автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование и разработка методов оценки работоспособности быстрорежущих инструментов

РГ6 од

На правах рукописи

Виноградов Дмитрий Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ БЫСТРОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

Специальность 05.03.01. Процессы механкческо.1 и физико-технической обработки, станки и инструменты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва. 1995'

А-

Работа выполнена в Московском ордена Ле::ияа. ордена Ск-тяорьской революции и опдеиа Трудового Красного Знамени Государственном техническом университете им.Н.Э.Баумана.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ДРЕВАЛЬ А. Е.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Б0Р30В A.A.: кандидат технических наук, старший научный сотрудник БАЛКОВ В. К.

Ведущая организация - указана в решении Ученого Совета

Защта состоится ^tOM-f ЮЭ5 г. на заседании

диссертационного Совете К 053.15.15 в Московском Государственной техническом уиизерситете им.Н.3. Баумана по адресу: 107005, Москва. 2-ая Бауманская ул.. д.5.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печать», просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им.Баумана. Телефон для справок 267-0963.

Автореферат разослан "J&' ^сЛ-Я-*? 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Подписано к печати "/?* _ 1995 г. Заказ НЛ/^

Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Типография КГТУ им.Н.Э.Баумана

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Развитие машиностроения и совершенствование технологических троцессов предопределяют увеличение количества создаваемых конструкционных и инструментальных материалов. Однако вследствие неточного подбора инструментального материала для обработки новых сонструкциониых материалов и ошибок в назначении режимов резания 1ри изменении условий эксплуатации происходит снижение стойкости >ежущих инструментов. Это приводит к непредвиденны!! отказам, поименному расходу инструмента, снижению производительности труда. 1о данным различных исследователей, нецикловые простои металлоре-:ущего оборудования и автоматических линий из-за смены и подна-идки инструментов составляют 16... 33% от фонда времени работы.

В связи с этим перед технологами и исследователями встают адачи: определения области режимов резания для новых инструмен-альных материалов; сравнительных оценок инструментальных матери-лов между собой: подбора оптимального сочетания инструментально-о и обрабатываемого материалов. Разрабатываемые методы оценки аботоспособности инструментальных материалов должны быть пригод-ы для использования на всех этапах "хизни" инструментов - при их роектировании, изготовлении и при разданных условиях их эксплуа-ации.

Наиболее достоверным методом для реаеиия данных задач явля-гся стойкостные испытания, которые как из-за временных, так и ¡сономических ограничений уже не позволяют успевать за появлением эвых конструкционных и инструментальных материалов. Это застав-чет разрабатывать ускоренные методы оценки работоспособности ;жущих инструментов. Хотя в последнее время интерес к этим рабо-ш несколько угас, потребность промышленности в разработке новых ктоверных ускоренных методов определения (сравнения) работоспо-)бности инструментальных материалов не уменьшается.

В силу вышеизложенного работа, посвященная разработке и исс-¡дованию методов оценки работоспособности режущих инструментов, »едставляется актуальной, так как позволяет сократить простои :хнологического оборудования, расходы инструмента и сроки освое-[я новых изделий и, как следствие, позволяет повысить техни->-экономические показатели производства.

Цели н задачи исследования.

На основании анализа научно-технических литературных источников. позволившего оценить состояние исследований в данном направлении. целью настоящего исследования является: разработка ус • коренных методов оценки износостойкости режущих инструментов на основании анализа физических параметров процесса резания и свойств поверхностных слоев.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

- на базе положений современной теории разрушения н изнашивания твердых тел разработана модель изнашивания режущего инструмента;

- изучена зависимость износостойкости инструмента от свойств поверхностного слоя режущего клина; разработаны методы оценки качества поверхностного слоя режущего инструмента; выполнен анализ связи свойств поверхностных слоев инструмента с завершающими переходами технологического процесса изготовления режущих инструментов;

- разработаны ускоренные методики тестирования режущих инструментов, позволяющие определять режимы резания с целью обеспечения максимальной износостойкости и подбирать оптимальное сочетание инструментального и обрабатываемого материалов.

