автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение работоспособности твердосплавных режущих инструментов криогенной обработкой

с :

На правах рукописи аозо5Т8В4

¡/СрлЛ

Кривонос Елена Анатольевна

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ КРИОГЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ

Специальность 05 03,01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону - 2007

003057864

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кубанском государственном технологическом университете (Новороссийский политехнический институт)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор В Г Солоненко

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор М А Краплин

кандидат технических наук, профессор В А Жилин

Ведущее предприятие

ОАО НПП КП «Квант»

Защита состоится « 22 » мая 2007 г в 10 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212 058 02 в Донском государственном техническом университете по адресу 344000, Ростов-на-Дону, пп Гагарина, 1,ауд 252

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета

Автореферат разослан « 20 » апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного сове доктор технических нау профессор

В С Сидоренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Согласно международным данным отказы современного автоматизированного оборудования до 50 % случаев связаны с несвоевременным выходом из строя режущих инструментов из-за износа и поломок, а также других проблем обработки металлов резанием В связи с этим по вопросу работоспособности режущего инструмента, как недостаточно надежному элементу системы «Станок - приспособление - инструмент - заготовка», необходимо уделять повышенное внимание Это касается не только автоматизированного оборудования, но и станков с ручным управлением

При решении вопроса повышения работоспособности режущих инструментов необходимо учитывать дефицит вольфрама и кобальта, а также экологическую чистоту и рентабельность применяемых методов

Из большой гаммы методов повышения работоспособности режущих инструментов наиболее перспективным является метод криогенной обработки в жидком азоте Этому методу посвящено значительное количество исследований однако большая их часть связана с криогенной обработкой инструментальных сталей По повышению работоспособности криогенной обработкой режущих инструментов из твердых сплавов также выполнены исследования, однако относительно безвольфрамовых твердых сплавов работ нет Нет также научного объяснения повышения работоспособности твердосплавных режущих инструментов в результате их криогенной обработки

В целом актуальность работы состоит

- в применении для повышения работоспособности твердосплавных режущих инструментов в том числе из безвольфрамовых твердых сплавов криогенной обработки - экономичного и экологически чистого метода,

- в научном объяснении снижения интенсивности изнашивания инструментов после криогенной обработки действием дислокационно-вакансионного механизма,

- в разработке элементов теории изнашивания-разрушения инструментальных материалов при резании, основанной на представлениях о дефектной структуре таких материалов,

- в предложенной аналитической зависимости оценки износостойкости твердых сплавов,

- в экспериментальном исследовании процессов, сопровождающих резание металлов подтвердивших правомерность научных предпосылок

Автор защищает

- криогенную обработку твердых сплавов как экономичный и экологически чистый метод повышения работоспособности твердосплавных режущих инструментов,

- элементы теории снижения интенсивности изнашивания твердосплавных режущих инструментов действием дислокационно-вакансионного мехаизма,

аналитическую зависимость оценки износостойкости как физической характеристики инструментальных материалов,

результаты экспериментальных исследований, подтверждающие правомерность теоретических разработок

Цель работы Повышение износостойкости лезвийных твердосплавных режущих инструментов (на примере токарных проходных резцов и спиральных сверл) криогенной обработкой их в жидком азоте

Для достижения этой цели решались следующие научные задачи

1 Разработка элементов теории изнашивания-разрушения инструментальных материалов при резании, основанной на представлениях о дефектной структуре таких материалов

2 Экспериментальная проверка разработанной теории относительно криогенной обработки твердых сплавов, включая безвольфрамовые

исследование физико-механических характеристик твердых сплавов, исследование процессов, сопровождающих резание металлов коэффициентов усадки стружки и трения, термоЭДС, сил резания и др , проведение сравнительных стойкостных испытаний режущих инструментов Научная новизна работы заключается в следующем

1 Предложены элементы теории изнашивания твердосплавных режущих инструментов, основанной на представлениях о первопричине разрушения инструментальных материалов - дефектах кристаллического строения

