ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
КІРОВОГРАДСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Ситник Олексій Олексійович
УДК 621.9.025.7
ПІДВИЩЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ БАГАТОШАРОВИХ ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ КЕРАМІЧНИХ ПЛАСТИН ГРУПИ ЗАСТОСУВАННЯ Р10
Спеціальність 05.03.01 –
Процеси механічної обробки, верстати та інструменти
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Кіровоград - 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі “Металорізальні верстати та системи” Кіровоградського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник : кандидат технічних наук, доцент
Надєїн Владислав Семенович,
Кіровоградський державний технічний університет,
доцент кафедри “Металорізальні верстати та системи”.
Офіційні опоненти : доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Клименко Сергій Анатолійович,
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля
Національної академії наук України, завідувач відділом
nехнологічного управління якістю обробки поверхонь;
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
Мироненко Євгеній Васильович,
Донбаська державна машинобудівна академія,
доцент кафедри "Металорізальні верстати та інструменти".
Провідна установа:
Національний технічний університет України “Харківський політехнічний інститут”, кафедра “Різання матеріалів та різальні інструменти”, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.
Захист відбудеться 11 квітня 2003 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 23.073.01 у Кіровоградському державному технічному університетi за адресою:
25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.
З дисертацiєю можна ознайомитися у бiблiотецi Кіровоградського державного технічного унiверситету за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.
Автореферат розiсланий 5 березня 2003 р.
Вчений секретар
спецiалiзованої вченої ради В.М. Каліч
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Одним з пріоритетних напрямів розвитку науки і техніки України на період з 2002 до 2006 рр., затверджених Постановою Кабінету Міністрів України № 1716 від 24.12.2001 р., є розробка технологій отримання нових високоміцних сталей і чавунів для машинобудування. Збільшення їх виробництва зумов-лює збільшення обсягів механічної обробки. Це свідчить про те, що в Україні виникла нага-льна проблема, зумовлена необхідністю високопродук-тивної обробки нових ефективних, але важкооброб-люваних, матеріалів, до яких належать поліпшені і загартовані сталі та чавуни високої міцності. Особливо це стосується обточування та профілювання фасонних поверхонь металопрокатних валків, каландрових валів, а також валів, які застосовуються у металопереробній та харчовій промисловості, і де доводиться стикатися з високою твердістю (твердість по Шору до 90 од.) поверхні, обробкою по кірці, підвищеною анізотропією властивостей поверхонь, що піддаються обробці. Крім того, гостро постає проблема токарної напівчистової та чистової обробки крупногабаритних валків з відбілених легованих чавунів, де необхідні висока розмірна точність на значних довжинах обробки та задовільна ударна стійкість. Тому підвищення за таких умов працездатності інструменталь-них матеріалів групи застосування Р10 для обробки поліпшених і загартова-них сталей та чавунів високої міцності з метою досягнення надійної та безвідмовної роботи різального інструмен-ту є актуальним.
Відо-мо, що кераміка є високо-твердим інструментальним матеріалом, який не піддається окисленню до досить високих температур, а також є нечуттєвим до хімічної взаємодії з оброблюваним матеріалом. Важливим фактором є також те, що у порівнянні з пластинами з над-твердих матеріалів кераміка має суттєво меншу вартість, кращу оброблюваність та більший ви-хід придатних пластин при їх виробництві. Разом з тим стримуючим фактором розширення областей застосування різальної кераміки є її низька теплопровідність, крихкість та відносно невисока міцність, що спричиняє крихкий характер катастрофічного руйнування пластин.
Відомі вітчизняні та зарубіжні розробки, спрямовані на підвищення фізико-механічних та експлуатаційних властивостей інструментального матеріалу легуванням або нанесенням зносостійких покриттів із карбіду та нітриду титану, оксиду алюмінію на непереточувані твердосплавні пластини, дозволяють частково покращити якість інструменту при незмінній його основі.
На основі проведеного теоретичного аналізу існуючих досліджень можна зробити висновок про те, що найбільш перспективним є інший напрямок – розробка та створення шаруватих пластин із композиційного матеріалу типу “кераміка - твердий сплав”, в якому інструмент поєднує зносостійкість різальної кераміки з міцністю твердосплавної підложки.
У зв’язку з цим пошук та розробка нових конструкцій багатошарових інструментальних пластин, які повинні підвищити працездатність різальних пластин при обробці високоміцних матеріалів, є актуальною задачею.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з тематикою науково-дослідних робіт кафедри “Металорізальні верстати та системи” Кіровоградського державного технічного університету на 1997 – 2002 р. р., комплексної програми розвитку кольорової металургії України на період до 2010 р. (частина 7. Твердосплавна підгалузь) затвердженої постановою Кабінету міністрів України від 18.10.1999р. в рамках сумісних робіт по договору №35б з ДІЦТС „Світкермет”.
Мета і задачі дослідження полягають у підвищенні працездатності багатошарових інструментальних керамічних пластин групи застосування Р10 при обробці поліпшених і загартованих сталей та чавунів високої міцності.
