автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности использования инструментальных твердых сплавов на основе прогнозирования их режущих свойств

На правах рукописи

4855330

Хадиуллин Салават Хакимович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИХ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-6 ОКТ 2011

Рыбинск 2011

!Ь

4855330

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете (УГАТУ) на кафедре мехатронных станочных систем

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Постнов Владимир Валентинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Рыкунов Александр Николаевич

кандидат технических наук Сайкин Сергей Алексеевич

Ведущая организация ' ОАО «Институт Технологии и Организации-

Производства НИИТ», г. Уфа.

Защита диссертации состоится 19 октября 2011 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного Д 212.210.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева.

Автореферат разослан « »_

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук

Конюхов Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Технологическое освоение производства часто задерживается из-за несвоевременной разработки научно-обоснованных рекомендаций по выбору лучшей марки инструментального материала, особенно при изготовлении деталей из сталей и сплавов, обладающих повышенными прочностными, пластическими, жаропрочными и антикоррозионными свойствами.

В последнее время для описания физико-механических свойств инструментальных материалов и механики фрикционных контактных процессов, поиска способов повышения работоспособности режущего инструмента используются методы синергетики и неравновесной термодинамики, как теории самоорганизации систем, далеких от термодинамического равновесия.

Несмотря на значительную общность термодинамического подхода к! оценке трения, разрушения и изнашивания, полученные отечественными и зарубежными учеными зависимости, описывающие процессы контактного взаимодействия и изнашивания инструмента, не содержат показателей структурно-фазового состава и физико-механических свойств контактирующих материалов, не учитывают особенностей динамики протекания и взаимосвязи термомеханических и триботехнических процессов в приконтактных слоях изнашиваемого материала, включают ряд параметров, которые не могут быть определены экспериментально или расчетным путем.

Приведенные данные свидетельствуют о необходимости поиска надежных расчетно-экспериментальных методов выбора рациональной марки инструментального материала, основанных на использовании термодинамических критериев, устанавливающих количественную взаимосвязь между интенсивностью износа, физико-механическими характеристиками инструментального и обрабатываемого материалов и основными параметрами их контактного взаимодействия с учетом усталостных изменений в приконтактном слое режущего инструмента.

Актуальность решаемой задачи подтверждена выполнением ее в рамках плановых НИР УГАТУ и по гранту РФФИ 08-0897043-р.

Цель работы: Повышение эффективности выбора рациональных марок инструментальных твердых сплавов на основе прогнозирования их режущих свойств по критериям формоустойчивости при изнашивании.

Для достижения установленной цели в диссертационной работе были

поставлены следующие задачи:

1. Разработать математические зависимости для расчетного определения показателей режущей способности инструментальных материалов на основе термодинамического описания формоизменений приконтактных слоев инструментального материала. Предложить термодинамический критерий для количественной оценки режущей способности инструментального материала.

2. Провести комплексные исследования влияния марки инструментального и обрабатываемого материалов на основные показатели режущей способности инструментальных материалов, динамику разупрочнения инструментального материала и процессы локализации пластической деформации режущего клина, микроструктурный и структурно-фазовый состав приконтактных слоев инструментального и обрабатываемого материалов.

3. Выполнить анализ влияния химического состава, физико-механических характеристик инструментального и обрабатываемого материалов, основных параметров их контактного взаимодействия на критерий учитывающий процессы накопления повреждаемости и износостойкость режущего инструмента.

4. Разработать комплексные расчетно-экспериментальные методы ускоренного выбора оптимальной марки инструментального материала основанные на использовании термодинамических критериев оценки и* режущей способности. Разработать методический, информационный и аппаратный программный комплекс для расчетно-экспериментального определения рациональной марки инструментальных материалов

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории резания металлов, термодинамики неравновесных процессов, теплофизики технологических процессов, теории пластической деформации металлов, теории подобия, теории износа и молекулярно-механической теории трения.

В экспериментальных исследованиях использованы как стандартные или известные методики проведения стойкостных и температурных экспериментов, изучения микроструктуры и химического состава зоны контакта поверхностей режущего инструмента так и специально разработанные методы и установки для определения прочностных и термоэлектрических характеристик фрикционного контакта инструмента с заготовкой, методики оценки изменения физико-механических параметров режущего инструмента в процессе изнашивания.

Применялась вычислительная техника с использованием стандартных и специальных программ обработки результатов экспериментов, расчета термодинамических зависимостей и критериев.

Достоверность положений и выводов исследований подтверждалась проверкой адекватности полученных зависимостей в реальном процессе резания и результатами производственных испытаний.

Научная новизна работы:

- Разработана термодинамическая модель оценки формоустойчивости инструментальных материалов в процессе лезвийной обработки и предложен параметр удельной энергии изнашивания, устанавливающий количественную взаимосвязь между интенсивностью износа, физико-механическими характеристиками обрабатываемого и инструментального материалов и основными параметрами их контактного взаимодействия с учетом усталостных изменений в приконтактных слоях режущего инструмента;

- Установлено, что при увеличении скорости резания уровень начального значения параметра удельной энергии изнашивания снижается. С ростом фаски износа происходит разупрочнение ИМ в приконтактных объемах, температура в зоне контакта изменяется, что приводит к изменению действующих удельных нагрузок и монотонному снижению параметра удельной энергии изнашивания режущего инструмента, при этом интенсивность его снижения для всех скоростей резания различна.

- Получены зависимости между интенсивностью износа инструмента и параметром удельной энергии изнашивания инструментального материала, соответствующие значениям оптимальной температуры резания, позволяющие определить рациональную марку существующего твердого сплава или сформулировать требования к созданию нового инструментального материала.

Практическая ценность от реализации результатов работы.