2 Впервые показано, что снижение интенсивности изнашивания режущих инструментов после криогенной обработки, приводящей к увеличению плотности структуры твердых сплавов, связанно с действием дислокационно-вакансионного механизма Внутреннее проявление этого механизма - рост плотности дислокаций в карбидах (карбонитридах) металлов, с соответствующим снижением термоЭДС, повышением коэрцитивной силы и твердости инструментальных материалов Внешнее проявление - снижение коэффициента трения, с соответствующим снижением силы резания и высоты микронеровностей обработанных поверхностей

3 Предложена зависимость для оценки износостойкости как физической характеристики инструментальных материалов, расчеты по которой показывают увеличение износостойкости твердых сплавов после криогенной обработки

Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций промышленным предприятиям по использованию жидкого азота в качестве криогенной среды для повышения работоспособности режущих инструментов, оснащенных твердыми сплавами, в том числе и безвольфрамовыми, а также в предложенной аналитической зависимости для оценки износостойкости

Апробация работы Основные научные положения диссертации и результаты исследований представлялись и обсуждались на международных республиканских и краевых научно-технических конференциях и семинарах Среди них

Всероссийская научно-техническая конференция «Наука, техника и технологии ХХ1 века« Нальчик, 2005 год

Конгресс «Конструкторско-технологическая информатика», Москва 2005 год,

международная научно-техническая конференция «Проблемы исследования и проектирования машин», Пенза, 2005 год

международная конференция по теории механизмов и механике машин, посвященная 100-летию со дня рождения академика И И Артоболевского, Краснодар, 2006 год,

международная школа-конференция молодых ученых, аспирантов и студентов им ПА Соловьева и В Н Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» Рыбинск, 2006 год

Кроме того, работа в полном объеме доложена на кафедре систем управления и технологических комплексов Кубанского государственного технологического

университета на кафедре общенаучных дисциплин Новороссийского политехнического института и на кафедре металлорежущих станков и инструментов Донского государственного технического университета

Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, общих выводов и рекомендаций, списка используемой литературы из 93 источников и приложений работа изложена на 143 страницах машинописного текста и включает в себя 42 рисунка

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая значимость работы

Глава 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ" ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ рекомендаций по применяемости методов повышения работоспособности режущих инструментов показывает, что в целом нет универсальных методов и они отличны для разных типоразмеров инструментов, конструкционных материалов и режимов резания К универсальным можно отнести электроизоляцию, криогенную обработку и поверхностное пластическое деформирование Кроме универсальности методы следует рассматривать с позиции экологической чистоты К таковым относятся технологии обработки в вакууме механические методы, электроизоляция и криогенная обработка

И, наконец, экономичность или рентабельность методов Химические, химико-термические, термомеханические и большинство электрофизических методов в современных условиях российского машиностроения совершенно нерентабельны, поскольку требуют дорогостоящих специальных установок К экономичным методам сегодня следует относить электроизоляцию, криогенную обработку и механические методы, в частности поверхностное пластическое деформирование Эти методы достаточно подробно исследованы школой профессора В Г Солоненко, однако необходимо подчеркнуть следующее Термоэлектрические явления и электроизоляция, в частности, которыми ученые занимаются с пятидесятых годов прошлого столетия - это особая статья с противоречивыми, по мнению профессора А А Рыжкина, моментами Поверхностное пластическое деформирование -весьма рентабельный метод, однако могущий применяться для малых количеств режущих инструментов даже в этом случае, например, одна режущая пластина (или несколько пластин в полете) требуют обязательного поворота такое количество раз, сколько имеют режущих кромок Криогенная обработка, результатом которой является объемное упрочнение любого количества режущих инструментов, выгодно отличается от поверхностного пластического деформирования, не уступая другим методам в эффективности

Таким образом, криогенная обработка во всех отношениях является предпочтительной по сравнению с другими методами Профессором В Г Солоненко проведены теоретико-экспериментальные исследования по определению рациональных криогенных температур на основании изучения физико-механических свойств инструментальных материалов Им показано, что температура кипения жидкого азота является оптимальной с точки зрения повышения таких свойств Для инструментальных сталей, где в результате криогенной обработки происходит дополнительный переход остаточного аустенита в мартенсит, механизм повышения режущих свойств инструментов основан на таком переходе Профессор В Г Солоненко объяснил повышение режущих свойств не только быстрорежущих