Задачі досліджень:
§ встановлення вимог до конструкцій різальних пластин групи застосування Р10 для обробки поліпшених і загартованих сталей та чавунів;
§ встановлення закономірностей процесу зносу різальної частини багато-шарових пластин групи застосування Р10 при обробці цих матеріалів;
§ розробка фізичної моделі шаруватої ріжучої пластини та на її основі створення конструкції пластин з композиційних керамік;
§ визначення пріоритетів та вибір структурних компонентів ріжучого шару та підложки пластини за термомеханічною і термохімічною сумісністю, з опти-мізацією співвідношення між товщинами шарів та перехідної зони;
§ вивчення особливостей алмазної обробки багатошарових пластин;
§ визначення раціональних областей застосування нового різального багатошаро-вого інструменту та розробка практичних рекомендацій щодо його ефектив-ного використання.
Об’єктом дослідження у цій роботі є різальний інструмент шаруватої конструкції, що поєднує зносостійкість різальної кераміки з міцністю твердосплавної підложки.
Предмет досліджень – працездатність металорізального багатошарового інструменту групи застосування Р10 для обробки поліпшених і загартованих сталей та чавунів високої міцності.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводились на основі положень фізики, матеріалознавства, теорії різання та теорії проектування різального інструменту.
Експериментальні дослідження проводились з використанням сучасної вимірювальної апаратури та обладнання з обробкою отриманих результатів за допомогою сучасних засобів ПЕОМ.
Наукова новизна одержаних результатів:
1. Встановлено, що працездатність багатошарових інструментальних керамічних пластин у високотемпературних умовах різання залежить від коефіцієнта термічного розширення складових композиційного матеріалу та підбору структурних елементів кераміки і підложки за термомеханічною сумісністю.
2. Вперше встановлено, що для забезпечення працездатності інструменту при різанні композиційними пластинами „кераміка-твердий сплав” необхідно забезпечити відносну товщину шару кераміки в межах 0,25...0,35 від загальної товщини пластини.
3. Вперше встановлено, що за рахунок шаруватості пластин із певним співвідношенням товщин шарів та їх термомеханічної сумісності забезпечується керована зміна напруженого стану композитів в умовах термонавантаженої токарної обробки і їх алмазного шліфування.
4. Доведена важливість наявності перехідної зони між шарами композиту і встановлено, що найкращі показники міцності та зносостійкості пластин при ударно-переривчастому різанні спостерігаються у випадку ширини перехідної зони в межах 200...250 мкм.
Практичне значення одержаних результатів:
Запропоновано фізичну модель та на її основі розроблено конструкцію шаруватої різальної пластини з композиційних матеріалів “кераміка – твердий сплав”, призначену для обробки загартованих сталей та чавунів високої міцності при циклічних навантаженнях. На основі аналізу структури різального інструменту з керамік марок ВО13, ВОК60, ВОК71 на підложках із без-вольфрамового твердого сплаву (БВТС) розроблено практичні рекомендації щодо підвищення експлуатаційних властивостей шаруватих пластин. Розроблено технічну документацію на нові конструкції шаруватої різальної пластини для обробки загартованих сталей та чавунів високої міцності. Результати роботи впроваджені у виробництво на підприємствах України. Резу-льтати впровадження засвідчили, що застосування вдосконалених шарува-тих пластин при обробці загартованих сталей та чавунів високої міцності дозволило підвищити працездатність керамічних пластин у 1,3…1,8 раза.
Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі наведено результати досліджень, які були виконані автором за період з 1997 по 2002 рр. Розробка методик досліджень, аналіз і узагальнення одержаних результатів, формулювання основних узагальнюючих положень дисертації виконані автором особисто.
З наукових результатів особистим внеском автора є:
§ визначення проблеми, розробка та створення конструкції шаруватої пласти-ни, яка б задовольняла вимогам високопродуктивної, якісної та надійної обробки поліпшених і загартованих сталей та чавунів високої міцності;
§ розробка фізичної моделі шаруватої різальної пластини;
§ розробка питань підвищення продуктивності та якості обробки, а також зносостійкості різальних пластин групи застосування Р10;
§ визначення умов надійної та безвідмовної роботи різального інструменту за рахунок підбору геометричних розмірів шарів та зміни їх співвідношень.
Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися здобувачем на науково-технічних конференціях викладачів, аспірантів та співробітників Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування (1997-1998рр.), Кіровоградського державного технічного універси-тету (1999-2001 рр.), на міжнародних та українських конференціях і семінарах: “Прогрессивная технология машиностроения и современность” (м. Донецьк-Севастополь, 1997 р.), “Высокие технологии в машиностроении” (м. Харків - Алушта, 1999 р., 2002 р.), “Надійність машин та прогнозування їх ресурсу” (м.Івано-Франківськ, 2000 р.), “Процеси механічної обробки та інструмент” (м.Житомир, 2001 р.).
Публікації. За темою дисертації надруковано 7 праць, отримано один патент України на винахід.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, загальних висновків, переліку літератури з 87 найменувань і додатків. Вона викладена на 137 сторінках основного тексту з 32 рисунками та 29 таблицями. Загальний обсяг дисертації складає 183 стор.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність роботи, викладено загальну її характеристику, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено отримані автором основні наукові результати, що складають наукову новизну, показано практичне значення роботи, її апробація та кількість публікацій.
В першому розділі подано аналіз існуючих конструкцій різального інструменту для обробки загартованих сталей та високоміцних чавунів, розглянуто напрямки досліджень, спрямовані на розробку ефективних конструкцій шаруватої ріжучої пластини на основі композиційної кераміки.
