МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

МИЛЬКО ВОЛОДИМИР ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 621.9.01:621.9.014.3:621.941.001

ВИЗНАЧЕННЯ ТРИБОЛОГІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ІНСТРУМЕНТІВ ІЗ ПОКРИТТЯМИ ТА ЇХ ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ

Спеціальність 05.03.01 – Процеси механічної обробки,

верстати та інструмент

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Технологічному університеті Поділля на кафедрі “Технологія машинобудування” (м. Хмельницький), Міністерство освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Мазур Микола Петрович, Технологічний університет Поділля, завідувач кафедрою “Технологія машинобудування” (м. Хмельницький)

Офіційні опоненти: Залога Вільям Олександрович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедрою „Металорізальні верстати та інструменти” Сумського державного університету, Міністер-ство освіти і науки України, м. Суми

Солодкий Валерій Іванович, кандидат технічних наук, доцент кафедри "Іструменталь-не виробництво" Національного технічного університету України "КПІ", Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Провідна установа: Харківський національний технічний університет „ХПІ”, кафедра “Різання матеріалів і різальні інструменти”, м. Харків

Захист відбудеться “_17_” _грудня_2002 р. о _15_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.11 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, навчальний корпус №1, ауд. 

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: м. Київ, проспект Перемоги, 37

Автореферат розісланий “_9_”__листопада__2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д.26.002.11,

д.т.н., проф. Кузнєцов Ю.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення швидких темпів зростання машинобудування невід'ємно пов'язане з інтенсифікацією процесів механічної обробки матеріалів різанням, а це неможливо без підвищення конструкційної міцності, зносостійкості та довговічності різального інструменту (РІ). В той самий час актуальним питанням є забезпечення зменшення собівартості продукції, що випускається, а також зниження витрат на виготовлення різального інструменту з дефіцитних сталей, композитів та твердих сплавів. Останнє особливо важливе для народного господарства країни, оскільки за допомогою запровадження нових ресурсо- та енергозберігаючих технологій стає можливим значно зменшити витрати на РІ.

Вирішення цих проблем з використанням методів прогнозуючого моделювання процесу різання і його складових дозволяє не тільки визначити взаємозв'язки і сутність процесів при механічний обробці, а й значно підвищити продуктивність обробки та стійкість інструменту без значних додаткових матеріальних вкладень у виробництво. Незважаючи на те, що проблема моделювання вирішується науковцями вже кілька десятків років, і досі не існує комплексного розв'язку цієї задачі.

Однією з проблем є те, що при використанні відкритих моделей необхідно мати початкові вихідні дані, які в свою чергу вимагають проведення трудомістких попередніх експериментів. При розробці закритих моделей постає проблема відповідності отриманих результатів даним, що отримані експериментальним шляхом. Отже, виникає потреба створення відносно простих експрес-методів, які б дозволили в умовах виробництва визначати необхідні для моделі вхідні параметри.

Як свідчить аналіз останніх міжнародних виставок та конференцій, понад 70 % різального інструменту у світі виробляється з нанесенням тих чи інших зносостійких покриттів. В той самий час не існує досконалих моделей, які б дозволяли прогнозувати характер зношування плівок-покриттів, вплив їх адгезійних властивостей, зміну довжин контактних ділянок, їх співвідношення тощо. Існуючі теоретичні положення для визначення довжини контакту з передньою поверхнею РІ (Абуладзе Н.Г, Остаф`єв В.А., Зорев Н.Н.), як правило, не враховують привнесення зносостійких покриттів, мастильно-охолоджувальних речовин (МОР), тобто не реагують на зміну адгезійних властивостей контактуючих матеріалів на передній поверхні РІ.

Вирішення поставлених задач в комплексі з моделюванням процесу різання дозволило б прогнозувати стійкісні характеристики РІ, умови його роботи, придатність покриття, що проектується, дати якісну та кількісну оцінки нових покриттів.

Крім того, створення адекватної аналітичної моделі дало б поштовх для більш повного використання вже існуючих методів підвищення стійкості та продуктивності механічної обробки. Так, разом з загальноприйнятими методами підвищення зносостійкості РІ: нанесенням зносостійких покриттів, фрикційно-зміцнювальною обробкою, фізико-хімічною обробкою, обробкою холодом тощо, широке застосування отримали методи, які за допомогою керування механо-фізичними процесами в зоні тертя та різання і призначенням оптимальних режимів обробки, дозволяють значно підвищити зносостійкість РІ та його довговічність. Вони базуються на створенні оптимальної структури зносостійкого шару на контактних поверхнях РІ за рахунок використання процесів, що виникають безпосередньо в самому процесі різання.