сталей, но и твердых сплавов, действием вакансионного механизма на основании исследования температуры Дебая

В главе дан анализ аналитической зависимости профессора Г И Грановского износостойкости от работы сил трения и изношенной массы и зависимости профессора Ф Я Якубова, полученной на основе энергетического подхода к изнашиванию режущих инструментов Поскольку в настоящей работе сделан акцент на возможное влияние криогенной обработки на дефектную структуру инструментальных материалов, в частности, - на дислокационный механизм, приведены данные о методах экспериментального наблюдения дислокаций при резании материалов

Глава 2 УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Приведена технология криогенной обработки пластин твердых сплавов и режущих инструментов в жидком азоте

Сравнительные испытания режущих инструментов провели при точении и сверлении Точение прямыми проходными резцами (ср = ср, = 45°) с механическим креплением четырехгранных пластин твердых сплавов (тип крепления «М» согласно системе ИСО) осуществляли на токарно-винторезном станке 1К62 Использовали твердые сплавы ВК8, ТН20 и КНТ16 В целом исследования проведены при точении, что, прежде всего, связано с акцентом на твердые сплавы При точении технологичнее, чем при других видах обработки изучать явления, сопутствующие резанию металлов (в частности, коэффициент трения, термоЭДС, силы резания) Работоспособность резцов, оснащенных сплавом ВК8, изучена при точении сталей 40X13 и 14Х17Н2, относящихся ко П-й группе труднообрабатываемых материалов Работоспособность токарных резцов, оснащенных сплавами ТН20 и КНТ16, исследовали в основном при точении стали 45, что связано со следующим Во-первых, безвольфрамовые твердые сплавы криогенной обработке до настоящего исследования не подвергались, поэтому на первом этапе оказалось необходимым исследовать работоспособность резцов при точении стали, обрабатываемость которой принята за единицу Кроме того, эти сплавы содержат никель, имеющийся в стали 14Х17Н2, т е они химически активны по отношению к ней со всеми возможными отрицательными последствиями Все обрабатываемые материалы использовали в состоянии поставки

Далее в главе приведена методика исследования дислокационной структуры твердых сплавов с помощью рентгеноструктурного анализа Цель исследований - изучение влияния криогенной обработки «а аноуипсъ п1мс<~1о<,эц"й з инструмр^т^пьнь'у мчтр-риалах

Съемку рентгенограмм проводили на рентгеновской установке HZG - 4В «Карл Цейсс Йена» в Си - Ка излучении с автоматической записью результатов с шагом сканирования 0,01° Характеристики съемки следующие длина волны Aq,= 1 54051 А0, чувствительность 103с1 ,ток 27 тА, напряжение 37 kV

Методика определения плотности дислокаций такая

1 Запись рентгенограмм образцов интенсивности 2© дифракционных отражений

2 Измерение значения экспериментальной ширины пика А^ которое определяется на половине ее высоты, перевод ее градусы Aj и радианы А2

3 В связи с тем, что отсутствовал эталонный образец, сложно разделить физическое уширение от блоков когерентного рассеяния и уширение от микро-искажений решетки Применены два решения определение плотности дислокаций по величине блоков когерентного рассеяния D и микро-искажений решетки Ad/d

Далее в главе 2 описано оборудование и методика исследования термоЭДС, коэрцитивной силы и сил резания при точении Приведена методика изучения коэффициентов усадки стружки и трения Изложена методика ускоренных стойкост-ньх испытзиий режущих ("«струг/ентов

Глава 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБЪЯСНЯЮЩИЕ СНИЖЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ ПОСЛЕ КРИОГЕННОЙ ОБРАБОТКИ

Показано что классическая наука о резании металлов, рассматривая механизмы износа режущих инструментов подразделяет их на три основных вида абразивный и абразивно-химический адгезионный, диффузионный Каждый из них имеет место в конкретных условиях, в частности, в зоне определенных температур а также собственное описание Автором настоящей работы предложены элементы теории изнашивания лезвийных режущих инструментов, основаной на представлениях об изменениях дефектной структуры инструментальных материалов, являющейся основой разрушения твердых тел