• На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований:

- предложены инженерные методики и новые способы ускоренного определения рациональных марок инструментального материала, позволяющие решать задачи сокращения сроков и трудоемкости технологической подготовки производства при построении операций обработки деталей из труднообрабатываемых материалов;

- разработан методический, информационный и аппаратно-программный комплекс для расчетно-эксперименталыюго определения рациональной марки инструментальных материалов.

Достоверность результатов. Обоснованность результатов диссертационной работы основывается на использовании признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, корректного применения методов математической статистики и системного анализа.

Достоверность полученных научных результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований, проведенных для различных групп обрабатываемых и инструментальных материалов.

Апробация работы. Научные и практические результаты по различным разделам диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Современные организационные, технологические и конструкторские методы управления качеством» (Пермь, 2006); на второй региональной зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Интеллектуальные системы обработки информации и управления» (Уфа, 2007); на всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2008); на всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009); на научно-практической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении» (Ишимбай, 2009); на всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Методы повышения технологических возможностей металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ» (Уфа, 2010).

Результаты работы внедрены на Ишимбайском машиностроительном заводе (ОАО «ИМЗ»), в специальном конструкторском бюро (СКБ «Витязь»), в Научно-исследовательском институте технологии и организации производства двигателей (ОАО НИИТ).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы, содержит 144 страницы машинописного текста, 111 наименований использованной литературы, 46 рисунков, 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показано ее содержание, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит анализ теоретических и экспериментальных работ в области износа режущего инструмента и методик выбора оптимальных марок инструментального материала.

Установлено что, на сегодняшний день существует большое количество отечественных и зарубежных производителей инструментальных твердых сплавов. Однако, не смотря на широкую номенклатуру инструментальных материалов, нет данных по применению рациональных марок твердого сплава для обработки конкретных марок труднообрабатываемых жаропрочных сплавов, а все способы выбора марки твердого сплава носят рекомендательный характер для всей группы обрабатываемости.

Значительный вклад в развитие теории износа режущих инструментов внесли работы ученых. A.A. Авакова, В.Ф. Боброва, A.M. Даниеляна, H.H. Зоре-ва, Н.Ф. Казакова, Т.Н. Лоладзе, А.Д. Макарова, В.А. Остафьева, В.Н. Подурае-ва, А.Н. Резникова, A.M. Розенберга, С.С. Силина, В.Ф. Безъязычного, В.А. Козлова, В.К. Старкова, и других.

К работам, не имеющим прямого отношения к резанию металлов, но необходимым для разработки теории износа режущего инструмента, следует отнести работы B.C. Ивановой, Л.М. Качанова, И.В. Крагельского, А.П. Семенова и других.

Проведенный литературный анализ позволил установить что, несмотря на значительное количество опубликованных работ, разработанных нормативов на механическую обработку жаропрочных материалов (НИАТ, ЦНИИТМАШ и др.), производственники оказываются в затруднительном положении при появлении новых инструментальных и обрабатываемых материалов. Отсутствие научно обоснованных рекомендаций по выбору инструментального материала и режимов резания новых жаропрочных материалов резко затягивает сроки их освоения. Очевидно, для сокращения этих сроков необходимы новые, ускоренные методы решения подобных задач.

Энергетический подход к вопросам обрабатываемости резанием и изнашивания инструмента в процессе обработки эффективно реализуется методами

теории подобия. Однако традиционные критерии подобия не учитывают динамику изменения термомеханических и триботехнических процессов в зоне обработки и приконтактных слоях инструмента по мере его изнашивания.

Использование методов синергетики и неравновесной термодинамики для описания процессов деформации, изнашивании, модификации физико-механических свойств материалов ограничено тем, что:

- не разработаны модели для оценки формоустойчивости при изнашивании режущего инструмента с учетом усталостных изменений в приконтактных слоях инструментального материала и наличием износостойких покрытий на инструменте;

- отсутствуют комплексные исследования влияния структурно-фазового и химического состава инструментального и обрабатываемого материалов на термодинамическую нагруженность зоны контакта инструмента с заготовкой, микроструктурный и структурно-фазовый состав приконтактных слоев инструментального и обрабатываемого материалов;

- отсутствуют методы расчетно-экспериментального определения рациональной марки инструментальных материалов с учетом динамики изменения термомеханических и триботехнических процессов в зоне обработке и приконтактных слоях инструмента по мере его изнашивания.

На основании проведенного анализа дано обоснование необходимости настоящего исследования, определено его основное направление, цель и задачи.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований по разработке термодинамических критериев оценки режущей способности инструментальных материалов, устанавливающие количественную взаимосвязь между интенсивностью износа, физико-механическими характеристиками инструментального и обрабатываемого материалов и основными параметрами их контактного взаимодействия.

Состояние инструментального материала в зоне контакта с деталью как самоорганизующейся термодинамической системы, при переменных во времени т условиях нагружения, было описано с помощью диссипативной функции представляющей скорость изменения энергии, затрачиваемой на

процесс образования единичной частицы износа, отнесенной к единице фактической площади Аг контакта.

Для получения диссипативной функции формоизменения инструментального материала при его изнашивании использована модель сложнонапряжен-ного состояния граничного слоя конечной толщины К для случая произвольного распределения внешней нормальной рг и касательной т„ удельных нагрузок

А, ¿т

' А. ¿г

'-и,, (1)

4 Е

где Аг - фактическая площадь контактной поверхности; У<1 - деформированный объем; ц и Е- коэффициент Пуассона и модуль упругости инструментального

материала; а =

1+г

сдвиги в объеме деформируемого слоя; о-.

- напряжение, обеспечивающее локальные

-■Рг

гидростатическое

давление, обеспечивающее дополнительные сдвиги; I!Р - энергия формоизменения деформируемого слоя инструмента; ат - удельная поверхностная энергия; ов - предел выносливости инструментального материала; с!0 - средняя ширина (диаметр) частицы износа; /г0 - толщина единичной частицы износа; рг - нормальное удельное давление; т - время; г — коэффициент асимметрии цикла изменения силы резания при высокочастотных вибрациях.