Великий вклад в вирішення цієї проблеми внесли Грановський Г.І., Макаров А.Д., Внуков Ю.М., Залога В.О., Подураєв В.Н., Мазур М.П., Якубов Ф.Я., Кабалдін Ю.Г., Остаф`єв В.А., Шевеля В.В. та ін. Моделювання в сукупності з експериментальними експрес-методиками дозволяє встановити зв'язки між компонентами системи та, керуючи фізико-хімічними характеристиками системи “оброблювальний матеріал-інструмент”, визначати оптимальні алгоритми обробки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота пов'язана з виконанням перспективного плану науково-дослідних робіт викладачів Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький) на 1995-2000 роки за пріоритетним напрямком розвитку науки та техніки “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”, приведеному в постанові Верховної Ради України №2705 від 16.02.92 року і держбюджетною темою 2Б-2001 “Розробка теоретичних основ трибології процесу різання інструменту із зносостійкими покриттями та практика їх використання в сучасному машинобудуванні”. Дослідження виконувались також за замовленням виробничого об`єднання “Новатор”, ВАТ “Термопластавтомат” (м. Хмельницький) в рамках госпдоговірних та госпбюджетних робіт.

Мета та задачі досліджень.

Метою роботи є створення прогнозуючої математичної моделі і алгоритмів оптимального керування процесами механічної обробки різальним інструментом, в тому числі і з нанесеними зносостійкими покриттями та з використанням мастильно-охолоджуючих речовин на основі дослідження процесів, що відбуваються в зоні контакту на його передній та задній поверхнях.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

1. Розробка методики дослідження адгезійних характеристик твердосплавного інструменту стосовно до процесу різання.

2. Дослідження впливу нанесених покриттів на адгезійні характеристики поверхонь твердосплавного інструменту.

3. Розробка експрес-методу визначення параметрів контакту по задній поверхні РІ та їх зміни в ході експлуатації інструменту.

4. Розробка методики врахування теплофізичних властивостей зносостійких покриттів, нанесених на поверхні різального інструменту.

5. Розробка методики врахування трибологічних властивостей контакту по передній поверхні РІ, розрахунку довжини контакту оброблювального матеріалу з РІ, врахування коефіцієнта тертя по задній поверхні РІ, а також характеру зношування зносостійких покриттів під час роботи.

6. Розробка методики визначення оптимальної стратегії керування процесом різання інструментами із покриттями з метою підвищення зносостійкості РІ та продуктивності механічної обробки з використанням термомеханічної моделі.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Аналітично визначено вплив адгезійних характеристик контактуючих поверхонь на розміри зони контакту РІ по передній поверхні.

2. Розроблено спрощений метод визначення відносної адгезійної активності інструментальних матеріалів.

3. Розроблено експрес-метод визначення сил та коефіцієнта тертя на задній поверхні РІ.

4. Виявлені закономірності зміни коефіцієнта тертя в залежності від покрить, МОР, швидкості різання та фаски зношування по задній поверхні інструменту.

5. Розроблена методика розрахунку довжини контакту стружки по передній поверхні РІ, впливу температурних властивостей покриттів та вдосконалена математична модель процесу різання для інструментів з нанесеними зносостійким покриттями.

6. Встановлено вплив покриттів на характеристики зони контакту, розподіл температурних потоків та епюри напружень. Відмічена охолоджуюча роль загальмованого тіла.

7. Розроблено методики визначення оптимальних стратегій керування процесом різання інструментами із покриттями з метою підвищення зносостійкості РІ та продуктивності механічної обробки.

Практична цінність отриманих результатів.

Встановлено вплив адгезійних властивостей пар “оброблювальний матеріал-інструмент”, в тому числі з нанесеними зносостійкими покриттями на довжину контакту та контактні напруження. Розроблений експрес-метод визначення характеристик контакту по задній поверхні РІ, що дозволяє проводити швидкий аналіз пропонованих інструментальних матеріалів, зносостійких покриттів та МОР. Розроблений пакет програм для моделювання процесу різання в сукупності з запропонованими стратегіями керування процесом різання та розробленими критеріями оптимальності дозволив значно підвищити зносостійкість різальних поверхонь (в 1,5…2 рази), а також збільшити продуктивність механічної обробки.

Запровадження оптимальних стратегій керування процесом механічної обробки, отриманих в результаті використання запропонованого пакету програм на виробничому об`єднанні “Новатор” і ВАТ “Термопластавтомат” (м. Хмельницький) при різних технологічних операціях дозволило підвищити зносостійкість різального інструменту в 2...2,5 рази.

Особистий вклад здобувача.

Представлені в дисертації наукові та практичні результати отримані автором самостійно. Постановка задач та обговорення результатів здійснювались з науковим керівником та частково зі співавторами публікацій.

Апробація результатів дисертації.

Результати доповідались на V міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування та техносфера на рубежі XXI століття” (Севастополь, 1998 р.); VI-тій українсько-польській конференції “САПР в машинобудуванні – проблеми навчання та впровадження” (Львів, 1998 р.); XXIV науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу з підсумків науково-дослідної роботи (Хмельницький, 1999 р.); VII науково-методичній конференції “Роль комп'ютеризації і навчального процесу в підготовці фахівців” (Івано-Франківськ, ІФДТУНГ, 2000 р.); на наукових семінарах Технологічного університету Поділля (Хмельницький, 1998-2002 роки); І-му міжнародному колоквіуму молодих вчених “Інструмент” (НТУУ “КПІ”, м. Київ, 2002 р.); ХІІ-му міжнародному науковому семінарі “Высокие технологии в машиностроении: тенденции развития” INTERPARTNER-2002 (НТУ “ХПІ”, Харків-Крим, 2002 р.).