Глава состоит из трех подразделов 1) экспериментального исследования дислокаций, 2) теоретического обоснования полученных результатов 3) металлографических исследований

В таблице 1 приведены данные съемки рентгенограмм твердого сплава ВК8 и результаты расчетов по зависимостям главы 2 В таблицах 2 - 3 - сплавов КНТ16 и ТН20

Таблица 1 - Результаты исследования плотности дислокаций на поверхности сплава ВК8

Хим соед hkl V 20" °/мин Аэкс MM А, град А2 рад 10 3 Ad/d 10 3 D м 10 10 <4 м 10м Psi3M' 10"

WC, 001 2 31,6 4 0,2 3,49 I 1,418 487 12,6 5,027

WC, 100 2 35,75 5 0,2 3,49 1,212 511 11,5 3,672

WC, 001 И 31,6 8 0,2 3,49 1,418 487 12,6 5,027

WC2 001 2 31,8 5 0,4 6,98 2,814 244 50,3 19,796

WC2 100 2 , 35,75 6 0,35 6,11 2,122 ! 292 35,2 11,257

WC2 001 1 ¡31,6 i 9,5 0,4 | 6,98 2,836 244 50,6 20,107

Таблица 2 - Результаты исследования плотности дислокаций на поверхности сплава КНТ16

Хим соед hkl V °/мин 20u Аэкс мм А, град A2 рад 10 3 üd/d 103 ; D м ; Ю10 <4 M 10" P. 1013

TlCN, 111 6 36,4 3 0,2 3,49 1,183 ' 515 11,3 3,499

TiCN, 200 6 42,2 3 0,2 3,49 0,962 560 9,6 2,314

TICN2 111 6 36,2 3,5 0,4 6,98 2,384 257 45,4 14,21

TiCNJ 200 6 42,2 3,5 0,4 6,98 1,934 280 38,3 9,254

Таблица 3 - Результаты исследования плотности дислокаций на поверхности сплава ТН20

Хим соед Ик1 V °/мин 20" ^эис ММ а, град а2 рад 10 3 Д (¡16 10 3 Э м Ю10 Рр2 м 10" Р. ,зм 2 1013

Т|С, 200 6 41,4 3 0,25 4,36 1,236 443 15,3 3,82

Т|С, 220 6 60,5 3 0,25 4,36 0,617 674 6,6 9,52

ТЮ2 200 6 41,4 5,5 0,3 5,24 1,486 368 22,1 5,52

Т|С2 220 6 60,5 9,0 0,3 5,24 0,741 561 9,5 13,73

Индекс 1 - до криогенной обработки, 2 - после криогенной обработки)

При разработке теории приняты во внимание следующие положения Твердые спеченные сплавы можно отнести к категории механических систем состоящих из малых однородных областей (компонентов), разграниченных поверхностями раздела Такие системы называют неоднородными или гетерогенными средами Твердые сплавы состоят из двух фаз - карбидов (или карбонитридов) тугоплавких металлов и металлической связки, которые отличаются физико-механическими свойствами Это различие может быть принято в качестве основы внутренних процессов, происходящих в инструментальных материалах в результате криогенной обработки Предлагается рассматривать твердый сплав в качестве композиционного материала, который моделируется в виде однородной матрицы (связующая фаза), содержащей систему сферических включений из карбидов тугоплавких металлов Однако говорить о матрице из связующей фазы можно с определенной долей условности, поскольку процентный состав ее в твердых сплавах невысок Таким образом, если вести речь о связке как о матрице, то у нее очень тонкие стенки, которыми отделяются друг от друга сферические включения В данной работе использован подход когда твердый сплав моделируется набором двухслойных шаров внутренний шар - карбид тугоплавкого металла, внешний сферический слой - слой металлической связки

Моделирование процессов в твердых сплавах, рассматриваемых как гетерогенные двухфазные среды, обуславливает необходимость введения трех уровней рассмотрения моделируемых процессов

На первом уровне твердый сплав рассматривается как однородная среда, обладающая физическими характеристиками с помощью которых можно производить описание свойств материала не вдаваясь в особенности внутренней структуры его На этом уровне вводится понятие износостойкости, как интегральной характеристики, с помощью которой можно описывать сопротивление материала изнашиванию