З аналізу літератури можна зробити висновок про те, що вдосконаленням властивостей різальної кераміки шляхом введення нових компонентів та домішок, оптимізацією технологічних процесів вдається підвищити границю міцності на вигин та дещо знизити крихкість, але здебільшого при цьому відбувається зниження твердості і, як наслідок, область ефективного застосування таких матеріалів зміщується в бік менш твердих оброблюваних матеріалів.
Одним із засобів уникнення такого негативного явища є створення шаруватих композиційних матеріалів. Відомо, що працездатність різальної пластини у значній мірі визначається адаптацією до силової взаємодії системи “різець-деталь”, тому є доцільним, використовуючи гнучку технологію порошкової металургії, поєднати в одній пластині елемент високої зносостійкості при різанні та підложку, що буде поглинати силові навантаження.
Відомі приклади таких шаруватих матеріалів, наприклад алмазно-твердосплавні пластини або композиції “кераміка-твердий сплав”, але стосовно матеріалів групи застосування Р10 такі розробки недостатньо висвітлені в літературі. Крім того, при розробках конструкцій таких багатошарових пластин бажано застосовувати системний комплексний метод досліджень, який би дозволив враховувати умови різання пластинами, вибір компонентів шарів з точки зору їх термомеханічної сумісності, геометричне співвідношення товщин шарів, особливості алмазної обробки таких пластин.
З лiтератури вiдомi деякi дослiджен-ня по розробцi шаруватих пластин на основі елементів наведених положень, але вiдсутня база для створення наукового пiдходу у цьому напрямку.
У другому розділі обгрунтовано вибір досліджуваних матеріалів та методів математичної обробки результатів експериментів, наведено методики вимірювання основних параметрів процесів різання і виготов-лення пластин, способи їх виготовлення, обладнання та технічні засоби досліджень.
У якості компонентів різальної ке-раміки використовували випалений глинозем марки Г-00; карбід титану з вмістом Сзаг19,5 мас.%, Св0,3 мас.%; двооксиди цирконію та гафнію марок ХЧ та оксид магнію марки ОЧ. Дисперсність суміші після розмелювання складала 0,10...0,15 мкм. Суміш БВТС готували на основі карбіду титану та металевих порошків нікелю (ГОСТ 9722-79), молібдену (ТУ 48-19-316-80) та ніобію (ТУ 48-4-284-73). Для одержання зразків із шаруватого композиційного матеріалу використовувався прямий нагрів пресформ (пропускання струму через графітову пресформу), що дозволило досягти високих температур за невеликий час. Гаряче пресування проводилося в розбірних графітових пресформах на автоматизованому комплексі на основі преса гарячого пресування моделі ПА-803, що забез-печувало точність та повторюваність технологічного процесу.
Дослідження працездатності керамічних пластин і якості обробки здійсню-вали з застосуванням зразків-пластин розмірами 4,76х12,7х12,7 мм і 8х12,7х12,7мм. Стійкість змінних многогранних пластин (ЗМП) досліджували за допомогою токарно-гвинторізного верстата моделі 16К20 з без-ступінчастим регулюванням частоти обертання шпинделя при поздовж-ньому точінні без охолодження заготовок зі сталі Х12М (HRCэ 60) діа-метром 100...300 мм, довжиною 500...1000 мм та методом поперечного точіння заготовок діаметром 150...200 мм, довжиною 200...250 мм. Геометричні параметри різального інструменту: =1=450; =-50; =50; f=0,2...0,4 мм; f=-200; r=1,2 мм. Експлуатаційна міцність пластин визначалася на горизонтально-фрезерному верстаті моделі 6Н82Г методом фрезерування торцьовою однозубою фрезою, діаметром 100 мм, перерізом ножа 19х25 мм.
Складові зусилля різання вимірювались динамометром моделі УДМ-100. При вирішенні за-дач розрахунку температурних полів та залишкових напружень вико-ристо-вувався універсальний пакет прикладних програм “Термопружність”, ос-нований на методі кінцевих елементів.
При дослідженні працездатності алмазних кругів визначали показники відносної витрати алмазів qp, мг/г; різальної здатності круга Q, мм3/хв; ефективної потужності шліфування Nеф , кВт; складових рівнодіючої сили різання PX, PY, PZ , H; коефіцієнта абразивного різання f; питомої роботи шліфування Апит, Втхв/мм3.
Структуру перехідної зони багатошарових пластин вивчали за допомогою електронного мікроскопа-мікроаналізатора “Кемскан-4ДВ”.
Третій розділ містить теоретичні передумови розробки шаруватих інструментальних пластин групи застосування Р10. У ньому на основі аналізу процесів, що є характерними для обробки загартованих сталей та високоміцних чавунів, запро-поновані напрямки вирішення проблеми підвищення працездатності пластин, підвищення механічної міцності різальної пластини як конструкції; збільшення опору різальної пластини руйнуванню; збільшення відводу тепла в корпус державки за рахунок більш високого коефіцієнта теплопередачі матеріалу підложки. На основі досліджень запропоновано новий підхід до розробки багатошарових пластин підвищеної зносостійко-сті, який полягає у тому, що основним показником якості, що визначає величину термічних напружень у процесі виготовлення та експлуатації пластин, є термомеханічна сумісність компонентів, їх часткове співвідношення. При цьому важливе значення має термомеханічна сумісність робочого шару та підложки, коли співвідношення коефіцієнтів термічного розширення компонентів шарів мають лімітовані значення, вихід за межі яких призводить до зростання напружень, збільшення ризику формування тріщин та руйнування внаслідок цього самих пластин.