Публікації.

Основні результати дисертаційної роботи викладені в 13 статтях, із яких 9 робіт у фахових виданнях ВАК та 2 патенти України на винахід.

Структура та обсяг дисертації.

Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, бібліографічного списку використаних літературних джерел та додатків. Загальний об'єм дисертації складає 215 сторінок, в тому числі 100 рисунків, 27 таблиць та 142 найменування літературних джерел. Основна частина роботи містить 150 сторінок машинописного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, визначається наукова новизна та практична цінність отриманих результатів досліджень і приводиться її анотація.

В першому розділі виконано детальний аналіз процесів, що мають місце в поверхневих шарах РІ, які приводять до підвищення його стійкості при роботі на оптимальних режимах. Вказується, що цей ефект пояснюється комплексом факторів, серед яких створення на поверхнях РІ фрагментованого зносостійкого шару, зміна механізму зношування, утворення зносостійких плівок-окислів, стан тонких структур різних фаз інструментального матеріалу тощо. Показано, що зносостійкий фрагментований шар, який створюється на контактних поверхнях РІ при обробці на оптимальних швидкостях різання, зношується через невеликий проміжок часу. Для його відновлення необхідне періодичне “тренування” інструменту, але на режимах, які відповідають новим параметрам різального леза з урахуванням зношування. Для визначення нових режимів обробки необхідне створення аналітичної прогнозуючої моделі, яка б містила встановлені взаємозв'язки між всіма параметрами процесу різання. Ситуація ускладнюється для інструментів з покриттями, тому що необхідно врахувати: зміну адгезійних властивостей поверхні РІ і коефіцієнтів тертя на передній та задній поверхнях інструменту, зношування покриття в процесі різання, зміну теплофізичних властивостей зони контакту за рахунок внесення шару із низькою теплопровідністю.

Аналіз існуючих аналітичних залежностей для визначення довжини пластичного контакту по передній поверхні інструменту (ППІ) показав їх неспроможність врахувати вплив покриттів та МОР.

Проведено огляд методів дослідження контактних явищ на передній поверхні РІ. Вказано на особливості процесу тертя при різанні та їх врахування при проведенні моделюючих експериментів. В результаті аналізу для дослідження адгезійної складової коефіцієнта тертя обрана схема визначення тангенційної міцності адгезійного зв'язку на зріз, яка дозволяє відділити деформаційну складову сили тертя.

Огляд експериментальних методів визначення сил та коефіцієнта тертя по задній поверхні РІ показав їх складність та тривалість, що змусило шукати більш точні, прості та швидкісні методики визначення необхідних параметрів процесу різання

В другому розділі викладені основні методичні аспекти роботи. Як об'єкти досліджень були використані конструкційні сталі 45, У8, 40Х, ШХ15, Х12ПФ, 09Х18Н10Т, що оброблялись твердосплавними інструментами марок ВК6, ВК6Р, ВК8, Т5К10, Т15К6. Всі матеріали були виготовлені за стандартними технологіями заготівельного виробництва та порошкової металургії.

Дослідження параметрів процесу різання проводили на токарному верстаті мод. 1К62М, оснащеному приводом безступеневого регулювання чисел обертів шпинделя за допомогою спеціально створеного автоматизованого комп'ютерного комплексу на базі УДМ-600, що дозволяло з високою дискретністю та точністю фіксувати зміни необхідних величин в режимі реального часу.

Визначення тангеційної міцності адгезійного зв'язку на зріз проводились на трибометрі конструкції проф. Внукова Ю.М.

Спеціальні покриття на інструментальних матеріалах отримували за допомогою установки іонно-камерної вакуумної ННВ-6,6-И1 ТУ  .

Експериментальні дані оброблялись за допомогою методів математичної статистики і представлялись графічно.

Третій розділ присвячено дослідженню трибологічних властивостей контакту на передній поверхні різального інструменту.

Розрахунками за моделлю проф. Мазура М.П. показано, що зменшення коефіцієнта тертя на кінці ділянки пластичного контакту , яке, ймовірно, може бути викликане нанесенням покриття, призводить до зменшення коефіцієнта усадки, загального коефіцієнта тертя, збільшення максимальних нормальних напружень на вершині інструменту і середнього тиску на ділянці контакту , на що не в останню чергу впливає значне зменшення довжини контакту по передній поверхні інструменту . Таким чином, при створенні аналітичних моделей в першу чергу необхідно максимально достовірно визначити коефіцієнт тертя в зоні переходу від пластичного до пружного контакту, де має місце рівновага між адгезійними і зсувними процесами.