Методы исследования.

Теоретические и экспериментальные исследования проводились на базе разработанных общей и частных методик проведения исследований с использованием современных представлений теории резания металлов, теории вероятностей, математической статистики, корреляционно-регрессионного анализа и теории графов. При проведении экспериментов приме"ялась современная измерительная и регистрирующая аппаратура и специально сконструированные приспособления. Для обработки и анализа экспериментальных данных использовался персональный компьютер.

В ходе экспериментальных исследований изучались зависимости характеристик изнашивания (интенсивности изнашивания, величины износа, стойкости и др.) от физических параметров процесса резания. Выполнено моделирование процесса резания точением быстрорежущими резцами различной конструкции. Для проведения анализа привлекались данные стойкостных испытаний различных инструментов

фрез, сверл, нетчиков), полученные другими авторами.

Научная новизна:

- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, то в основе изнашивания режущего инструмента лежат термоактива-ионные явления; показано, что интенсивность изнашивания опреде-яется отношением мощности резгння к температуре PV/e, являющимся бобщепным параметром, характеризующим процесс изнашивания:

- доказано, что параметры распределения величины микротвер-ости поверхности режущего инструмента являются информативными эказателямн. по которым можно судить о работоспособности инстру-ента; показано, что наиболее информативным показателен является ксцесс (четвертый момент) распределения величины микротвердости; становлена линейная зависимость между величиной изнашивания рвущего инструмента и эксцессом распределения величины микротвер-эсти.

Практическая ценность.

Разработаны и апробированы инженерные методики для:

- установления оптимального сочетания инструменталышй-обра-шлвасмый материал;

- определения скорости резания, при которой интенсивность знашивания режущего инструмента минимальна, что позволяет решать зактические задачи выбора оптимального режима резания при значи-;льном сокращении трудозатрат и расхода инструмента;

- оценки износостойкости инструментальных материалов и прог-»зировання стойкости режущих инструментов по распределения пик-твердости изнашиваемой поверхности, которые позволяют опреде-1ть оптимальную технологию заточки и доводки инструмента, просо-пь сертификацию инструмента при его изготовлении;

- проведения сравнительных ускоренных исследований износос-«"(кости инструментальных материалов и прогнозирования стойкости :жущнх инструментов, изготовленных из различных материалов.

Результаты работы внедрены в Институте структурной макроимени РАН (г.Черноголовка).

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационный работы докладывались и суждались на VIII Всесоюзной научно-технической конференции еплофизика технологических процессов" в г.Рыбинске в 1992 г.; семинаре работников авиационной промышленности (г.Москва фев-

раль 1993 г.). Работа обсуждалась на научных семинарах кафедры "Процессы и инструментальные системы механической и физико-химической обработки" МГТУ им.Н.Э.Баумана. По результатам исследований опубликовано 4 печатные работы.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 192 наименований и шести приложений. Работа изложена на 237 страницах и содержит 151 страницу машинописного текста. 71 рисунок и 30 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрено состояние научных исследований по разработке методов оценки износостойкости режущих инструментов. Показано, что износостойкость инструментального материала является одним из основных показателей работоспособности режущего инструмента. выполнена классификация методов оценки износостойкости инструментальных материалов и прогнозирования стойкости режущих инструментов, а также изложен сравнительный анализ существующих методов. Показано, что:

- прямые методы оценки износостойкости дают наиболее достоверную информацию об износостойкости инструментальных материалов, но обобщают относительно небольшое количество параметров и условий резания, вследствие, чего обросли большим количеством поправочных коэффициентов. Экстраполяция на условия обработки, отличные от условий, в которых получены зависимости стойкости «нстру-ментов, приводит к значительным погрешностям прогнозирования стойкости:

- косвенные методы оценки износостойкости, не использующие резание, позволяют производить качественное сравнение эксплуатационных характеристик инструментов. Для получения количественных оценок необходимо проводить дополнительные испытания:

- косвенные метода, использующие резание, позволяют производить количественное сравнение стойкости режущих инструментов, но точность определения значений стойкости невысока. Полученные зависимости носят в большинстве случаев эмпирический характер:

- методы, основанные на анализе энергетики зоны резания, позволяют сформировать модели изнашивания на качественном уровне

и установить взаимосвязь между стойкостью и исследует''-!!! параметра! Я! и прогнозировать стойкость для других условий -эксплуатации;

- большинство косвенных методов для оценки износостойкости инструментальных материалов используют одну отдельную характеристику процесса (силу, температуру, твердость и др.). Г> то же время метода, осиоваккие на энергетике процесса резелин, используют в качестве таких параметров комплексны!; характеристики, включающую в себя » звнол ип неявной форме ряд других:

- "энергетические" методы прогнозирования стойкости требуют для своего осуществления сложную аппаратуру, могут быть использо-чааа к-зк в производственных. так и в лабораториях условиях, lío многие из тпхнх методов не доведены до практического использования, требуют низведения сложных расчетов ¡i дополнительных исследований;

-■ большинство из рассмотренных методой не позволяют выбирать оптюплм!у!о арку инструментального материала из ряда созмоюшх для обработки конкретного обрабатываемого материала и определят!, область применит:« нового инструментального материала;

- существуйте ..¿годы оценки износостойкости инструлепталъ-иого материала и прогнозирования стойкости ре«усих инструкентоя в бо.-нгччстве случаг-о ие рассматривают особенности поверхности:.::: с во« i p-íxysjcro клина, которые чаца всего определяют стойкость и'млр/.-емтп:

- боль®!»1с?!зо из описанных методов не позволяют прогнозировать сюЛпость ре;-;уц'1х инструментов на этапе их изготовления и ус юнздтгаатъ з тиси; псти стойкости режущи инструментов от технологии их изготовления.

Во второй гладе изло.теиы общая методика проведения нсследо-»»эккй. основное метод)! и средства проведения экспериментов, обработал и анализа экспериментальных даккцх.

Исследозапне изнашивания режуцих инструментов выполнено при моделировании процесса резания на резиах из различных бмстроре::су-a:üx сталей. Выбор токарных резцов для проведения моделирования обусловлен тем. что резцы позволяют реализовать свободное и несвободное резание с постоянными параметрами срезаемого слоя и и широком диапазоне параметров режимов резания. В экспериментальных исследованиях использовались: специально изготовленные резцы их ?6.'!5 (а=--Ю'\ у-25". <f>-90°. i;'¡ =10°): резцы конструкции В.П.Пок-

ь

ровского (к=0°, а=10°, <р=45°, ч>, =10 ) из различных марок быстрорежущей стали: Р9Ф5. Р18Ф2, Р9К5, Р10К5Ф5, Р18Ф2М. Р18М, М5Ф5): призматические резцовые вставки С)[=00, а=10°. ф=45°. ф1 -л5°) из безвольфрамового твердого сплава, полученного методом саморасп• ространяющегося высокотемпературного синтеза в ИСМ РАН.

При изготовлении резцов обращалось особое внимание на выполнение операции заточки, которая проводилась в соответствии с рекомендациями ВНИИИнструмент. Резцы подвергались тщательному контролю геометрических параметров, а также контролю на обнаружение дефектов поверхностей и лезвий. Контроль осуществлялся на микроскопе УИМ-21.

Эксперименты проводились при точении без СОЯ различных обрабатываемых материалов: стали 20 (моделирование свободного резания), 45 и 40Х, чугуна СЧ21, дуралюминия Д16.

Основная часть экспериментальных исследований проводилась на токарных станках мод. 16К20С32 с ЧПУ 2Р22 и 1К62 в лаборатории кафедры "Процессы и инструментальные системы механической и физико-химической обработки" МГТУ им.Н.Э.Баумана. Сила резания измерялась специальным трехкомпонентным тензометрическим динамометром и универсальным динамометром УДМ-300 со стандартной регистрирующей аппаратурой. Сила резания, действующая на заднюю поверхность, определялась экстраполяцией на нулевые толщины срезаемого слоя. Температура резания измерялась методом естественной термопары. Измерение величины износа задней поверхности резцов осуществлялось как на микроскопе УИМ-21, так и непосредственно на станке при помощи специально сконструированного и изготовленного оптико-механического устройства, выполненного на базе микроскопа "Виолам".