Проведеними дослідженнями характеру зносу пластин з ке-раміки ВОК71 при торцьовому фрезеруванні чавуну встановлені закономір-ності їх зносу по передніх та задніх поверхнях і показано: якщо на початковому етапі фрезерування утворюється лунка по передній поверхні певної ширини та стрічка зносу по задній поверхні, то при подальшому фрезеруванні ширина стрічки зносу по задній поверхні збільшується, одночасно зрізається зовнішня грань лунки, що призводить до утворення фаски зносу по задній поверхні з більшим кутом нахилу і в кінцевому підсумку до затуплення та сколу різальної кромки, і, як наслідок, пластини стають непрацездатними.
Встановлено, що наявність покриття Al2O3 на твердосплавних пластинах забезпечує кращий комплекс механічних властивостей (сполучення HV, н та KIc), який дозволяє отримати при їх використанні певні переваги у стійкості твердосплавного інструменту при чорновій та напівчистовій обробці сталевого литва, нержавіючих, аусте-нітних та жароміцних (-, --Со) сталей. Одночасно встановлено, що бажано збільшувати товщину покриття Al2O3 на пластині, або для розробки ефективних пластин використовувати їх багатошаровість при збереженні різальної частини керамічною (на основі Al2O3), а у якості підложки використовувати твердий сплав.
Для реалізації такої багатошаровості були проаналізовані фактори, що впливають на працездатність пластин при різанні. Між управляючими та структурними параметрами при різанні встановлюються прямі та зворотні причинно-наслідкові зв’язки, від характеру та закономірностей формуван-ня яких залежать значення вихідних параметрів. Виявлення основних причинно-наслідкових зв’язків, встановлення їх пріоритетності, а потім, шляхом зміни структурних параметрів пластини, виключення чи послаблення руйнівної дії цих зв’язків є важливим елементом розробки високопродуктивного, зносостійкого та надійного різального інструменту.
Розглянемо структурні елементи різальної пластини, яка має складну дискретно-безперервну структуру: дискретну в мікромасштабі (зерно-зв’язка) та безперервну в макромасштабі. Зерно та зв’язуючий прошарок відрізняються природою матеріалу, а тому мають різні закони термічного розширення, що викликає локальні напруження і т.п. Внаслідок відмінностей складів керамічного шару та підложки величина дотичних напружень у перехідній (приконтактній) зоні залежить не тільки від усередненого значення коефіцієнта термічного розширення кераміки бк та підложки бп, але й від величин термомеханічної сумісності шарів та в інтервалі температур отримання та експлуатації пластин. Підбір компонентів шарів без урахування термомеханічної сумісності значно збільшує ризик перетворення перехідної зони контакту шарів у джерело концентраторів напружень, що може призвести до зруйнування пластини ще на стадії її виготовлення.
Одним з головних чинників, що визначає структуру пластин, є склад композиційного матеріалу. Для обробки загартованих сталей та чавунів високої міцності реальний спосіб підвищення зносостійкості полягає у введенні в склад кераміки важких металів, боридів, нітридів, які забезпечують найбільшу міцність. Так, в оксидну кераміку вводять оксид магнію або оксид цирконію для обмеження росту зерна. З наведеного вище виходить:
- перший з причинно-наслідкових зв’язків – зв’язок між матеріалами компонентів та міцністю зв’язків між компонентами;
- другий причинно-наслідковий зв’язок встановлює залежність міцності пластини при різних температурах від співвід-ношення коефіцієнтів термічного розширення та теплопровідності контак-туючих шарів. Висока температура на поверхні різальної кераміки в зоні різання при низькій її теплопровідності викликає (додатково до механічних) термічні напруження. Тому вкрай необхідно враховувати значення бк(Т) та бп(Т) матеріалу підложки при розробці шаруватих різальних пластин, бо відповідність умов термічного розширення з’єднаних різнорід-них шарів кераміки та твердого сплаву якраз і забезпечить міцність пластини в цілому як інструмента та окремо її різальних кромок;
- третій причинно-наслідковий зв’язок враховує зовнішні впливи, що приводять до нагрівання різальної кромки, та пов’язаний з окалиностійкіс-тю пластин. Найбільш слабкою ланкою в нашому випадку є різальна кера-міка, тому необхідною умо-вою збереження зносостій-кості пластин є вибір її компонентів, що є окалиностій-кими при температурах, які виникають в зоні різання.
Дослідженнями встановлено, що лише кераміки марок В3 та ВОК60 у деякій мірі піддаються окисленню, тому із розглянутих вище причин найбільш впливовою є саме друга. Порівняння швидко-сті окислення оксид-но-кар-бідних кера-мік ВОК60 та ВОК71 (рис.1) засвід-чило перевагу останньої.