Для определения внутренних разрушающих напряжений а^ и стш решена контактная задача теории пластичности для сложно-напряженного состояния фрагмента износа, с учетом статистического подхода к определению усталостной прочности изнашиваемого материала при нестационарном тепловом режиме нагружения, реализованного в работах Г. С. Писаренко и А. А. Лебедева, которая позволила рассчитать скорость объемного износа по известной взаимосвязи между деформированным и изношенным объемами У^ =КА-ДГЦ, определив число воздействий А^, приводящих к отделению частицы износа.

С учетом нестационарного теплового режима изнашивания инструментального материала; его усталостного характера; того факта, что критическое напряжение разрушения твердых сплавов определяется в основном энергией пластической деформации кобальтовой прослойки; существования условия перехода микротрещины от ее зарождения к росту при определенном критическом отношении икр предельных касательных и нормальных напряжений на границе образующегося фрагмента износа, была получена расчетная зависимость для критической энергии формоизменения

3(1 +М)

1+т 1 -г

1-

+ а„- 0,15^0,25^+ г;

(2)

где а =

• р2 + 0,15-^0,25р] + т] - номинальное значение внутреннего

ло;

напряжения; Е, ц - модуль упругости и коэффициент Пуассона инструментального материала, соответственно; ов - предел прочности инструментального материала; г - коэффициент асимметрии цикла изменения силы резания при высокочастотных вибрациях; г„,рг - удельные касательные и нормальные напряжения, действующие на локальном пятне контакта инструментального и обрабатываемого материалов; ов - предел выносливости инструментального ма-

териала; с!й - средняя ширина (диаметр) частицы износа; ка - толщина единичной частицы износа.

С учетом определяющей роли адгезионного взаимодействия в усталостном износе режущего инструмента в расчетах энергии формоизменения в дальнейшем в качестве удельных нагрузок использовались тангенциальная прочность адгезионной связи т„ и нормальная удельная нагрузка на пластически насыщенном упругом адгезионном контакте рг, экспериментально определенные при различных температурах контакта.

Экспериментально определив температурные зависимости т„ и рг и рассчитав^, получили значения стт, «ср, Ь0 / с!а, входящие в уравнение (2) для определения предельной (критической) энергии формообразования

Приняв, что поверхностный слой толщиной /г0 в среднем разрушается за т = (ст0/а.п)'Г циклов, а количество таких слоев в пределах ширины 6, зоны контакта равно выражение для диссипативной функции формоизменения инструментального материала при его объемном износе было записано в виде

Ф. 1

b,-K dz

0,414¿,2 • h\

2(ctga - tgу)2 ■ К ■ d0

\

<у„

(3)

где с0 и (г - постоянные, определяемые свойствами изнашиваемого материала с учетом особенностей сложно-напряженного состояния деформируемого объема; А3 - износ по задней поверхности резца; у, а - передний и задний углы резца.

Приняв в качестве переменной размер фаски износа А3, после дифференцирования получено аналитическое выражение для расчета термодинамического параметра удельной энергии изнашивания инструментального материала, представляющего собой удельную энергию формоизменения поверхностного слоя инструмента под действием термомеханических нагрузок, отнесенного к единице интенсивности размерного износа.

У'

(4)

Р0= 0,6213-^

K'do

В выражении (4) в качестве ст0 был выбран предел прочности инструментального материала при сжатии, а показатель фрикционной усталости tr - на основе критерия, предложенного A.A. Лебедевым для условий широкого изменения напряженного состояния под действием силовых нагрузок с учетом температуры нагрева материала и времени действия температурно-силовых факторов.

В третьей главе рассмотрены общие методологические вопросы и обоснован выбор обрабатываемых и инструментальных материалов, а также соответствующих методов исследований.

Для исследований были выбраны характерные представители труднообрабатываемых конструкционных материалов, применяемых в авиастроении,

энергомашиностроении и производстве специзделий, обладающие существенно различным химическим и структурно-фазовым составом, физико-механическими свойствами, а также уровнем относительной обрабатываемости резанием: обыкновенная коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т, теплостойкая хромоникелевая сталь мартенситного класса 13Х12Н2ВМФШ, жаропрочный деформируемый сплав на железоникелевой основе ХН35ВТЮВД, жаропрочный деформируемые сплавы на никелевой основе ХН73МБТЮ, двухфазный титановый сплав ВТЗ-1.

В качестве инструментальных материалов для исследований были выбраны представители трех основных групп твердых сплавов (ВК, ТК, ТТК): ВК4, ВК6, Н13А (Sandvik Coromant, Швеция), ВК8, ВКЮОМ, Т15К6, ТТ8К6, а также твердый сплав S05F с CVD покрытием TiCAlOTiN (Sandvik Coromant, Швеция), различных как по химическому составу, так и по физико-механическим и эксплуатационным свойствам.

Приведены данные по химическому составу, термообработке и физико-механическим свойствам исследуемых сталей и сплавов.

Для исследования взаимосвязи интенсивности износа инструмента с параметрами его контактного взаимодействия с обрабатываемым материалом были использованы:

- методика температурных исследований и тарирования естественных термопар «деталь-резец»

- методики и аппаратура для оценки физико-механических свойств фрикционного контакта при высоких температурах

- методики и оборудование для исследования исследование динамики разупрочнения приконтактных объемов инструмента

- методики и аппаратура для исследования структурно-фазового состава приконтактных слоев инструментального и обрабатываемого материалов

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований закономерностей процесса износа режущего инструмента, параметров фрикционного взаимодействия инструмента с деталью, контактных процессов на поверхностях режущего инструмента и структурно-фазового состава приконтактных слоев инструментального и обрабатываемого материалов

В результате исследования влияний скорости (температуры) резания, свойств обрабатываемого материала на основные показатели, определяющие режущую способность инструментальных материалов (рис. 1) установлено, что с увеличением скорости резания типичная зависимость интенсивности износа проходит через минимум при оптимальной скорости (температуре) резания, с увеличением температуры прочность адгезионных связей немонотонно снижается.