В результате проведения экспериментов устанавливались зависимости между характеристиками изнашивания (интенсивностью изнашивания. стойкостью, величиной износа) и физическими характеристиками процесса резания (силой Р и температурой 6 резани?» и их комбинациями (РЧ. Р/0 и РУ/в) при варьировании параметрами режима резания. Экспериментальные результаты аппроксимировались с использованием метода наименьших квадратов. В ка эстве базовых был использован ряд функций. Достоверность аппроксимации оценивалась по коэффициенту корреляции (корреляционному отношению), а также по среднеквадратическому отклонению аппроксимирующей функции от

экспериментальных данных.

При оценке взаимосвязи интенсивности изнашивания с физическими характеристиками процесса резания использовались методы корреляционного анализа. Решением "задачи о лидере" выявлялись наиболее сильные взаимосвязи между параметрами.

Для анализа и обобщения полученных научных результатов были привлечены данные экспериментов, выполненных сотрудниками кафедры, и работы азтора для других видов инструментов (фрез, сверл, метчиков).

Для оценки свойств поверхностных слоев режущего клина инструмента производилось измерение распределения микротвердости. Для этого исследуемые поверхности полировались на различных шлифовальных шкурках и на полировальнике пастой ГОИ, послэ чего на приборе ПМТ-З производилось измерение величины микротвердости в 50... 100 точках поверхности. Статистический анализ распределения микротвердос: I показал, что рассеивание величины микротвердости обусловлено неоднородностью поверхности.

В третьей главе с позиций термоактивационной теории с применением методов теоретического и экспериментального анализа изучен процесс резания и изнашивания режущего инструмента.

Показано, что макроскопические характеристики процесса (температура в зоне резания, сила резания, изнашивание инструмента) являются результатом суммирования последствий множества элементарных актов. При разработке физических моделей процессов, представляющих собой множество актоя взаимодействия единичных объекте:!. каждый из которых имеет свою энергетическую характеристику. - единственно возможным является вероятностный подход.

Закономерности протекания физико-химических процессов (перемещения и перегруппировки элементарных частиц, изменение их положения в кристаллической решетке и др.), определяются тем. что в них участвуют только те частицы вецестпа - молекулы, атомм, электроны, которые обладают энергией, не меньшей некоторого значения (называемого энергией активации Еа), необходимого для преодоления энергетического барьера, препятствующего течению процесса. Скорость Сизико-химических .процессов зависит от той доли частиц, которые обладают энергией, преьшающей энергию активации процесса. Относительное количество таких частиц определяется законами распределения частиц по состояниям - распределением Макс-

вилла-Бодьцмана дли молекул и атомов. Согласно этому распределению доля частиц О^/Ш с энергией Ех (вероятность пробивания частицы в состоянии с энергией Е[ или вероятность появления флуктуации энергии величины Е,) в любой момент времени определяется с • отношением

где А - функция физических параметров системы, характеризующая се состояние; 1< - постоянная Больцмана; 6 - абсолютная температура.

Для кинетики термоактивационных ппоцессов в твердых телах решающее значение имеют флуктуации энергии (Е0л). Флуктуации энергии атомов во времени относительно сродней величины энергии носят случайный характер и могут уменьшать величину энергии активации процесса (Еаг=Еа-Е4л). Вероятность того, что вследствие флуктуации энергия колебаний атома станет равной энергии активации данного процесса или превысит ее. и, следовательно, произойдет элементарный акт исследуемого процесса, определяется выражением (1). Количество таких актов в единице объема или в единицу времени определяет интенсивность (скорость) процесса и одновременно может рассматриваться как вероятность (частота) протекания процесса.