Властивості компо-зиційної кераміки залежать не ті-льки від властивостей складових компоне-нтів, але й від термомеха-нічної суміс-ності твердосплавної підло-жки і керамічного різально-го шару. Нами розроб-лений метод підбору вагової час-тки компонен-тів різального шару і розрахунку складу підложки з точки зору термомеха-нічної сумісності, при ви-конанні умови термохімічної суміс-ності, в основу якого пок-ладена класична залежність термічного напруження і коефіцієнта термічного розши-рення контактуючих речовин від температу-ри, а також припущення про сумар-ний коефіцієнт терміч-ного розширен-ня композиційної кераміки як усередненої величини і (Т) складових ко-м-понентів з урахуванням їх пружних властивостей за умови обмеженості їх взаємодії. З урахуванням цього величину напру-ження між шарами можна подати у вигляді:
,
де індекси “к” і “п” відносяться відповідно до кераміки та підложки.
Для багато-компонентної дисперсно зміцненої композиційної системи, якою є різальнакераміка та твердий сплав, співвідношення усередненого <(Т)> можна подати у вигляді:
,
де і - частка і-го компонента по масі; Еі - модуль пружності, Па; і - густина, кг/м3; С - коефіцієнт, що враховує зміну пружних властивостей компонентів в залежності від температури.
Термомеханічна неузгодженість різального шару та підложки виникає в процесі виготовлення шаруватої пластини по мірі охолодження після спікання. Якщо , то перехідна зона з боку кераміки зазнає напруження стиску, а поверхневий шар – розтягу. Ступінь такого розтягу та стиску залежить від товщини різального шару кераміки. Якщо , то по мірі охолодження шаруватої пластини перехідна зона з боку кераміки стає джерелом мікротріщин, що розповсюджуються в бік кераміки. В цьому випадку пластина розтріскується без будь-яких механічних навантажень. Під час обробки температура кераміки в зоні різання перевищує темпера-туру підложки. При виконанні нерівності в шарі кераміки, що контактує з перехідною зоною, створюються умови, які сприяють утворенню та розвитку мікротріщин від перехідного шару в бік різальної кераміки. Це ще більше посилюється внаслідок низької теплопровідності кераміки
З наведеного виходить, що необхідно підбирати компоненти таким чином, щоб в інтервалах температур (Тсп…Т) та (Тсп…Троб) виконувалось співвідношення: , яке забезпечить стиснення перехідної зони і не викличе негативних напружень поверхневого шару кераміки.
В загальному вигляді це співвідношення може бути подане як :
( 1 )
Зазвичай найкраще було б мати таке співвідношення, яке б дорівнювало одиниці. Але реальні компоненти по складу керамік та по складу шарів мають певні відхилення від теоретичних, що обумовлено як точністю вимірів, так і чистотою самих компонентів. Для врахування цього нами і введено вказане вище обмеження 0,1.
Особливістю розробки шаруватої різальної пластини є підбір компонентів різального шару і підложки по міцності та твердості, які задовольняють вимогам режимів та умов різання загартованих сталей та чавунів високої міцності, термомеханічній та термохімічній сумісності. Так, температура в зоні різання повинна бути вище температури підложки на величину Т та залежить від теплопровідності різального шару та режиму різання. Наприклад, для наших умов ця різниця температур може складати (300-400)0С. Тоді у кераміці к(8000)810-6град-1, а в підлож-ці п(800-400=4000)7,410-6град-1, і тому підложка підтискає при-контактну область кераміки, гасячи у ній джерела мікротріщин, а досягти цього можливо саме за умов вказаного вище моделювання співвідношен-ня часток компонентів в різальному шарі та підложці.
В четвертому розділі наведені результати дослідження впливу структурних елементів багатошарових пластин “кераміка – твердий сплав” на працездатність з метою розробки реальних конструкцій багатошарових пластин для обробки загартованих сталей та високоміцних чавунів на основі рекомендацій розділу 3.
Для перевірки положення щодо термомеханічної сумісності було виготовлено декілька варіантів шаруватих пластин з конкретними складами шарів кераміки та підложки (табл. 1). Готові вироби піддавали контролю за параметрами: вихід у придатне (%) та міцність на вигин в (МПа).
Таблиця 1.
Склад твердосплавної та керамічної основи і вплив їх на показники якості шаруватого композиційного матеріалу
№ п/п | Склад компонентів матеріалу основи, % мас | Кера-мічний різаль-ний шар | Термо-механічна сумісність, б | Міцність на вигин в, Мпа | Вихід в при-датне, %
1 | ВК6 (WC-94, Co-6) | ВО13 | 1,7 | - | 0
2 | ТН20 (TiC-79, Ni-16, Mo-5) | ВО13 | 0,81 | 750 | 70
3 | TiC-73, TiN-20, Mo-7 | ВО13 | 1,07 | 1070 | 95
4 | TiC-55, TiN-38, Mo-5, Ni-2 | ВО13 | 0,96 | 1110 | 97
5 | ВК6 | ВОК71 | 2,30 | - | 0
6 | ТН20 (ТіC-79, Ni-16, Mo-5) | ВОК71 | 1,21 | 858 | 80
7 | TiC-73, TiN-20, Mo чи Ni-7 | ВОК71 | 1,09 | 1100 | 96
8 | TiC-55, TiN-38, Mo чи Ni-7 | ВОК71 | 1,07 | 1170 | 98
9 | Al2O3-30, TiC-30, TiN-25, Mo2C-5, Mo чи Ni-10 | ВОК71 | 0,98 | 1200 | 98,8
Аналіз даних табл. 1 свідчить про те, що підложка має бути виготовлена не з вольфрамових, а з безвольфрамових твердих сплавів, і бажано, щоб вона мала у складі не тільки карбіди титану, але і нітриди титану. Також встановлено, що порівняння впливу різальної основи з оксидної (ВО13) або оксидно-карбідної (ВОК71) кераміки на показники якості шаруватого композиційного матеріалу свідчить про певну перевагу оксидно-карбідного матеріалу, і надалі, враховуючи ті відомості, що вже були нами викладені у розділі 3, більша увага приділялася саме оксидно-карбідній різальній основі шаруватих керамік.