Второй уровень предполагает, что необходимо учитывать влияние внутренней структуры материала на характер протекающих в твердом сплаве процессов На этом уровне вводится модель структуры материала и характерный элемент, рассматриваются протекающие физические процессы в конкретной структурной конфигурации материала Третий уровень соответствует эволюционным процессам в дислокационной структуре При этом дислокация становится основным носителем физических явлений Рассмотрим эти уровни более подробно

На первом уровне в модель вводится понятие износостойкости Накопление энергии в основном реализуется в дислокационной структуре материала Энергия

I х-х I д Пх'] д хр 1 ' д х'2

,Дж (1)

упругого поля ансамбля взаимодействующих дислокаций мгакет быть записана так

( \

И =2 гг С \ \drdVYb,2 V 4^

УУ 5 р,1 ^ и ^ )

где с - модуль сдвига, Н/м : V и V - две микрообласти объема, через которые проходят сегменты дислокаций и в которых аккумулируется энергия пластической деформации, м3 (введены для оценки суммарной энергии дислокационного взаимодействия), э-ая компонента вектора Бюргерса, м, х\ -1-ая компонента координаты х', м хР- р-ая компонента координаты ,т,м„ 4рш- геометрический дислокационный фактор, Д\)- плотность дислокаций как функция координат.х их', 1/м2 На втором уровне в качестзе модели материала режущего инструмента, оснащенного, например, однокарбидным твердым сплавом группы В К принята модель гетерогенной среды в виде набора двухслойных шаров (внутренний шар -это карбид тугоплавкого материала, второй слой - слой кобальта) размещенных в объеме режущей пластины

Карбидная 1 и кобальтовая 2 фазы имеют различные механические и тепловые характеристики Эти фазы обладают различными температурными коэффициентами расширения что при криогенной обработке на границе фаз создает значительные внутренние напряжения, вызывающие эволюционные процессы в дислокационной структуре обеих фаз,т е процессы пластического течения

Рассмотрена модель появления на границах двух фаз таких напряжений, которые создают условия для пластического деформирования При общей постановке вопроса необходимо решать сопряженную задачу теплопроводности и упругости для двухслойного сферического тела Из решения этой задачи необходимо вычислить напряжения на контакте и сравнить с критерием наступления пластического течения

Обозначили через Я радиус шара зерна карбида (внутренний шар), одновременно он будет внутренним радиусом внешнего слоя из кобальта При изменении температуры зерен карбида радиус/? изменяется на величину

Дг, = 7? а,АГ (2)

Этсму изменению при условии, что речь идет об упругом деформировании, соответствует упругое напряжение

<т, =—■^Л", = а.АГ А, (3)

Я

где А'[-модуль всестороннего сжатия карбида тугоплавкого металла, Па, а] - коэффициент теплового расширения карбида, 1/град, ДГ - разницатемператур, град Аналогичное соотношение можно записать для второго тела - сферической оболочки из кобальта

При объединении шарового тела и внешнего сферического слоя изменения размеров и радиуса /г не может происходить независимо, в результате на контакте и создается давление (рисунок 1)

р = \а]-сг2\ (4)

Рисунок 1 - Элементарная модель напряжений на границе фаз Выражая давление через термические и механические величины, получили

£, а,

Е2 а,

3(1-2.',,) 3(1-21'„2),

\Т

(5)

Оценочные расчеты дают р = 459 1 07 Па

Это значение давления на контакте является входным параметром для следующего шага моделирования на третьем уровне - построения модели пластической деформации, которая является следствием перестройки в дислокационной структуре материала При этом о перестройке можно вести речь как в одной, так и в другой фазах Однако модуль упругости Юнга для карбидной фазы более чем в 3 раза больше модуля упругости Юнга для кобальта Казалось бы, пластическое течения кобальта должно начаться намного раньше, чем аналогичный процесс в карбидной фазе Однако рентгеноструктурный анализ (таблицы 1-3) показывает, что в карбидной фазе наблюдаются дислокации плотностью порядка 10'4 -10'' 1/м2 Такие плотности характерны для процессов пластического деформирования с упрочнением и получаются в результате работы источников Франка-Рида, приводящих к увеличению плотности дислокаций