Изнашивание ревущего инструмента б основном определяется следующими процессами:

- возникновением и разрушением адгезионных связей между поверхностью инструмента и обрабатываем!,м материалом;

- окислением глубинных и поверхностных слоев инструмента и прочностью сцепления окисных пленок с поверхностью инструмента;

- диффузией атомов инструментального материала в деталь и стружку и атомов обрабатываемого материала в инструмент;

- зарождением и ростом микротрещин в инструментальном материале. разупр0чнен"0м окислительными и диффузионными процессами;

- пластическим течением металла инструмента и его окж ов;

- старением инструментального материала под воздействием высоких температур резания и знакопеременных нагрузок:

- сорбцией веществ на поверхностях инструмента, приводящей к снижению ее прочности.

Указанные процессы описываются математическими зависимостями

(1)

одинакового нида:

( Еа 1 4' М Р„р. . - Ct EXP----- . (2)

v к8 '

где рПр,1. Е,г 1. А, - вероятность протекания износа, энергия активации изнашивания и сторонняя работа при изнашивании под воздействием i-ой причины: Ci - постоянная.

Тогда вероятность разрушения (р) произвольного объема инструментального материала и. следовательно, интенсивность изнашивания С Л > определяются как:

J - const р - р0-ЕХр[- —] = J'■EXP[- —). (3)

I k0 1 \ kB 1

где ЕЛ - энергия активации процесса разрушения произвольного объема. р0. J' - постоянные.

Термоактивационньш подход на аналитическом уровне применен для описания процесса разрушения припуска и для адгезионного изнашивания как наиболее характерного для быстрорежущего инструмента.

С использованием выражений, предложенных Бобровым В.Ф. н Курковым С. Н.. было получено уравнение, связывающее свойства обрабатываемого материала и параметры обработки

1 ,1г.К,- InV Дх е0 cos(5-Y„) —- = --- . где Кд= -—. (4)

0 0о- 7И бн cos^,

где V - скорость резания: Кп- передний угол; 5 - угол наклона плоскости скольжения; Ах - ширина полосы между двумя линиями скольжения; е0 - число колебаний атомов в единицу времени; 8 -температура резания: U0 - начальная энергия активации процесса разрушения при б„ =■ 0. бм - напряжение матеоиала, обусловленное механической нагрузкой, уменьшающее начальную энергию активации на величину Унбм: t„ " структурно чувствительный коэффициент, определяющий степень уменьшения начального энергетического барьера под действием приложенного напряжения.

В соответствии с зависимостью, (4) был обработан массив экспериментальных данных. Полученные зависимости близки к линейным, системы линий 1/0-f(InV) имеют веерообразный характер и при V«0 и 8=0 образуют полюс, координаты которого определяются величинами U0, Кд и параметрами режима резания. Такой характер зависимостей подтверждает предположение о возможности использования термоакти-

вационной модели для описания процесса разрушения припуска при резании.

Рассмотрение изнашивания режущего инструмента как одного из явлений, сопровождающих процесс резания, позволили получить теоретические зависимости стойкости инструмента от скорости резания, имеющие экстремальный характер, что соответствует большинству экспериментальных результатов для резания пластичных материалов быстрорежущим инструментом. Данный результат подтверждает правильность термоактивационного подхода к изнашиванию режущего инструмента и правильность выражения (3).

Энергия активации изнашивания в общем случае не является величиной постоянной, а изменяется при изменении условий нагружения режущего инструмента. Это отличает разрушение поверхности режущего инструмента от случая "чистого" разрушения твердого тела, когда энергия активации разрушения постоянна для данного материала и не зависит от режима нагружения.

Логарифмирование выражения (3) позволяет записать формулу для определения энергии активации как тангенса угла наклона касательной к графику функции ln(J)=f(1/9):

d(ln J)

(Ln^) *» - = -A Ea + B. (5)

d(l/9)

Данное выражение позволяет определить величину энергии активации с точностью до постоянной В, зависящей от системы отсчета.