Обрана схема моделюючих досліджень (рис. 1) дозволяє визначити тангеційну міцність адгезійного зв'язку на зріз практично без впливу деформаційної складової тертя в умовах наближених до тих, що існують на ділянці пластичного контакту по передній поверхні інструменту.

Із аналізу залежності „сила тертя – кут повороту індентора”, було зроблено припущення, що на ІV ділянці діаграми проявляється більш енергетично вигідна - підповерхнева пластична течія матеріалу контртіл (рис. 2). Розрахунок питомої сили тертя на цій ділянці підтвердив це припущення і показав, що величина характеризує границю міцності на зсув матеріалу контртіла . Коефіцієнт адгезії поверхні індентора до оброблюваного матеріалу у порівнянні з еталоном визначався за методикою проф. Внукова Ю.М.:

, (1)

де - опір оброблюваного матеріалу зсуву, який залежить від навантаження та температури;

та - приріст сил тертя при однаковій для всіх випадків величині кута повороту сферичного індентора для досліджуваного та еталонного зразків відповідно.

Рис. 1 Принципова схема приладу для визначення тангенційної міцності адгезійного зв'язку: 1-зразок, 2-оправка, 3-індентор, 4-трос, 5-самописець, 6-тяговий пристрій, 7-плоскі пружини Рис. 2 Приклад визначення відносної адгезійної активності матеріалів: 1-залежність для еталонного зразка; 2- залежність для досліджуваного зразка

Як встановлено експериментами, і практично рівні між собою і залежать тільки від нормального навантаження. З похибкою, що не перевищує похибку дослідів, для однакового нормального навантаження встановлено, що . Тоді коефіцієнт відносної адгезійної активності (ВАА) можна визначити наступним чином:

(2)

Тобто, за запропонованим методом для оцінки ВАА, необхідно за однакових умов провести два досліди (для еталонного та досліджуваного матеріалів) і порівняти між собою тангенси кутів та (рис. 2). Перевагою методу є те, що не потрібна IV ділянка, яку в певних умовах важко досягнути.

Результати вимірювань ВАА (табл. 1) свідчать, що нанесення зносостійкого покриття із TiN суттєво знижує коефіцієнт ВАА. Причому це зниження більш відчутне (до 60 %) для однокарбідних сплавів, тоді як для двокарбідних, які самі є менш адгезійно активними, зменшення не таке значне.

Таблиця 1

Результати вимірювань ВАА матеріалів

Матеріал контртіла Матеріал індентора Покриття ВАА

09Х18Н10Т Т15К6 - 1

TiN 0,727

09Х18Н10Т Т5К10 - 1

TiN 0,44

09Х18Н10Т ВК6Р - 1

TiN 0,406

Сталь 45 Т15К6 - 1

TiN 0,763

Сталь 45 ВК6Р - 1

TiN 0,479

Тому слід відмітити, що застосування покриттів, які мають за мету зменшення адгезійного схоплювання доцільно використовувати лише у випадках, коли сам матеріал основи має високі показники ВАА.

Проведені дослідження показали, що при зміні нормального навантаження показник ВАА для різних матеріалів з покриттям і без нього залишається сталим.

Четвертий розділ присвячено дослідженню коефіцієнтів тертя на задній поверхні РІ. Базуючись на відомому методі екстраполяції сил на нульову товщину зрізу, було запропоновано використати для цієї мети явища, що відбуваються на задній поверхні інструменту (ЗПІ) протягом одного останнього оберту деталі, який вона виконує з моменту виключення механічної подачі до припинення сходу стружки по ППІ (рух різання не припиняється). За цей оберт траєкторія руху вершини леза від спіральної перейде на колову, а товщина зрізуваного шару поступово зменшиться від номінального значення до нуля (рис. ).

В певний момент часу на “останньому оберті” виникне ситуація, коли схід стружки по передній поверхні РІ припиниться, відповідно, зусилля на ній стануть рівними нулю і динамометр фактично буде фіксувати зусилля, що діють виключно на задню поверхню.

Важливою перевагою запропонованої методики є те, що вимірювання проходять безпосередньо в ході різання і, таким чином, вимоги, які висуваються до методів при дослідженні процесу різання, виконуються автоматично. Її можна застосовувати для будь-яких інструментів, в тому числі, з радіусом заокруглення різального леза. Для практичної реалізації цього методу було застосовано спеціальну установку, яка дозволяє з частотою до 5 кГц, фіксувати значення необхідних параметрів процесу різання і оперативно відслідковувати їх зміну на екрані ЕОМ. Встановлено, що момент припинення сходу стружки проявляється у вигляді горизонтальної ділянки на графіках зміни сил різання в часі (рис. ). Методика захищена патентом України на винахід.

Перевірка достовірності зроблених гіпотез показала близьке збігання у порівнянні з класичним методом екстраполяції на нульову товщину зрізаного шару, особливо, коли врахувати вплив радіуса заокруглення вершини РІ.