ЭН698

рг, МПэ 1800 16» ИХ 1200 1000

V, М/tN

-

-G-B К4

-Оекб -Ó-6KÍ -о-шоом -»-TISKÍ ТТ8К6 —1—

1000 1050 1100 liso

0,630,62 0,61 0,60 0,59

1000 90D

600 500 400

> т..

р

J

"ч

-г- и

P.xlO',

Рис 1 Влияние скорости и температуры резания на интенсивность износа и параметры адгезионных связей при точении сталей ХН73МБТЮ и ХН35ВТЮВД резцами из различных инструментальных материалов

Анализ влияния химического состава инструментального материала на параметры, определяющие критическую энергию формообразования, позволили установить, что снижение доли кобальтовой фазы в твердом сплаве оказывает неоднозначное влияние на характеристики, обеспечивающее локальные и дополнительные сдвиги в объеме деформируемого слоя, на уровень оптимальных температур резания.

Установлено (рис. 2), что с увеличением температуры резания вследствие снижения упругих и прочностных характеристик инструментального материала определяющих величину критического напряжения и снижения его усталостной контактной прочности характерная зависимость отношения толщины единичной частицы износа к ее длин-новому размеру проходит через минимум, при превышении оптимальной температуры это соотношение резко увеличивается. Это происходит вследствие опережающего роста толщины единичной частицы износа по сравнению с ее длинновым размером, что подтверждается данными исследования структурно-фазового состава фаски износа.

D,5 0,4 0,3

К

9,6 9,4 9,2 9,0

ГЮ

1070 ©,К

Рис.2. Влияние температуры контакта на параметры, определяющие критическую энергию формообразования инструментального материала ВК8 при обработке сплава ХН73МБТЮ

Исследования распределения микротвердости в приконтактных объемах инструмента по мере его изнашивания позволили установить, что оптимальной, с точки зрения износостойкости инструмента, скорости (температуре) резания соответствует наименьшая интенсивность разупрочнения опасного сечения режущего клина.

В пятой главе рассмотрен комплексный расчетно-экспериментальный метод оценки обрабатываемости резанием, определены температурные и временные зависимости параметров оценки режущей способности инструментальных материалов.

Анализ полученных зависимостей (рис.3) параметра удельной энергии изнашивания инструментального материала от температуры резания 'для различных сочетаний инструментальных и обрабатываемых материалов показал, что при повышении температуры резания режущая способность инструмента изменяется вначале незначительно, затем, в зоне температур выше оптимальных происходит резкое его снижение.

Сопоставление интенсивности износа инструмента с параметром удельной энергии изнашивания (рис. 3), показало, что минимум интенсивности износа соответствует максимуму параметра удельной энергии изнашивания инструментального материала.

),Нм"'с

1X10«

1*1СС*

Рис.4. Изменение параметра удельной энергии изнашивания режущего инструмента марки ВК6 от времени контактирования при работе на различных скоростях резания

Рис.3. Зависимости интенсивности износа инструмента и параметра удельной энергии изнашивания инструмента от температуры контакта при обработке различных обрабатываемых материалов твердым сплавом ВК8 Анализ зависимости (рис. 4) параметра удельной энергии изнашивания инструментального материала от времени контактирования показал, что уровень начального значения параметра удельной энергии изнашивания и скорость его снижения по мере затупления режущего инструмента зависит от скорости резания. Установлено, что минимуму интенсивности

снижения параметра удельной энергии изнашивания инструментального материала наблюдается на оптимальной скорости резания, обеспечивающей наибольшую размерную стойкость инструмента.

Аналогичные результаты получены для параметра удельной энергии изнашивания при обработке другими марками инструментальных материалов. Сравнение с экспериментальными данными показало достаточную сходимость результатов, что говорит о правильности выбора расчетной модели.

В результате сопоставления характеристик размерной стойкости и энергетической нагруженности получены зависимости интенсивности износа режущего инструмента от параметра удельной энергии изнашивания, соответствующие оптимальным температурам резания для каждого сочетания инструментального и обрабатываемого материалов (рис. 5). Из данных зависимостей следует, что существует оптимальное значение параметра удельной энергии изнашивания Инструментального материала, обеспечивающее минймум интенсивности износа инструмента. Увеличение параметра удельной энергии изнашивания выше его оптимального значения приводит к снижению размерной стойкости инструмента вследствие возрастания относительного размера частиц износа, облегчения процесса развития усталостных микротрещин и их локализации в больших объемах приконтактных слоев режущего инструмента.

Полученные за- ЗьхЮ'7 кономерности позволяют ускоренно определить оптимальный инструментальный материал по параметру максимальной режущей способности при оптимальной для данного сочетания инструментального и обрабатываемого материалов температуре резания. Метод может быть использован при выборе оптимального инструментального материала как для существующих, так и для вновь создаваемых обрабатываемых материалов, а оптимальное значение параметра удельной энергии изнашивания использовано при создании новых инструментальных материалов.

На основании установленных закономерностей, связывающих интенсивность износа режущего инструмента с параметра удельной энергии износостойкости разработана комплексная методика прогнозирования режущей способности и выбора марки инструментального материала, которая позволяет

-

8К4

Т15К6 —

ВКб\ 1 чн 13А

-----Нк 6К8 \ 1 05 е Т8> №

ВК1 Х)М

1хЮ+ю 1х10+п ¡хЮ^/ЫВи'с1

Рис.5. Зависимость интенсивности износа режущего инструмента от параметра удельной энергии изнашивания инструментального материала, соответствующая оптимальным режимам резания при обработке сплава марки ХН73МБТЮ

просчитать параметр и по предварительно полученным закономерностям определить степень его оптимальности для обработки того или иного конструкционного материала.