Для определения энергии активации при резанин были проведены эксперименты по точению заготовок из сталей 20 и 4GX, серого чугуна СЧ21 и дуралюминия Д16. В связи с тем, что зиерп' активации может изменяться по мере развития износа, эксперименты проводились как на острозаточенных, так и на изношенных и искусственно затупленных резцах. Проведенные эксперименты гозволили построить зависимости интенсивности изнашивания J, ее производной (LnJ)'. пропорциональной энергии активации и мощности резания P23"V. приведенной к задней поверхности от величины 1/9. После' чего стало возможным построить зависимость 'энергии активами изнашивания задней поверхности от мощности резания на задней псзсрхкости, которая показывает, что величина мощности резания Р,ЗПУ к величина энергии активации Еа пропорциональны.

Поэтому, можно сделать вывод, что величина энергии актизации

изнаиивания по задней поверхности может быть определена с точностью до постоянной по величине мощности резания, приведенной к задней поверхности резца:

Еа - А - В Р2ЗПУ . (6)

где Р23" - главная составляющая силы резания, действующей на заднюю поверхность инструмента; А и В постоянные.

С учетом (3) можно записать выражение, позволяющее' определять интенсивность изнашивания (и. следовательно, стойкость и величину износа) задней поверхности режущего клина по значению отношения мощности резания на задней поверхности к абсолютной температуре. названному обобщенным параметром.

рзп.у

3 - ^ ЕХР -- . (7)

9

где - постоянная.

Показано, что физический смысл обобщенного параметра заключается в том. что он являе^я термодинамическим потенциалом системы. не зависящим от пути, по которому система попала в это состояние. и характеризует ее устойчивость - состояние системы с минимальной величиной обобщенного параметра является наиболее устойчивым - в этом состоянии интенсивность изнаиивания минимальна.

В четвертрй главе представлена структурная схема и графы связи факторов процесса изнашивания режущего инструмента. На основе анализа графа показано, что фактором, наиболее полно отражающим совокупность свойств инструментального материала, определяющих износостойкость (интенсивность изнашивания), является твердость поверхности..

разработана система оценки информативности физических параметров. сопровождающих процесс резания и характеризующих состояние инструмента. Рассмотрены взаимосвязи интенсивности изнашивания со следующими параметрами, выступающими в качестве диагностических признаков: с силой (Р), температурой (б) и мощностью (Р\0 резания, а также с отношением силы резания к температуре (Р/0) и мощности резания к температуре (РУ/6). Анализ показал, что наиболее информативным диагностическим признаком состояния инструмента и хода процесса является обобщенный параметр.

Показано, что термоактивационный подход к описанию изнашивания режущего инструмента применим для различных видов режущих

инструментов (резцов. Срез, сверл, метчиков), изготовленных кз быстрорежущих сталей и твердого сплава, при обработке указанных вж;е конструкционных материале;:.

Для рассмотренных инструментальных материалов установлена, что величина обобщенного параметра Г'У/0, приведенная к задней поверхности, характеризует величины интенсивности изнапивашн:, кзе-созого износа и наработки для всего исследованного диапазона скоростей (исключение в некоторых случаях составляет оиласть скоростей резания до 0.13 м/с). Установлено, что при толщине срезаемого слоя менее 0.05 мм и при обработке некоторых материалов (например, серого чугуна) величина обобщенного параметра с точность«, допустимой в инженерных расчетах, мск.ет быть определена с использованием главной составляющей силы резания.

Показан экстремальная характер зависимости величины обобщенного параметра от скорости резания. Данная зависимость качественно совпадает с зависимостью характеристик изнашивания Оштенск?-ности изнашивания, стойкости и др.). Минимальные зшченаг обойденного параметра и интенсивности изнашивания наСмв&сш: при близких значениях скорости резания.