Рис. 3 Схема зрізання припуску за час останнього оберту деталі Рис. 4 Характер зміни складової сили різання за час останнього оберту

Одержані залежності коефіцієнта тертя на ЗПІ для різних матеріалів показують, що для всіх оброблюваних матеріалів в зоні припрацювання від практично гострого різця до фаски зношування =0,15 мм спостерігається екстремум залежності коефіцієнта тертя . Оскільки в цей період сама фаска зношування порівняно невелика, то очевидно, що характеризує собою умови внутрішнього пластичного тертя на задній поверхні загальмованого шару. В подальшому із зростанням , збільшується відносна довжина ділянки контакту з умовами, які наближаються до зовнішнього тертя, що викликає зниження , з наступною стабілізацією (рис. 5).

Рис. 5 Залежності коефіцієнта тертя від фаски зношування по ЗПІ для різних матеріалів (=1 мм, =1 м/с, =0,15 мм/об, інструмент - Т15К6) Рис.6 Залежності коефіцієнта тертя від фаски зношування по ЗПІ при використанні покриття (TiN) та МОР

Для різання інструментом з покриттям відчутний вплив покриттів на має місце лише на початку зношування ЗПІ, коли довжина фаски зношування не перевищує 0,15 мм і довжина покриття на ній співрозмірна з довжиною ділянки, на якій покриття вже видалено (рис. ).

В більшості випадків використання МОР залежність помітно нижча за аналогічну залежність для різання без застосування МОР. Зменшення складає в середньому 16...35 %, що є достатньо суттєвим і може спричинити значні похибки при неврахуванні його в аналітичних розрахунках. Подібна форма залежностей дала змогу розробити спрощені методи визначення залежності від параметрів процесу різання.

П'ятий розділ присвячено створенню загальної моделі процесу різання пластичних матеріалів інструментами із покриттями, яка б враховувала всі явища, що мають місце в зоні різання і прогнозувала б їх в ході зношування інструменту.

В основу термомеханічної моделі процесу різання покладено принцип конвергенції сил, які діють на елемент стружки, а також врахована властивість системи різання пристосовуватись до збурень, викликаних зовнішніми чинниками (в даному випадку застосуванням покриттів).

Враховуючи визначене моделюючими експериментами значення коефіцієнта ВАА, запропоновано алгоритм на основі ітераційних циклів (рис. 7), який моделює цю властивість при встановленні дійсної довжини контакту по передній поверхні РІ. На першому етапі виконується повний цикл розрахунків за методикою М.П. Мазура з визначенням в точці переходу від пластичного до пружного контакту для необхідних вихідних даних і інструменту без покриттів. Отримане на першому етапі значення коригується до величини , яка відповідає обраному покриттю з врахуванням ВАА.

Рис. 7 Алгоритм визначення параметрів зони контакту для інструменту з покриттям Рис. 8. Зміна контактних температур, напружень тертя і інтенсивності зношування за період припрацювання задньої поверхні інструменту (сталь   Т15К6)

На першому циклі другого етапу після розрахунку контактних температур для інструменту з покриттям визначаються нові, більш точні значення нормальних і дотичних напружень з врахуванням впливу температури, а потім за допомогою ітераційного циклу і параметри зони деформації. Одразу після цього відбувається перехід до другого зовнішнього ітераційного циклу, на якому перевіряється рівність розрахованого з заданим значенням для інструменту з покриттям, отриманим на першому етапі розрахунку. У випадку, коли різниця між дійсним і контрольним значеннями перевищує відповідну величину, відбувається корекція довжини пластичної ділянки. Після закінчення зовнішнього ітераційного циклу розрахунковий процес повторюється до одержання стабільного результату – величина коефіцієнта усадки відрізняється від попередньої не більше ніж на встановлене значення. По закінченню повного циклу розрахунків отримані значення параметрів зони контакту відповідають обробці інструментом з покриттям.

При розробці моделі було враховано особливості поширення тепла між тепловими джерелами, що діють на поверхні клина, складеного із матеріалу основи, зносостійкого покриття та загальмованого шару.

Критерієм для визначення дійсної форми епюр контактних напружень на задній поверхні слугувала наступна умова – на останньому циклі „припрацювання-зношування” забезпечується повний контакт із вузлами моделі і приблизно рівна інтенсивність зношування в кожній точці (рис.8). Розрахунок величин зношування контактних ділянок інструменту базувався на положеннях структурно-енергетичної теорії.

Проведені розрахунки по визначенню законів зміни контактних температур, напружень та інтенсивностей зношування в процесі припрацювання інструменту за допомогою удосконаленої моделі, яка б враховувала вплив властивостей покриття на контактні процеси показали, що встановлене проф. М.П. Мазуром явище вирівнювання епюр інтенсивностей зношування має місце у всіх без виключення випадках причому як на малих, так і на великих фасках (див. рис.8). Однак, на відміну інструментів без покриття, епюра напружень розділена на дві частини, одна з яких відповідає покриттю, а інша - інструментальному матеріалу. Причому, напруження на ділянці, яка відповідає покриттю, дещо вищі, оскільки покриття, як правило, мають вищу граничну енергоємність ніж інструментальний матеріал, що вимагає більших напружень для рівномірного зношування. Враховуючи подібність епюр для всіх матеріалів, була запропонована спрощена методика визначення дотичних напружень тертя .