На основании данной методики разработан аппаратно-программно-мстодический комплекс (АМПК) для повышения эффективности выбора марки инструментального материала по термодинамическим критериям его формо-устойчивости.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработанные математические зависимости для расчетного определения показателей режущей способности инструментальных материалов позволили обосновать параметр для количественной оценки удельной энергии изнашивания инструментальных материалов учитывающий влияние температурно-временного фактора на интенсивность разупрочнения приконтактных слоев инструментального материала и ослабления привершинной части режущего инструмента в зоне локализации пластической деформации.

2. Установлено, что оптимальной, с точки зрения износостойкости инструмента, скорости (температуре) резания соответствует наименьшее разупрочнение зоны пластического течения инструмента по критериям относительного снижения его микротвердости и интенсивности ослабления опасного сечения режущего клина в зоне локализации пластической деформации.

3. Установлено, что с увеличением скорости (температуры) резания выше оптимальных изменяется структурно-фазовый состав приконтактных слоев инструментального и обрабатываемого материалов; дискретный характер контактирования инструментального и обрабатываемого материалов становится непрерывным вследствие снижения упругих и прочностных характеристик обрабатываемого материала приводящего к снижению усталостной контактной прочности ИМ, в результате этого происходит увеличение размеров единичной частицы износа.

4. Установлено, что с повышением температуры контакта удельная энергия изнашивания инструментального материала понижается, причем в определенных температурно-скоростных условиях материал детали, имеющий более высокие прочностные свойства и меньшую пластичность, обеспечивает больший уровень удельной энергии формоизменения приконтакгного слоя инструментального материала, препятствуя зарождению и росту усталостных трещин в его контактном слое.

5. Установлено, что существует наиболее оптимальная марка инструментального материала, которая при обработке данного обрабатываемого материала имеет некое критическое значение удельной энергии изнашивания, обеспечивающего минимум интенсивности износа инструмента. Увеличение параметра удельной энергии изнашивания выше его оптимального значения приводит к снижению размерной стойкости инструмента вследствие возрастания относительного размера частиц износа, облегчения процесса развития усталостных микротрещин и их локализации в больших объемах приконтактных слоев режущего инструмента.

6. Разработан комплексный расчетно-экспериментальный метод выбора марок инструментального материала, основанный на использовании термодинамических параметров оценки их формоустойчивости при изнашивании, учитывающих влияние временного фактора и интенсивности ослабления опасного сечения режущего клина в зоне локализации пластической деформации. Показано, что себестоимость выбора рациональной марки ИМ по предлагаемому методу уменьшится от 10-15 раз по сравнению с традиционными методами.

Основные положения диссертации отражены в 12 опубликованных работах, среди них:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Постнов, В.В. Анализ влияния изменения микротвердости режущего инструмента на его изнашивание [Текст] / В.В. Постнов, И.Г. Каримов, С.Х. Хадиуллин. // Ежемесячный научно-технический журнал "СТИН". - 2007, -№10 - С.34-37.

2. Постнов, В.В. Термодинамический критерий оценки режущей способности инструментальных материалов [Текст] / В.В. Постнов, С.Х. Хадиуллин. // Научный журнал Уфимского государственного авиационного технического университета «ВЕСТНИК УГАТУ». Т.9 Уфа - 2007, - №6(24) - С. 162169.

S. Хадиуллин, С.Х. Микроструктурные исследования изнашиваемых поверхностей твердосплавного инструмента [Текст] У С.Х. Хадиуллин // Ежемесячный научно-технический журнал "СТИН". -2008,-№3 - С. 12-15.

4. Постнов, В.В. Исследование влияния интенсивности автоколебаний на формоустойчивость режущей кромки твердосплавного инструмента. [Текст] / Постнов В.В., Хадиуллин С.Х., Шафиков A.A., Федоровцев А.Ю. // Вестник УГАТУ, т. 14.-2010,-№1 (36). — С.43-50.

В других изданиях:

5. Хадиуллин, С.Х. Оценка напряженного состояния приконтактного слоя режущего инструмента [Текст] / С.Х. Хадиуллин, И.Г Каримов. // Сб. науч. трудов «Механика процессов деформирования и разрушения вязкоупругопла-стических тел». Уфа: Изд. Уфимского гос. авиац. техн. ун-та. - 2006. - С.103-108.

6. Хадиуллин, С.Х. Механика процесса деформации срезаемого слоя при нестационарном резании жаропрочных сталей и сплавов [Текст] / С.Х. Хадиуллин // Сб. науч. трудов «Современные организационные, технологические и конструкторские методы управления качеством». Пермь: Изд. Пермского гос.

техн. ун-та. - 2006. - С.24-27.

7. Хадиуллин, С.Х. Обоснование способа управления оптимальным режимом резания при точении конструкционных материалов [Текст] / С.Х. Хадиуллин // Сб. статей 2-ой региональной зимней школы - семинара аспирантов и молодых ученных «Интеллектуальные системы обработки информации и управления». Изд. "Технология" - 2007. - С.263-265.

8. Юрьев, B.JI. Методы повышения работоспособности режущего инструмента при нестационарном резании [Текст] / В.Л. Юрьев, P.P. Латыпов, В.В.

Постнов, С.Х. Хадиуллин // Научный журнал Рыбинской государственной . авиационной технической академии «ВЕСТНИК РГАТА». - 2007, - №1(11) -С.318-321.