Як приклад на рис. 2 наведе-ний переріз шаруватої пластини (№ 5, див. табл.1) у перехідній зоні. Термомеханічна несумісність контактуючих шарів привела до його розтріскування. Підбір матеріалів шарів за термомеханічною сумісністю - умова необхідна, але недостатня. Особливу роль виконує матеріал-зв’язка в основі, який не тільки утворює міжзерновий проша-рок в перехідній зоні, але й істотно впливає на технологічність виготовлення шаруватих пластин і їх міцність. Тому структура перехідної зони шаруватої різа-льної пластини та можливість управління її величиною є не-обхідним об’єктом вивчення.
Досліджено струк-туру пере-хідної зони шаруватої пласти-ни, що складається із шару керамі-ки ВОК71 та БВТС ТН20. Виявле-но, що ширина перехідної зони ко-ливається в залежності від режи-мів гарячого пресування від 20 до 400 мкм. Сама перехідна зона є наслід-ком взаємного проникнення компо-нентів шарів. Дифузії алюмінію чи молібдену не виявлено. Титан міс-титься у вихідних сумішах ВОК71 та ТН20. Характерною є міграція нікелю безпосередньо в шар кера-міки на глибину до 60 мкм та при цьому його певний сплеск (рис. 3). Наведені дослідження свідчать про те, що на межі композиційного матеріалу кераміка – твердий сплав виникає дифузійна зона з підвищеним вмістом нікелю. При цьому ширина дифузійної зони визначається режимами гарячого пресування композиту, в основному температурою та тривалістю ізотермічної витримки.
Товщина перехідної зони практично не впливає на показники працездатності багатошарових пластин. Але найвищі показники міцності та зносостійкості пластин спостерігаються у випадку ширини перехідної зони в межах 200...250 мкм (табл. 2).
Таблиця 2.
Залежність порівняльного коефіцієнта зносостійкості
та міцності при вигині зразків від товщини перехідної зони
№ зразка | Товщина перехідної зони | Границя міцності на вигин, МПа | Коефіцієнт зносостій-кості
мкм | у % від товщини кераміки
1 | 394 | 38 | 950 | 1,45
2 | 258 | 22 | 930 | 1,5
3 | 220 | 18,2 | 930 | 1,5
4 | 137 | 10,1 | 925 | 1,48
5 | 21 | 8,5 | 900 | 1,44
Забезпечення міцного поєднання шарів дозволяє вирішити питання недостатньої теплопровідності різальної кераміки. У відповідності з законом Фур’є, у стаціонарному режимі тепловідведення товщини hі шарів пов’язані з коефіцієнтом теплопровідності і співвідношенням:
,
де q – питомий тепловий потік, - теплопровідність.
З підвищенням температури в зоні різання товщину різальної пласти-ни необхідно змінювати, щоб забезпечити постійне тепловідведення по закону: , де h1 – товщина пластини в умовах та режимах різання при температурі Т1. Але слід враховувати, що з позиції збереження міцності пластини існує мінімально допустима товщина різальної пластини, менше якої пластина крихко руйнується. Виходячи із вимог постійності теплового потоку через одношарову та двошарову пластини, різниця температур між опорними гранями пластини виразиться у вигляді: - для одношарової пластини товщиною h, - для двошарової пластини товщиною h=h1+h2, тоді:
( 2 )
де - відносна товщина шару кераміки до загальної тов-щини плас-тини.
Із формули (2) виходить, що чим тонший шар кераміки та чим вища теплопровідність 2 підложки, тим менший перепад температур .
Відсутність перегріву кераміки в зоні різання при 10,5 значно зни-жує термонапруження в пластині та збільшує її стійкість. Випробування двошарових пластин при 1 в ряду 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1 засвідчили, що найбіль-шу стійкість при торцьовому точінні загартованої сталі 50 на режимах різання V = 500 м/хв; S=0,08 мм/об; t=0,5 мм показали пластини, у яких 1=0,30,02.
З іншого боку, зменшення товщини шару кераміки зв’язано з ростом від-носної товщини перехідної зони, насиченої металом–зв’язкою. Як тіль-ки метал–зв’язка досягає зони різання, експлуатаційні властивості ріжучо-го шару погіршуються, і тому це необхідно враховувати. З метою визна-чення оптимального відношення товщини шару кераміки до загальної тов-щини пластини 1 проведена серія дослідів з випробуванням фізико-механічних та експлуатацій-них властивостей зразків. Дослідження різальних властивостей композиційного ма-теріалу “кераміка - твердий сплав” в порівнянні з властивостями різальної кераміки ВОК71 проведено при різанні шаруватими пластинами із змінюванням відношення 1 в ряду 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5. Випробування пластин прове-дені з метою визначення оптимального співвідношення 1 (рис.4).