Експериментальна перевірка адекватності розробленої моделі проводилась з наступними умовами: точіння сталі 45 ( МПа, МПа, , , ) різцем із Т15К6 ( ) з покриттям TiN ( ) та умовами різання  , , мм, мм/об, мм, м/с.

В результаті розрахунку були отримані величини коефіцієнта усадки та довжини контакту по ППІ :

Параметр З покриттям Без покриття

1,9 2,11

1,057 1,34

В результаті експерименту ті самі характеристики склали:

Параметр З покриттям Без покриття

1,874 2,146

1,1 1,4

Близький збіг цих величин, а також результатів інших дослідів, підтверджує адекватність розробленої моделі для опису контактної взаємодії між оброблюваним матеріалом та інструментом з покриттям.

Вдосконалена модель дозволяє встановити загальну картину напруженого, тепло-вого і температурного полів у зоні різання з врахуванням адгезійних характеристик кон-тактуючих матеріалів і, що найважливіше, дослідити їх поведінку в динаміці зношу-вання у зв'язку з іншими факторами процесу різання.

Розроблена модель дозво-лила підтвердити гіпотезу про значний вплив теплофізичних властивостей покриттів. Підтверджено охолоджуючий ефект ділянки загальмованого тіла, причому зносостійке покриття при цьому грає роль каталізатора теплових процесів в різальному клині, а напрямок теплового потоку залежить від співвідношення теплопровідностей покриття та матеріалів інструменту і заготовки.

Для практичного використання розробленої моделі було використано підвищення стійкості РІ шляхом циклічного “тренування” на оптимальних режимах, які сприяють створенню на різальних кромках фрагментованої зносостійкої структури (рис. ). Стратегія відновлювального циклу була розрахована за розробленою моделлю. Проведеними експериментами встановлено, що використання періодичного „тренування” на оптимальних режимах різання, розрахованих за моделлю, і наступної обробки на нормативних швидкостях різання дає ефект підвищення стійкості інструменту в 1,5...2 рази.

ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що оцінка адгезійних властивостей матеріалів зі зносостійкими покриттями достовірна лише в разі відносного, порівняльного її використання, оскільки неможливо повністю виділити вплив нормального навантаження на адгезійні та інші процеси в зоні контакту. Запропоновано спрощену методику визначення відносної адгезійної активності матеріалів зі зносостійкими покриттями, за тангенсом кута нахилу кривої сили тертя на ділянці її монотонного зростання.

2. Запропоновано новий експрес-метод визначення сил та коефіцієнта тертя на ЗПІ із використанням явищ, що відбуваються на ній протягом одного останнього оберту деталі, який вона виконує з моменту виключення механічної подачі до припинення сходу стружки по ППІ.

3. Показано, що залежності коефіцієнта тертя від ширини фаски зношування для всіх досліджуваних матеріалів виявляють якісну подібність. В зоні припрацювання, яка простягається до величини =0,15 мм, спостерігається максимум залежності, який можна пояснити переважним впливом зсувних напружень загальмованого тіла, яке присутнє практично у всьому діапазоні швидкостей різання. При досягненні зони нормального зношування, збільшуються розміри фаски зношування і, починаючи з >0,3 мм, відбувається виположування залежностей і їх стабілізація.

4. При використанні покриттів відчутний вплив на помітно лише при <0,15 мм, коли довжина покриття на фасці контакту порівняна з довжиною ділянки, на якій покриття вже видалено. Застосування МОР помітно знижує у всьому діапазоні фасок зношування , що свідчить про те, що МОР проникає безпосередньо в зону контакту і спричиняє зниження коефіцієнта тертя .

5. Запропонована методика врахування впливу адгезійної складової коефіцієнта тертя на довжину контактної ділянки по ППІ і зокрема її пластичної зони.

6. Вдосконалена методика теплофізичного аналізу зони різання для інструменту з покриттями. Підтверджено вплив покриттів на параметри зони контакту за рахунок перерозподілу температурних потоків.

7. Показано, що явище припрацювання поверхонь контакту і вирівнювання графіків інтенсивностей зношування для інструменту з покриттями відбувається за будь-яких комбінацій режимів різання, матеріалів інструменту, покриттів, заготовки, а одержані епюри контактних напружень складаються з декількох ділянок:

- ділянки при вершині РІ на загальмованому тілі, на якій відбувається різке зменшення напружень за законом близьким до параболічного, причому, незалежно від часу роботи вона залишається незмінною;

- ділянки на кінці фаски зношування, на якій напруження зменшуються до нуля в точці завершення контакту;

- ділянок стабільних напружень, величина яких залежить від граничної енергоємності матеріалів на кожній з них.

Показано, що на ділянках ЗПІ, які відповідають покриттям з більшою граничною енергоємністю , діють більші контактні напруження .

