается использованием многопозиционного термоиндикаторного вещества ТХИ-53, имеющего шесть цветовых переходов. Эти цветовые переходы образуются в результате многостадийных химических реакций разложения и кристаллизации аморфных компонентов ТХИ-53, протекающих при определенных температурах, и являются необратимыми. Зависимости температур цветовых переходов ТХИ-53 от времени изотермической выдержки приведены на рис.2.3.
Разработка программного и методического обеспечения автоматизированной системы термопрочностных расчетов керамических режущих пластин
Разработанные алгоритмы решения задачи стационарной и неустановившейся термоупругости реализованы в виде автоматизированной системы термопрочностных расчетов керамических режущих пластин RKS-ST v.1.0, блок-схема которой приведена на рис. 3.9. Система RKS-ST v. 1.0, состоящая из трех функциональных подсистем и оперативной базы данных, создана на базе системы BAR-2 v.1.0, разработанной на кафедре сопротивления материалов МГТУ «СТАНКИН». В препроцессоре системы RKS-ST v.1.0 формируется расчетная схема, вводятся и диагностируются исходные данные, выполняются вспомогательные расчеты, подготавливается графическая документация по исходным данным, осуществляется авторазбивка режущей пластины на ансамбль конечных элементов. Процессор системы RKS-ST v.1.0 осуществляет ввод и обработку исходных данных во внутреннем представлении, а также решение задач стационарной и нестационарной термоупругости. Результаты решения этих задач в процессоре преобразуются во внутреннее представление постпроцессора. Постпроцессор системы RKS-ST v.1.0 обеспечивает ввод исходных данных во внутреннем представлении, оперативное проведение вспомогательных расчетов и подготовку графической документации по результатам решений. Для решения поставленных задач в системе RKS-ST v.1.0 сформированы наборы данных, являющиеся оперативной базой данных системы и обеспечивающие связь между ее подсистемами. Постоянный набор данных МТ является базой данных механических и теплофизических свойств тугоплавких соединений и конструкционных материалов.
Временные наборы данных CN (конструкция), LD (нагрузки), MD (методические параметры) являются исходными данными решаемой задачи во внешнем представлении. Эти наборы данных в полной степени описывают расчетную схему и дополнительно содержат характеристики, необходимые для автоматической генерации конечных элементов. Рассмотрим порядок формирования этих наборов данных. База данных материалов системы RKS-ST v. 1.0 содержит 15 тугоплавких соединений и 9 конструкционных материалов, в том числе сплавы на основе алюминия, титана, бронзы, никеля и молибдена (табл. 3.1 и 3.2). Эта база сформирована на основе данных работ [4, 6, 7, 22, 24, 118, 142, 164, 188,189, 190, 213,214,224, 228] и может дополняться. где fa, fa, fa, fa, fa, fa - коэффициенты. Коэффициент удельной теплоемкости Ср представлен в виде формулы Эти данные размещаются в файле с оригинальным именем name_2.mt. Для его формирования установлен следующий порядок: в первой строке определяется имя материала; во второй - EQ, fa р, ц, а ; в третьей - fa, fa, fa, fa, В качестве примера на рис. ЗЛО приведены расчетные зависимости влияния температуры на коэффициенты теплопроводности X и удельной теплоемкости Ср керамики из AI2O3. Исходные данные, описывающие расчетную схему, размещаются в файле с оригинальным именем name_l.cn. При его формировании первоначально выбирается толщина А конструкции и размеры (а и Ь) полудиаметров зерна (табл. 3.3). В следующих строках последовательно указываются число овалов п\ и число секторов п2, на которые соответственно разбивается зерно и его четверть при автоматической генерации конечных элементов. Толщина межзеренной фазы 5 и число овалов пЗ, на которое разбивается матрица при автоматической генерации конечных элементов, указываются в четвертой и пятой строках соответственно. Далее выбирается коэффициент с усиления, определяющий величину увеличения толщины каждого следующего слоя матрицы по отношению к предыдущему. В шестой строке определяется число слоев п4, присутствующих в конструкции режущей пластины и толщина каждого слоя в массиве d_s [1 : п4] (строки 7-Ю). В рассматриваемом примере массив имен материалов имеет размерность mat [1 : 3 + л4], что означает необходимость ввести имена материалов зерна (name_l - например, А12_03), межзеренной фазы (name_2 - например, Mg_0), матрицы (name_3 - например, А12_03) и каждого слоя (name_4 = name_5 = name_6 = name_7 - например, 40X). В этом файле также производится выбор одного или нескольких слоев покрытия. Для этого изменяются имена материалов слоя, начиная со слоя, примыкающего к керамике. Например, если первый слой покрытия выполнен из карбида титана, а второй из нитрида титана то режущая часть задается следующим образом: name_4 - Ti_C, name_5 - Ti_N, и name_6 - 40X. В наглядном виде схема формирования конструкции керамической режущей пластины приведена на рис. 3.11.
Разработка инструментальной керамики из нитрида кремния, упрочненной дисперсными частицами
Проблема торможения развивающейся трещины в РКС11 решена только частично. Это связано с тем, что межзеренная фаза может быть эффективным препятствием на пути распространения микротрещины в достаточно узком температурном диапазоне [225]. При разработке упрочненной керамики на основе РКС11 применили подход, согласно которому хрупкие дисперсные частицы, равномерно распределенные в керамической матрице, являются эффективными преградами в развитии трещины [3, 261].