9. Каримов, И.Г. Теплофизический анализ процесса нестационарного резания [Текст] / И.Г. Каримов, Е.А. Шарапов, С.Х. Хадиуллин // Научный журнал Рыбинской государственной авиационной технической академии «ВЕСТНИК РГАТА». - 2007, -№1(11) - С.273-275.

Ю.Хадиуллин, С.Х. Исследование влияния температуры резания и марки обрабатываемого материала на режущую способность инструментальных материалов [Текст] / С.Х. Хадиуллин // Сб. науч. трудов всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения». Том 2 Уфа: Изд. Уфимского гос. авиац. техн. ун-та. - 2008. - С.114-116.

11.Постнов, В.В. Метод оценки эффективности эксплуатации твердосплавного инструмента [Текст] / В.В. Постнов, С.Х. Хадиуллин // Сб. науч. трудов научно-практической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении». Ишимбай: Изд. Уфимского гос. авиац. техн. ун-та. - 2009. - С.27-29.

12.Постнов, В.В. Учет влияния вибраций на термодинамический критерий износостойкости режущего инструмента в процессе лезвийной обработки [Текст] / В.В. Постнов, С.Х. Хадиуллин, A.A. Шафиков // Сб. науч. трудов. Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» Том 1. - 2009. -С.60-64.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 15.09.2011. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. 1. Тираж 100. Заказ 75.

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьева

(РГАТА имени П. А. Соловьева)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТА имени П. А. Соловьева

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Глава I. Анализ теоретических и экспериментальных исследований в области изнашивания режущего инструмента.\.

1.1 Характеристики обрабатываемости материалов резанием.

1.2 Современные инструментальные материалы, используемые при обработке труднообрабатываемых сталей и сплавов.

1.3 Анализ применяемых методов выбора лучшей марки инструментального материала.

1.4 Анализ критериев оценки режущей способности инструментальных материалов, основные положения теории трения и износа.

1.5 Модели оценки износостойкости (износа) режущего инструмента.

1.6 Термодинамические принципы оценки режущей способности инструментального материала.

Выводы. Задачи исследования.

Глава II. Теоретическое обоснование термодинамических параметров оценки режущей способности инструмента.

2.1 Общие представления о термодинамической природе разрушения и износе инструмента.

2.2 Анализ напряженно деформированного состояния поверхностного слоя инструмента в зоне локального контакта с обрабатываемым материалом.

2.3 Термодинамическая модель формоизменения инструментального материала при его изнашивании.

2.4 Термодинамический параметр оценки формоустойчивости инструментального материала.

Глава III. Методики исследований, обрабатываемый и инструментальный материалы, оборудование, аппаратура.

3.1 Обоснование и выбор материалов для исследований.

3.2 Оборудование, основная аппаратура и методики для экспериментальных исследований.

Глава IV. Исследование показателей, определяющих режущие свойства инструментальных твердых сплавов при обработке труднообрабатываемых материалов.

4.1 Исследования влияния свойств обрабатываемого материала на основные показатели режущей способности инструментальных материалов.

4.2 Исследования условий локализации пластической деформации на приповерхностных слоях режущего инструмента.

4.3 Исследования структурно-фазового состава приконтактных слоев инструментального и обрабатываемого материалов.

Глава V. Оценка режущей способности и выбор оптимальной марки инструментального материала по термодинамическим критериям.

5.1 Анализ влияния температуры резания и марки обрабатываемого материала на величину удельной энергии изнашивания режущего инструмента.

5.2 Ускоренные методы оценки режущей способности и выбора марки инструментального материала.

5.2.1 Способ ускоренного определения оптимальной температуры (скорости) резания по критерию интенсивности ослабления опасного сечения режущего клина.

5.2.2 Способ ускоренного выбора оптимальной марки инструментального материала.

5.3 Комплексная методика прогнозирования режущей способности и выбора марки инструментального.материала.

Актуальность работы. Технологическое освоение производства часто задерживается из-за несвоевременной разработки научно-обоснованных рекомендаций по выбору . лучшей марки инструментального материала;. особенно при изготовлении деталей из, сталей и сплавов^ обладающих повышенными прочностными, пластическими, жаропрочными? и антикоррозионными свойствами. Задачу правильного выбора рациональных марок инструментальных материалов, невозможно решить без научного прогнозирования их поведения в условиях тренши при резании, изучения механотфизико-химических процессов в контактной зоне,, разработки аналитических методов расчета показателей износостойкости.

В последнее время для описания физико-механических свойств; инструментальных материалов и механики фрикционных, контактных процессов' поиска способов' повышения' работоспособности режущего1 инструмента используются- методы; синергетики; и неравновесной; термодинамики, как теории, самоорганизации» систем; далеких от термодинамического равновесия. 1 . Несмотря? на значительную общность термодинамического подхода к оценке трения, разрушения и изнашивания; полученные- отечественными и зарубежными; учеными, зависимости; описывающие: процессы^ контактного взаимодействия и изнашивания; инструмента, не учитывают особенностей динамики протекания и взаимосвязи^ термомеханических; и триботехнических процессов в приконтактных слоях изнашиваемого, материала, включают ряд параметров, которые не могут быть определены! экспериментально или расчетным путем, не содержат показателей структурно-фазового; состава и физико-механических свойств контактирующих материалов.

Приведенные данные свидетельствуют о необходимости поиска надежных расчетно-экспериментальных методов выбора рациональной марки инструментального материала, основанных на использовании термодинамических критериев, устанавливающих количественную взаимосвязь между интенсивностью износа, физико-механическими характеристиками инструментального ^ и обрабатываемого материалов и основными параметрами их контактного взаимодействия с учетом усталостных изменений в приконтактном слое режущего инструмента.

Актуальность решаемой задачи подтверждена выполнением ее в рамках плановых НИР УГАТУ и по гранту АН РБ РФФИ 08-0897043-р.