8. Визначені закономірності зміни напружень, температур на ППІ і ЗПІ та інтенсивностей теплових потоків в процесі зношування задньої поверхні інструменту з покриттями. Підтверджені гіпотези про комплексний вплив покриттів на загальну картину контактних напружень і температур та про низьку ефективність використання покриттів для інструментів з низькою адгезійною активністю. Виявлена охолоджуюча роль загальмованого тіла, яке відтягує на себе тепло з більш нагрітих ділянок інструментів з покриттями.

9. Явище „тренування” використане для підвищення стійкості РІ підтверджене і для інструменту з покриттями. Показано, що для більш повного використання ефекту припрацювання необхідно періодично проводити цикли „тренування” в ході всього періоду зношування РІ на температурних режимах, яким відповідає мінімальна інтенсивність зношування.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мазур М.П., Милько В.В. Вплив коефіцієнта зовнішнього тертя на контактні процеси на поверхнях різального інструменту // Проблеми трибології.- №1.- 1999.- С. 69-70.

2. В. Остаф`єв, Р. Сілін, Я. Гладкий, М. Мазур, В. Милько Підвищення працездатності різального інструменту шляхом нанесення спеціальних покриттів на його поверхню// Машинознавство.- 1999.- №2.- С. 24-30.

3. Мазур М.П., Милько В.В. Моделювання контактної взаємодії для інструменту в умовах наростоутворення // Міжвузівський збірник “Наукові нотатки”.- Луцьк, 1999.- С. 140-149.

4. В.А. Остаф`єв, Мазур М.П., Милько В.В. Моделювання контактної взаємодії та зношування на задній поверхні різальних інструментів // Вісник Технологічного університету Поділля.- 1999.- №2.- С. 11-17.

5. Мазур М.П., Гладкий Я.М., Милько В.В. Про визначення сил і коефіцієнта тертя на задній поверхні різального інструменту // Проблеми трибології.- 2000.- №3, - С. 9-12.

6. Мазур М.П., Гладкий Я.Н., Милько В.В. Определение контактных нагрузок и коэффициента трения на задней поверхности режущих инструментов// Резание и инструмент в технологических системах. – Харьков: НТУ “ХПИ”, 2001. – С. 129-132.

7. Гладкий Я.М., Мазур М.П., Підченко С.К., Милько В.В., Таранчук А.А Комплекс для дослідження процесів в зоні різання // Проблеми трибології.- 2001.- №1. - С. 157-158.

8. Мазур М.П., Милько В.В. Метод визначення адгезійної активності матеріалів // Проблеми трибології.- 2002.- №1.- С. 129-133.

9. Мазур М.П., Милько В.В. Розробка САПР оптимальних умов різання пластичних матеріалів // Прогрессивные технологии и системы в машиностроении: Международный сб. трудов. – Донецк: ДонГТУ, 1998. – Т.2, Вып. 6. – С. 183-186.

10. Пат. 31610 А України, МКИ 6 B 22 F 3/24. Спосіб підвищення зносостійкості твердосплавного різального інструменту / М.П. Мазур, В.В. Милько; Технологічний університет Поділля. - №98095170; Заявл. .09.1998; Опубл. 15.12.2000, Бюл. №7-ІІ.- 2 с.

11. Пат. 39602 А України, МКИ 7 G 01 N 3/58. Спосіб визначення сил на задній поверхні різального інструменту / М.П. Мазур, Я.М. Гладкий, В.В. Милько; Технологічний університет Поділля. - №2000116202; Заявл. .11.2000; Опубл. 15.06.2001, Бюл. №5.- 3 с.

12. Мазур М.П., Милько В.В. Розробка САПР оптимальних умов різання пластичних матеріалів // VI-та українсько-польська конференція “САПР в машинобудуванні – проблеми навчання та впровадження”.- Львів.- 1998.- С. 35-40.

13. Силин Р.И., Гладкий Я.Н., Мазур М.П., Бурлаков А.А, Милько В.В. Определение температур и контактных нагрузок на поверхностях режущего инструмента методом конечных элементов // Актуальні проблеми техніки та суспільства. Збірник статей викладачів та наукових співробітників Технологічного університету Поділля. – Вип. 2, 1996. – С. .

Милько В.В. Визначення трибологічних характеристик інструментів із покриттями та їх практичне застосування. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01. – процеси механічної обробки, верстати та інструмент.  Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2002.

В дисертації представлені результати досліджень по створенню аналітичної моделі теоретичного розрахунку процесу різання інструментами із зносостійкими покриттями з визначенням параметрів пластичної деформації, контактних напружень, температур та теплових потоків на передній і задній поверхнях інструменту. Розроблено методику врахування впливу адгезійних властивостей контактуючих матеріалів на розміри пластичної зони по передній поверхні інструменту. Розроблено експрес-метод визначення сил та коефіцієнта тертя на задній поверхні інструменту. Досліджено вплив покриттів та МОР в процесі зношування інструменту і запропоновано спрощені методики визначення коефіцієнта тертя на задній поверхні різального інструменту. Приведена методика практичного використання моделі для визначення режимів різання для циклічного відновлення зносостійких фрагментованих структур в контактному поверхневому шарі інструментів із зносостійкими покриттями.