Эффективное упрочнение керамической матрицы дисперсными частицами предполагает тщательный выбор соотношения компонентов керамики [246]. Надежное торможение развивающейся трещины хрупкой частицей определяется отношением расстояния Lnp между дисперсными частицами к их диаметру dnp, причем с уменьшением отношения Lnp I dnp увеличивается напряжение, необходимое для дальнейшего распространения микротрещины. Это означает, что хрупкие дисперсные частицы препятствуют росту трещины только до определенного значения Lnp I dnp. При этом хрупкая частица, являющаяся преградой в развитии трещины, должна формировать под действием эксплуатационных нагрузок поле напряжений, обеспечивающее торможение трещины. Относительно характера этого поля напряжений существуют противоречивые мнения [83, 206].
На основе результатов термопрочностных расчетов режущей пластины из «неоднородной» нитридной керамики была выявлена целесообразность использования в качестве упрочняющих добавок карбидов титана (ТІС) и кремния (SiC). При этом на основе керамики системы Si3N4-5%Y203-2%А1203-ТіС решали задачу создания режущих пластин для точения, а на основе керамики системы Si3N4-5%Y203-2%Al203-SiC - для фрезерования.
Первоначально рассмотрим технологические аспекты создания режущих пластин для точения. При разработке этой керамики использовали порошки карбида титана с размером частиц 1-3 мкм. В результате исследования влияния добавок ТІС в количестве 5 - 40 %, вводимых в керамику состава Si3N4-5%Y203-2%Al203 (РКС11), установлено их положительное влияние на прочность, трещиностойкость, термопрочность и среднюю стойкость режущих пластин (рис. 4.11).
Добавки ТІС незначительно изменяют прочность при изгибе керамики системы 8ізН4-5%У2Оз-2%АІ20з-ТіС, причем это в одинаковой степени относится к прочности при нормальной и высокой температуре. Наибольшая прочность при изгибе (о"изг = 795 + 800 МПа) керамики системы Si3N4-5%У2Оз-2%А1203-ТіС зафиксирована при СГіс = 20 - 30 %. Это означает, что добавки ТІС увеличивают прочность при изгибе РКС11 только на 6 %, но при этом происходит значительная стабилизация прочностных свойств нитридной керамики (в 1,9 раза по сравнению с базовым составом). Добавки TiC практически не влияют на высокотемпературную прочность РКС11, но заметно увеличивают ее термостойкость. Наибольшее количество термоциклов без разрушения выдерживает керамика, содержащая 10-20 % TiC, однако увеличение TiC более чем на 15 % снижает показатели стабильности керамики при термоциклировании. В наибольшей степени добавки TiC увеличивают коэффициент К\с интенсивности напряжений керамики базового состава (РКС11), причем наибольшие значения этого коэффициента и его наименьшие разбросы зафиксированы при Спс =15 -20 %. Очевидно, что дисперсные частицы TiC, присутствующие в матрице из Si3N4 в этом количестве, формируют оптимальную структуру полей напряжения в керамике.
Исследования структуры керамики состава 8ізН4-5%У2Оз-2%АІ20з-18%ТіС показали, что зерна TiC (упрочняющая фаза) имеют средние размеры 4-7 мкм (максимальные размеры достигают 20 мкм), неправильную форму и достаточно равномерно распределены в матрице РКС11 (рис. 4.12). Это создает благоприятные условия для торможения трещины, развивающейся под действием эксплуатационных нагрузок [320].
Исследования влияния карбида титана на стойкость режущих пластин из керамики системы Si3N4-5%Y203-2%Al2C)3iC при точении чугуна СЧ 32 с v = 500 м/мин, t = 1 мм, S = 0,15 (/); 0,3 (2) и 0,5 мм/об (3) показали следующее. Кривые Оле— и имеют экстремальный характер с наибольшими значениями стойкости при С-пс = 15 20 % (рис. 4.11). Изменение содержания ТіС в керамике системы 8ізК4-5%У20з-2%АІ20з-ТіС приводит к резкому снижению эксплуатационных показателей режущих пластин.
Таким образом, в результате оптимизации соотношения базовых компонентов и упрочняющей добавки ТіС разработана инструментальная керамика, имеющая следующий состав 8ізН4-5%У2Оз-2%АІ20з-18%ТіС (условное название РКС22). Основные свойства инструментальной керамики РКС22 приведены в табл. 4.4. Эта керамика отличается от РКС11 повышенным коэффициентом К\с интенсивности напряжений и способностью замедлять развитие трещины, попадающей в локальную область напряжений, формируемую дисперсной частицей ТіС.
Рассмотрим свойства керамики системы Si3N4-5%Y203-2%Al203-SiC и эксплуатационные показатели режущих пластин из этих материалов. Изучение режущих пластин из керамики этой системы представляет особый интерес, так как карбид кремния характеризуется высокой твердостью, повышенным модулем упругости, а также близким к нитриду кремния значением коэффициента термического расширения [283]. В этих исследованиях использовали порошок карбида кремния с размером частиц 1 - 3 мкм.
В результате выполненных исследований установлено, что использование порошков карбида кремния увеличивает прочность при изгибе керамики по сравнению с матрицей (рис. 4.13).