Иг. базе больього экспериментального материала резцов, концевых и дисковых Орез. сверл, мзтчико:; показано, что характеристики изнашивания рекуцих инструментов. такие кяг. интенсивность (Л) и скорость (и) ианаашзания, стойкость (Т). наработка до фиксированного износа (Ь), величина износа при данное наработка (Ь) к др. могут быть описаны при помоет обобцонного параметра (РУ/9) иосродсгпои выразге'лип Б'лда:

1.п (Д.и.Т.Ь.Ы = Л + Е- (РУ/9). (3)

Устгновлено что использование обобщенного параметра позволяет произнодить сравнение обрабатываемости различно; конструкционны/, углеродисты:; сталей и серого чугуна при резан»»; ииструмен-ты-ы, нэготовленншы из одного инструментального патерпа/а. Б то же вре'.я сравнивать .обрабатываемость металлов различии:'» групп ко ьелич-пне обобщенного параметра не представляется сьэмодос!. Обоб-цемньм параметр позволяет производись сравнительное прогкозироза->:и-; работоспособности резцов .из различных ннструненгапиж натс-?модю при обработке одного конструкционного материала. Показана линеиная зависимость обобщенного параметра от ьелг.чины износа задней поверхности, что позволяет производить диагностирование

состояния режущего инструмента.

Экспериментально подтверждена возможность использования обобщенного параметра для описания изнашивания по передней поверхности.

На базе термоактивационного подхода к процессу резания и изнашивания режущих инструментов разработаны и опробованы следующие методики для:

- определения оптимальной скорости резания для данного инструмента: прогнозирования стойкости и величины износа режущих инструментов:

- сравнения износостойкости режущих инструментов, изготовленных из различных инструментальных материалов при точении одного конструкционного материала:

- сравнения износостойкости инструментов при обработке различных конструкционных материалов;

- диагностирования состояния режущего инструмента в процессе работы.

В пятой главе показано, что процессы изнашивания режущего инструмента и вдавливания индентора в поверхность материала при измерении твердости являются процессами одной термоактивационной природы и, следовательно, для оценки износостойкости поверхности может использоваться величина микротвердости. Однако величина микротвердости характеризует свойства поверхности. инструмента только в данной точке, поэтому для оценки износостойкости поверхности необходимо использовать параметры распределения величины микротвердости, такие как: среднее значение, среднее квадратичес-кое отклонение, асимметрия, эксцесс и коэффициент вариации распределения.

Из анализа литературных источников известно, что между износостойкостью материалов и микротвердостью наблюдается взаимосвязь. Наиболее точно эта зависимость описывается "принципом Шар-пи", в соответствии с которым износостойкость поверхности определяется не столько ее средней твердостью, сколько оптимальным сочетанием мягкой основы материала с твердыми включениями.

Выполнена оценка износостойкости режущих инструментов в зависимости от параметров распределения микротвердости. Методами теории графов определено, что наиболее информативным признаком является эксцесс (четвертый момент) распределения величины мик-

ротвердости. Теоретически показана и экспериментально подтверждена для различных условий резания линейная зависимость износостойкости режущего инструмента от эксцесса распределения величины микротвердости и установлена математическая формулировка "принципа Иарпи" для быстрорежущего инструмента:

Тн = А В-Р. (9)

где Ти - стойкость инструмента: ¡3 - эксцесс распределения величины микротвердости; А и В - постоянные коэффициенты.

Установлено, что величину дефектного слоя на поверхности ре~ аущего клина можно оценить при помощи начального и прнработочного изиосоз. Величина дефектного слоя определяется физико-химическим! свойствами инструментального материала и зависит от параметров регамоо шлифования и заточки инструмента. Теоретически показана н экспериментально подтверждена для различных условий резания линейная зависимость ''анального и прнработочного наносов от эксцесса распределения величины микротвердости.

Данные теоретические и экспериментальные результаты позволили разработать ускоренные методики, позволяющие:

- производить сравнение износостойкости режущих инструментов, изготовленных прк различных параметрах режимоо затачивания и из различных инструментальных материалов;

- прогнозировать стойкость режущих инструментов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Иа базе теории разрушения и изнашивания твердых тел обосновано и экспериментально подтверждено, что в основе изнашивания режущего инструмента лежат термоактнвационные явления. Время, скорость и вероятность разрушения элемента поверхности инструмента, и. следовательно, интенсивность изнашивания пропорциональны ЕХР(Ел/0), где Еа - энергия активации процесса изнашивания. 6 -абсолютная температура. Показано, что энергия активации может Сыть оценена по величине мощности резания РУ, действующей на изнашиваемую поверхность.