Ключові слова: моделювання, зносостійкі покриття, МОР, конвергенція, адгезійні властивості, контактні напруження, температура різання, коефіцієнт тертя, зношування, припрацювання, циклічне тренування.

Милько В.В. Определение трибологических характеристик инструментов с покрытиями и их практическое применение. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01. – процессы механической обработки, станки и инструмент.  Национальный технический университет Украины “Київський політехнічний інститут”, Киев, 2002.

В диссертации представлены результаты исследований по созданию аналитической модели теоретического расчета процесса резания инструментами с износостойкими покрытиями с определением параметров пластической деформации, контактных напряжений, температур и тепловых потоков на передней и задней поверхностях инструмента.

Во вступлении обоснована необходимость создания аналитических моделей процесса резания для инструментов с покрытиями в процессе их изнашивания.

В первой главе выполнен детальный анализ процессов, которые проходят в поверхностных слоях режущего инструмента (РИ), приводящие к повышению его стойкости при работе на оптимальных режимах. Показано, что эффект повышения стойкости при этом объясняется комплексом факторов, а образующийся износостойкий слой изнашивается через небольшой промежуток времени, поэтому необходима периодическая обработка на режимах, которые соответствуют новому состоянию инструмента. Проведен обзор методов исследования контактных явлений на поверхностях РИ.

Во второй главе изложены основные методические аспекты работы. Рассмотрены использованные методики и оборудование по определению характеристик контакта по передней и задней поверхностях РИ, а также адгезионных свойств материалов.

В третьей главе представлены результаты исследования относительной адгезионной активности (ОАА) исследуемых материалов. Разработана упрощенная методика определения ОАА. Показано, что применение покрытий приводит к снижению ОАА. При этом снижение более значительно для однокарбидных твердых сплавов в сравнении с двухкарбидными. При изменении нормальной нагрузки на индентор относительное изменение адгезионной активности материалов с покрытиями остается постоянным.

В четвертой главе разработан экспресс-метод определения сил и коэффициента трения на задней поверхности РИ. Исследовано влияние покрытий и СОЖ в процессе изнашивания инструмента и предложены упрощенные методики определения коэффициента трения на задней поверхности РИ в зависимости от изменения скорости резания, фаски изнашивания и т.п.

Пятая глава посвящена созданию аналитической модели процесса резания инструментами с покрытиями. Разработана методика учета влияния адгезионных свойств контактирующих материалов на размеры пластической зоны по передней поверхности инструмента. Выполнен теплофизический анализ поверхностей контакта РИ. Проведена проверка адекватности разработанной модели реальному процессу обработки резанием. Проанализировано влияние покрытий на закономерности изменения эпюр контактных напряжений, температур и тепловых потоков. В результате моделирования для инструментов с покрытием выявлена охлаждающая роль заторможенного тела, причем покрытие играет роль катализатора этих процессов. Приведена методика практического использования модели для определения режимов резания для циклического восстановления износостойких фрагментированных структур в контактном поверхностном слое инструментов с износостойкими покрытиями.

Ключевые слова: моделирование, износостойкие покрытия, СОЖ, конвергенция, адгезионные свойства, контактные напряжения, температура резания, коэффициент трения, изнашивание, приработка, циклическая тренировка.

V.V. Milko. Determination of tribological characteristics of tools with wear-resistant coatings and their practical use. - Manuscript.

Thesis for candidate of science scientific degree obtaining, speciality 05.03.01. – machining processes, machines and instruments. – National Technical University of Ukraine 'Kyiv Polytechnic Institute', Kyiv, 2002.

The thesis deals with the results of the research of analytic model creation for theoretic calculation of cutting process with the tools with wear-resistant coatings and determination of plastic deformation parameters, contact tensions, temperatures and heat flows both on front and back tool surfaces.

Methods for consideration of adhesion properties of contacting materials influence on plastic zone dimensions at front tool surface have been developed.

The express-method of strengths and friction coefficient determination at back tool surface has been formulated.

The coatings' and lubrication-cooling liquids' influence on tool wear process has been researched, and simplified techniques for determination of friction coefficient at back cutting-tool surface have been suggested.

The methods of model's practical use for cutting modes determination for cyclic restitution of wear-resistant fragmental structures at contact surface layer of tools with wear-resistant coating have been cited.

Keywords: modeling, wear-resistant coatings, lubrication-cooling substances, convergence, adhesion properties, contact tensions, cutting temperature, friction coefficient, wear, running-in, cyclic training.

Підписано до друку 8.10 2002 р. Формат 60х84/16

Ум. друк. арк. – 1,08. Обл.-вид. арк. – 1,18

Наклад 100 прим. Замовлення №483, 2002 р.

Редакційно-видавничий центр ТУП

29016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 7/1