Цель работы: Повышение эффективности выбора рациональных марок инструментальных твердых сплавов на основе прогнозирования их режущих свойств по критериям формоустойчивости при изнашивании.

Для достижения установленной цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать математические зависимости для расчетного1 определения показателей режущей способности'инструментальных материалов^ на. основе' термодинамического описания формоизменений приконтактных слоев инструментального1 материала. Предложить» термодинамический -критерий^ для количественной оценки режущей способности инструментального материала.

2. Провести комплексные исследования влияния- марки инструментального и обрабатываемого материалов, на основные показатели режущей способности инструментальных материалов; динамику разупрочнения инструментального материала и процессы, локализации1 пластической деформации режущего клина, микроструктурный и структурно-фазовый состав приконтактных слоев инструментального и обрабатываемого материалов.

3. • Выполнить анализ влияния химического состава, физико-механических характеристик инструментального и обрабатываемого материалов, основных параметров их контактного взаимодействия на критерий учитывающий процессы накопления повреждаемости и износостойкость режущего инструмента.

4. Разработать комплексные расчетно-экспериментальные методы ускоренного выбора оптимальной марки инструментального материала основанные на использовании термодинамических критериев оценки их режущей способности. Разработать методический, информационный и аппаратный программный комплекс для расчетно-экспериментального определения рациональной марки инструментальных материалов

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории резания металлов, термодинамики неравновесных процессов, теплофизики технологических процессов, теории пластической деформации металлов, теории подобия, теории износа и молекулярно-механической теории трения.

В экспериментальных исследованиях использованы как стандартные или известные методики проведения стойкостных и температурных экспериментов, изучения микроструктуры и химического состава зоны контакта поверхностей режущего инструмента так и специально разработанные методы и установки для определения прочностных и термоэлектрических характеристик фрикционного контакта инструмента с заготовкой; методики оценки изменения физико-механических параметров режущего инструмента в процессе изнашивания.

Применялась вычислительная техника с использованием стандартных и специальных программ обработки результатов экспериментов, расчета термодинамических зависимостей и критериев.

Достоверность положений и выводов исследований подтверждалась проверкой адекватности полученных зависимостей в реальном процессе резания и результатами производственных испытаний.

Научная новизна работы: - Разработана термодинамическая модель оценки формоустойчивости инструментальных материалов в процессе лезвийной обработки и предложен параметр удельной энергии изнашивания, устанавливающий количественную взаимосвязь между интенсивностью износа, физико-механическими характеристиками обрабатываемого и инструментального материалов и основными параметрами их контактного взаимодействия с учетом усталостных изменений в приконтактных слоях режущего инструмента;

- Установлено, что при увеличении скорости резания уровень начального значения параметра удельной энергии изнашивания снижается. С ростом фаски износа происходит разупрочнение ИМ в приконтактных объемах, температура в зоне контакта изменяется, что приводит к изменению действующих удельных нагрузок и монотонному снижению параметра удельной энергии изнашивания режущего инструмента, при этом интенсивность его снижения для всех скоростей резания различна.

- Получены зависимости между интенсивностью износа инструмента и параметром удельной энергии изнашивания инструментального материала, соответствующие значениям оптимальной температуры резания, позволяющие определить рациональную марку существующего твердого сплава или сформулировать требования к созданию нового инструментального материала.

Практическая ценность от реализации результатов работы

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований:

- предложены инженерные методики и новые способы ускоренного определения рациональных марок инструментального материала, позволяющие решать задачи сокращения сроков и трудоемкости технологической подготовки производства при построении операций обработки деталей из труднообрабатываемых материалов;

- разработан методический, информационный и аппаратно-программный комплекс для расчетно-экспериментального определения рациональной марки инструментального материала.

Достоверность результатов. Обоснованность результатов диссертационной работы основывается на использовании признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, корректного применения методов математической статистики и системного анализа.

Достоверность полученных научных результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований, проведенных для различных групп обрабатываемых и инструментальных материалов. ,

Апробация работы. Научные и практические результаты по различным разделам диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Современные организационные, технологические и конструкторские методы управления качеством» (Пермь, 2006); на второй региональной зимней . школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Интеллектуальные системы обработки информации и управления» (Уфа, . 2007); на всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2008); на всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности? механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009); на научно-практической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении» (Ишимбай, . 2009);: на всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Методы, повышения; технологических возможностей металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ» (Уфа, 2010).

Результаты работы внедрены на. Ишимбайском машиностроительном заводе (ОАО «ИМЗ»), в специальном конструкторском бюро (СКБ «Витязь»), в Научно-исследовательском институте технологии и организации производства двигателей (ОАО НИИТ).

Публикации; По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендуемых ВАК:

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы, содержит 143 страниц машинописного текста, 111 наименований использованной литературы, 46 рисунков, 7 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработанные математические зависимости для расчетного определения показателей режущей способности инструментальных материалов позволили обосновать параметр для количественной оценки удельной энергии изнашивания инструментальных материалов учитывающий влияние темпера-турно-временного фактора на интенсивность разупрочнения приконтактных слоев инструментального материала и ослабления привершинной части режущего инструмента в зоне локализации пластической деформации.

2. Установлено, что оптимальной, с точки зрения износостойкости инструмента, скорости (температуре) резания соответствует наименьшее разупрочнение зоны пластического течения инструмента по критериям относительного снижения его микротвердости и интенсивности ослабления опасного сечения режущего клина в зоне локализации пластической деформации. 3; Установлено, что с увеличением скорости:(температуры) резания выше оптимальных изменяется структурно-фазовый состав приконтактных слоев инструментального и обрабатываемого материалов; дискретный характер контактирования; инструментального; и обрабатываемого материалов' становится; непрерывным вследствие снижения упругих и прочностных характеристик обрабатываемого материала приводящего к снижению усталостной контактной прочности ИМ, в результате этого происходит увеличение размеров единичной частицы износа.