Максимальна працездатність пла-с-тин відпові-дає оптимальному спів-від-ношенню 1=0,25…0,35. Із зро-стан-ням 1 зносостійкість знижу-ється, набли-жаючись до стійкості контрольної пластини при 10,5, а при 10,25 зносостійкість різко знижується.
Таким чином, шляхом зміни ві-д-носних розмірів товщини різально-го шару та підложки при незмінно-му складі їх компонентів можна значно змінити термомеханічні нап-руження у пластині та збільшити надійність інструменту в цілому.
В п’ятому розділі наведені особливості алмазної обробки багатоша-рових пластин, які необхідно враховувати для отримання якісних та надійних пластин групи застосування Р10. При шліфуванні пластини піддаються певному тепловому впливу, і неврахування цього фактору з боку термомеханічної сумісності може призвести до розтріскування пластин ще до використання їх за прямим призначенням.
В рамках цього дослідження вивчали поля температур та напружень у двошарових пластинах з кераміки та БВТС (при різному співвідношенні товщин шарів) стосовно до алмазного шліфування. Розподіл температури в двошаровій пластині розглядали в рамках лінійної стаціонарної двовимірної моделі температурного поля. Розрахунки підтвердили, що найбільш оптимальною з точки зору зниження градієнта температур буде пластина, у якій товщина твердого сплаву складає ? товщини пластини, а ВОК 71 – ? .
Оцінкою напружено-деформованого стану в пластинах стосовно умов алмазного шліфування виявлено, що макси-мальні температури та напру-ження розтягнення мають місце у кутах пластин, що може призвести до виколок при шліфуванні. Максимальні напру-ження стиснен-ня знаходяться у зоні розмежування фаз, причому має міс-це різкий перепад від стиснення до розтягнення. Тому наявність описа-ної вище у розділі 4 перехідної зони з підвищеним вмістом нікелю для шаруватих пластин є вкрай важливою.
Таким чином, для того, щоб запобігти сколам по зовнішніх кромках при шліфуванні пластин із різальної кераміки, можливе використання двох варіантів. По-перше, використовувати режими обробки та круги, які забез-печують невисокі температури шліфування, і, по-друге, використовувати двошарові пластини “кераміка – твердий сплав”, які дозволяють зменшити максимальні значення напружень на кромках пластин та їх градієнт. Оскільки ці пластини є в певній мірі незвичними, то відсутнім є досвід їх обробки, а відтак важливими є дослідження особливостей шліфування шару-ватих керамік та поведінки ал-мазних кругів при цьому.
З таких особливостей вста-новлено, що при шліфуванні три-шарового композиту перпендику-лярно перехідним зонам, коли алмазні зерна прохо-дять при різанні послідовно кераміку – твердий сплав – кераміку, практично весь титан (від 50 до 70 мас.% його вмісту на ріжучій поверхні круга) знаходиться на алмазних зернах (рис.5), що є наслідком швидкого зносу кругів. В свою чергу, алюміній розподіляється рівномірно, а слідів нікелю у спектрі алмазу не виявлено. Це свідчить про те, що шліфування багатошарових компози-тів бажано про-водити вздовж шарів, щоб зменшити хімічну взаємодію алмазу з титаном. У цьому випадку шарувата кераміка шліфується краще, ніж БВТС. Знос алмазних кругів знижується в 1,3 раза.
Встановлені закономірності, а також вивчення працездатності алмаз-них кругів при шліфуванні багатошарової різальної кераміки дозволили розробити ефективні рекомендації по вибору алмазних кругів для алмазного шліфування шаруватих керамік.
В шостому розділі наведені результати лабораторних та дослідно-промислових випробувань ЗМП із шаруватої кераміки, якій присвоєна марка ВОК95М та розроблена технічна документація для її виготовлення.
На основі проведених лабораторних випробувань встановлено, що коефіцієнт стійкості шаруватих пластин ВОК95М по відношенню до пластин ВОК71 підвищується від 40 до 80 %. При збільшенні швидкості різання перевага кераміки ВОК95М виявляється більш відчутною, що можливо пояснити її більш високими міцністними властивостями та іншим характером зносу різальної кромки.
На підприємствах України були проведені випробування різальних властивостей кераміки ВОК95М.
В умовах НВО “Етал” (м. Олександрія) досліджували різальні властивості 4-гранних пластин ВОК95М при поздовжньому точінні заготовок зі сталей 40, ХВГ, 30ХГСА твердістю HRC 42…52. Експлуатаційна стійкість пластин з кераміки ВОК95М в умовах заводу виявилася вищою, ніж у пластин ВОК71, у 1,3…1,47 раза і в 1,22…1,29 ніж у пластин ВОК60.
В МНТК “Практика” (м. Харків) проведені порівняльні випробуван-ня різців з квадратними пластинами із ВОК95М та різальної кераміки марки “кортиніт” при обробці сталі ХВСГ різної твердості. Вста-новлено, що при твердості сталі HRC 40…45 стійкість пластин ВОК95М у 1,33 раза вище, а при твердостях HRC 55…60 кераміка “кортиніт” взагалі не працює на відміну від багатошарової кераміки.
Однією з нових областей застосу-ван-ня різальної кераміки є токарна напів-чистова та чистова обробка чавунних та стальних трубопрокатних валків на вер-статах з ЧПУ, при цьому забезпечується висока розмірна стійкість інструменту при однопро-хідному точінні радіусної по-верхні вал-ків, діаметр яких сягає 1500 мм. Промислові випробування різального інструменту ВОК95М при токарній обробці валків діаметром 861 мм з високоміцного чавуну (НВ 400…430) показали підвищення стійкості плас-тин ВОК95М у порівнянні з імпортними марки SPK (Німеччина) (табл. 3).