2. Приведенное к изнашиваемой поверхности отношение мощности резания к абсолютной температуре резания РУ/Э является обобщенным параметром, определяющим интенсивность изнашивания инструментов и другие характеристики изнашивания.

3. Обобщенный параметр является термодинамическим потенциалом системы, не зависящим от пути, по которому система попала в это состояние, и характеризует ее устойчивость. Состояние системы с минимальной величиной обобщенного параметра является наиболее устойчивым - в этом состоянии интенсивность изнашивания минимальна.

4. На базе большого экспериментального материала показано, что для различных видов режущих инструментов - резцов, Фрез, сверл, нетчиков - существует устойчивая корреляционная взаимосвязь между величиной обобщенного параметра РУ/О и характеристиками изнашивания. При толщинах срезаемого слоя меньше 0.05 мм обобщенный параметр может быть определен с использованием главной составляющей силы резания.

5. Установлено, что характеристики изнашивания режущих инструментов. такие как интенсивность О) и скорость (и) изнашивания. стойкость (Т), наработка до фиксированного износа (1Л, величина износа при данной наработке (¡1) и др. могут быть описаны при помощи обобщенного параметра (?У/в) посредством выражения типа:

1л1 и.ц.ТЛ.Ь) = А + В- (РУ/е).

Лалная закономерность положена в основу разработанных ускоренных методик оценки износостойкости режущих инструментов, позволяющих:

• - прогнозировать стойкость инструмента и величину износа;

- сравнивать износостойкости режущих инструментов, изготовленных из различных инструментальных материалов при точении одного конструкционного материала, а также сравнивать износостойкости инструментальных материалов при обработке различных конструкционных материалов;

- диагностировать состояние режущего инструмента.

6. Изменение величины обобщенного параметра от скорости резания имеет экстремальный характер и качественно совпадает с характером изменения интенсивности изнашивания от скорости, что положено в основу разработанного метода определения оптимальной скорости резания.

7. На основе анализа графа связей факторов, определяющих изнашивание режущего инструмента установлено, что микротвердость (твердость) поверхности режущего клина является фактором, оказывающим наибольшее влияние на процесс изнашивания. Износостойкость

режущих инструментов определяется характером распределения микротвердости на поверхности, при этом наиболее информативным параметром является эксцесс (четвертый момент) распределения величина микротвердости.

8. Износостойкость режущего инструмента линейно зависит от величины эксцесса распределения микротвердости, что положено в основу разработанных ускоренных методик оценки износостойкости инструментов, позволяющих:

- производить сравнение износостойкости режущих инструментов, изготовленных по различной технологии и изготовленных из различных инструментальных материалов;

- прогнозировать стойкость режущих инструментов.

Основное содеруданяе диссертационной работы нашло свое отражение в опубликованных работах:

1. Виноградов Д.В.. Древаль А.Е. Термофлуктуационн^й подход к изнашиванию режущего инструмента // Теплофизика технологических процессов: тезисы докладов VIII конференции / Под ред.В.©.Безъязычного. - Рыбинск.1992.- С.20-21.

2. Виноградов Д.В. Оценка качества быстрорежущего инструмента // Известия вузов. Машиностроение.- 1993.- 1110-12.- С. 121-125.

3. Прогнозирование износостойкости режущего инструмента на основа принципа Шарпи и разработка аппаратурного комплекса его реализации (направление 1): Отчет о НИР (заключ.) / МГТУ; Руководитель Л.Е.Древаль - N ГБ 3.3/93.- М.. 1993,- 103с.

4. Виноградов Д.В., Катаева Э.А. Оценка износостойкости быстрорежущих инструментов по параметрам распределешь. микротвердости // Извест! ; вузов. Машиностроение.- 1994,- N1-3.- С.95-101.