4. Установлено; что с повышением температуры контакта удельная энер-. гия изнашивания инструментального материала понижается, причем в определенных температурно-скоростных условиях материал детали, имеющий более высокие прочностные, свойства и меньшую пластичность, обеспечивает больший уровень удельной энергии формоизменения приконтактного слоя инструментального материала, препятствуя зарождению и росту усталостных трещин в его контактном слое.

5. Установлено, что существует наиболее оптимальная марка инструментального материала, которая при обработке данного обрабатываемого материала имеет некое критическое значение удельной энергии изнашивания, обеспечивающего минимум интенсивности износа инструмента. Увеличение параметра удельной энергии изнашивания выше его оптимального значения приводит к снижению размерной стойкости инструмента вследствие возрастания относительного размера частиц износа, облегчения процесса развития усталостных микротрещин и их локализации в больших объемах приконтактных слоев режущего инструмента.

6. Разработан комплексный расчетно-экспериментальный метод выбора марок инструментального материала, основанный на использовании термодинамических параметров оценки их формоустойчивости при изнашивании, учитывающих влияние временного фактора и интенсивности ослабления опасного сечения режущего клина в зоне локализации пластической деформации. Показано, что себестоимость выбора рациональной марки ИМ по предлагаемому методу уменьшится от 10-15 раз по сравнению с традиционными методами.

1. . Аваков, A.A. Физические основы теории стойкости режущих инструментов

2. Текст. / A.A. Аваков. М.: Машгиз, 1960. - 307 с.

3. Авиационные материалы. Справочник в 5 т. Т.1. Конструкционные стали Текст. / Под ред. А. Т. Туманова. М.: ОНТИ., 1975. - 358 с.

4. Авиационные материалы. Справочник в 5 т. Т.1. Коррозионностойкие и жаростойкие стали и сплавы Текст. / Под ред. А. Т. Туманова. — М.: ОНТИ,1975.-372 с.

5. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий Текст. / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский М.: Наука,1976.-280 с.

6. Альбрехт, П. Новые положения в теории резания металлов Текст. / П. Альбрехт // Конструирование и технология машиностроения Труды америк. общ-ва инженеров-механиков. — М.: Изд-во иностр. лит-ры, серия В. — 1961. № 3 — С. 90-122.

7. Армарего, И.Дж.А. Обработка металлов резанием Текст. / И.Дж.А. Армарего, Р.Х. Браун ; пер. В.А. Пастунова. -М.: Машиностроение, 1977. — 325 с.

8. A.c. 347629 СССР. М. Кл. Ol 3166. Способ определения режущей способности инструмента / Ю. М. Соломенцев; опубл. в Б.И., 1972, №24'.

9. A.c. 673376 СССР. М. Кл.2 В 23В 1/00. Способ определения оптимальной скорости резания / А. Д. Макаров, Д. И. Рюков, В. М. Коленченко, А. П. Доброрез, В. М. Кривошей; опубл. в Б. И. 1979. № 26.

10. A.c. № 1211640. Способ определения оптимальной скорости резания при обработке материала / Канзафаров P.C., Янбухтин P.M., Постнов В.В. (СССР). № 1211640; опубл. 29.01.85.

11. A.c. №1430181. Способ определения оптимальной скорости резания при сверлении / Дмитриев A.C., Постнов В.В., Никин А.Д., Антонова Л.В. (СССР) № 1430181; опубл. 15.10.88, Бюл. №38.

12. Безъязычный, В.Ф. Технологические процессы механической и физико-химической обработки в авиадвигателестроении Текст. / В.Ф. Безъязычный, M.JI. Кузьменко, В.Н.Крылов. — М. Машиностроение, 2007. — 544 с.

13. Безъязычный, В.Ф. Основы обеспечения качества металлических изделийс неорганическими покрытиями Текст. / В.Ф. Безъязычный, В.Ю. Замятин,f

14. A.Ю. Замятин, Ю.П. Замятин. М.Машиностроение, 2005. - 608 с.

15. Башков, В. М. Испытания режущего инструмента на стойкость Текст. /

16. B.М. Башков,' П.Г. Кацев М.гМашиностроение, 1975. — 136 с.

17. Бобров, В. Ф. Основы теории резания металлов Текст. / В.Ф. Бобров — М.: Машиностроение, 1975. 344 с.

18. Бхаттачария, Хэм. Анализ износа инструмента Текст. / Хэм. Бхаттачария // Конструирование и технология машиностроения. Труды Америк, общества инженеров-механиков. 1980. - № 4 - С. 162-168.

19. Белоусов, А.И. Определение оптимальной температуры* резания труднообрабатываемых сплавов на основе законов термодинамики Текст. / А.И. Белоусов // Проблемы обрабатываемости жаропрочных сплавов резанием: тез. докл. / Всесоюзн. конф. Уфа, 1975. С. 21-27.

20. Вульф, А. М. Резание металлов Текст. / A.M. Вульф JI.: Машиностроение, 1973. —496 с.

21. Гольдшмидт, М.Г. Деформация и напряжения при резании металлов^ Текст. / М.Г. Гольдшмидт Томск: STT, 2001. - 180 с.

22. Голего, H.JI. Фреттинг-коррозия металлов Текст. / H.JI. Голего, А.Я. Алябъев, В.В. Шевеля Киев: Техника, 1974. - 272 с.

23. Гутман, Э.М. Механохимия* металлов и защита от коррозии Текст. / Э.М. Гутман -М.: Металлургия, 1974. -232 с.

24. Даниелян, A.M. Теплота и износ инструмента в процессе резания металлов Текст. / A.M. Даниелян М. : Машгиз, 1954. - 276 с.2223,24,25