Таблиця 3.
Результати порівняльних випробувань стійкості при
токарній обробці валків
Матеріал пластини | V,
м/хв. | n,
об/хв. | S,
мм/об | t,
мм | Коефіцієнт
стійкості
SPK | 54 | 20 | 0,6 | 0,5 | 1,0
ВОК95М | 54 | 20 | 0,6 | 1,0 | 1,5
В усіх випадках ударно-переривистої обробки в інст-рументі, оснащеному пластинами ВОК95М, використовувались усі вісім різальних вершин, тоді як у керамічній пластині тільки чотири через їх руйнування.
Наведені результати випробувань свідчать про те, що, при обробці матеріалів підвищеної твердості, розроблені в цій роботі пластини із композиційного матеріалу ВОК95М мають переваги по стійкості та продуктивності не тільки у порівнянні з твердими сплавами, але й з традиційними марками ріжучої кераміки. Випробування різальних властивостей шаруватих пластин в умовах перерив-частого різання засвідчили відсутність поломок шаруватих пластин по всій їх товщині, які характерні для одношарових керамічних пластин.
Розроблені рекомендації по ефективному застосуванню описаних вище багатошарових пластин.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ
В результаті проведених досліджень вирішено актуальну прикладну задачу суттєвого підвищення працездатності багатошарових ріжучих змінних пластин групи застосування Р10 з кераміки при обробці поліпшених і загартованих сталей та чавунів високої міцності за рахунок розробки та створення нових конструкцій багатошарових пластин, що поєднують зносостійкість різальної кераміки з міцністю твердосплавної підложки.
1. Запропоновано методику підбору складу робочого керамічного шару та шару підложки з твердих сплавів за їх термомеханіч-ною сумісністю, яка полягає в такому підборі компонентів, щоб ви-тримувалося співвідношення між коефіцієнтами термічного розширення шарів композиту в межах 1±0,1. Доведено, що засто-сування цієї методики для розрахунку термомеханічної сумісності шарів дозволяє збільшити границю міцності на вигин у порівнянні з серійними пластинами. Як наслідок, це дозволило розробити конструкції багатошарових пластин підвищеної зносостійкості, яким присвоєно марку ВОК95М.
2. Встановлено, що для забезпечення оптимальних умов тепловідво-ду при різанні композиційними пластинами “кераміка – твердий сплав“ необхідно прагнути до відносної товщини шару кераміки в межах 0,25…0,35 % від загальної товщини пластини, а результати досліджень зносо-стійкості та міцності шаруватої кераміки засвідчили, що за рахунок досяг-нення оптималь-ного співвідношення товщини робочого керамічного шару та підложки можна досягти значного підвищення працездатності пластин.
3. Проведеними дослідженнями виявлено, що між шарами композиту виникає перехідна зона, що сприяє виникненню міцного сполу-чення шарів між собою за рахунок механічного перемішування компонен-тів, а також взаємному проникненню компонентів шарів, при цьому спос-терігається звивистий характер перехідної зони, що обумовлено техноло-гічними факторами; характер протравлюваності перехідної зони вказує на її значну насиченість нікелем, а розмитість меж засвідчує проникнення металу-зв’язки в керамічний шар.
4. Встановлено, що найбільшої міцності досягає пластина з композиційного матеріалу у випадку ширини перехідної зони в рамках 200…250 мкм, і при цьому коефіцієнт зносостійкості також має максимальне значення, що пояс-нюється позитивним впливом зони підвищеної пластичності на міцність пластини та штучне посилення тріщиностійкості конструкції композиту загалом.
5. Показано, що використання шаруватої конструкції керамічних пластин є одним із варіантів змінення характеру напруженого стану пла-стин, і встановлено, що при алмазній обробці опорних поверхонь кераміч-них композиційних пластин найбільші залишкові напруження формують-ся на кромках пластин, що призводить до їх виколу. Зменшення величини відношення коефіцієнтів температурного розширення зменшує градієнт напружень.
6. На основі проведених лабораторних випробувань встановлено, що коефіцієнт стійкості пластин ВОК95М по відношенню до пластин ВОК71 підвищується від 40 до 80 %. При збільшенні швидкості різання перевага кераміки ВОК95М виявляється більш значною, що можливо пояснити її більш високими міцністними властивостями та іншим характером руйнування.
7. Резу-льтати впровадження засвідчили, що застосування вдосконалених шарува-тих пластин при обробці загартованих сталей та чавунів високої міцності дозволило підвищити зносостійкість керамічних пластин у 1,3…1,8 рази.
Основні результати роботи висвітлено у наступних публікаціях:
1. Ситник О.О., Лавріненко В.І. Термостійкість різальної кераміки // Техніка в сільському господарстві, галузеве машинобудування, автома-тизація: Зб. наук. праць КДТУ.- Кіровоград: КДТУ.– 1999.– Вип. 5.– С.108…111.
2. Бякова А.В., Сытник А.А., Власов А.А. Конструкционная прочность износостойких покрытий и пути повышения стойкости режущего твердосплавного инструмента // Резание и инструмент в технологических системах.-