Разрешение этого противоречия нсшдьно на нут поиска мехсшизМс!, киГи-рый дает результат, внешне схожий с результатом, даваемым пластической деформацией При этом учтено, что твердость кобальта на полтора порядка ниже твердости карбидной фазы сделан акцент именно на карбиды Однако поскольку процессы пластического деформирования имеют место (точнее - начинаются) на границе раздела фаз, в модели необходимо рассматривать обе составляющие твердых сплавов

Введен критерий наступления пластического деформирования Если внутреннее давление р удовлетворяет условию

р<-

: Рт

[б)

то оболочка деформируется упруго и напряжения в ней находятся согласно методам теории упругости (здесь ат и рт- напряжение и давление на границе раздела

упругой и пластический деформации) При р — рт материал сферической оболочки на внутренней поверхности переходит в пластическое состояние При дальнейшем возрастании давления р > р-, область пластической деформации расширяется (/, < / < /т)

Для смешанной упругопластической задачи в области упругой деформации (г, <1 <г:) используются решения для упругой задачи в которой величины р и г] заменяются значениями <?и здесь С[- напряжение сг на границе раздела областей упругой и пластической деформации, определяемой радиусом

С учетом изложенных ограничений получили оценку плотности дислокаций Р ~ аР ,

где аь |0 и др - стандартные формы записи чисел для оценки порядков определяемых величин, здесь аь = 1 9 (также и другие а)

Далее учтено размножение дислокаций методом двойного поперечного скольжения и получена оценка плотности дислокаций р„ ~10'4-1016 1/м2 Показано что кроме дислокаций, существенное влияние на внутренние процессы оказывают и точечные дефекты - вакансии При криогенной обработке твердых сплавов происходят процессы, получившие название "закалки вакансий" или пересыщение вакансиями кристалла

В результате теоретического изучения указанного явления, получены те же порядки плотности дислокаций

После преобразования зависимости (1) получили

V2

(7)

' х

где |В7- коэффициент дислокационного взаимодействия

\У = 2 лв (ю'")7 Ъ2 Д У

Здесь речь идет об аккумулировании энергии в шаре диаметром С учетом объема шара, приняв 1у = , получили

: _ л2 г/,6 V2 _ V2 _ л2 с?,5

36 ' /7 г/, 36

Выражение для энергии, аккумулируемой в дислокационной структуре, принимает вид

~ (1 ^

И' = 2 л С б О"' У" Ь2 Д —- = — • С • 6 0Л" У Ъ2-(3. 4 у 36 18 4 У

Количество шаров в одном килограмме карбидной фазы

Л' - 6

рк

Износостойкость В = IV N , тогда можно переписать в виде

П

.3

G (Ю"')2 Ъ1 Д с/,5 —^TT-f-1 G (10"7 Ь2 Д ÖT,2 ,

p7t i/7

5 =

18

Окончательно получили

зр v ' '

Произвели оценку величины износостойкости

В = G (l0"J j2 б2 Д дж/кг

(8)

В = 3,78 (101 — 103) Дж/кг

Анализ формулы (8) показывает следующее После криогенной обработки изменяются показатели степени nd и диаметр с^ шара при постоянстве остальных составляющих Если предположить, что согласно данным рентгеноструктурного анализа показатель степени увеличивается, а диаметры шаров карбидов уменьшаются то износостойкость возрастает Это подтверждается расчетами

Следует, однако, отметить, что зависимость (8) подходит только для оценочных (приближенных) расчетов износостойкости, поскольку ограниченна рамками свойств конкретных твердых сплавов Для получения обобщенного расчетного уравнения необходим более строгий подход к определению интегральной составляющей зависимости (1) Тем не менее приведенные данные хорошо коррелируют с результатами стойкостных испытаний представленными ниже, и не противоречат данным работы профессора Г И Грановского

Таким образом, обращение к теоретическим исследованиям дефектной структуры позволило оценить порядок плотности дислокаций и износостойкости после криогенной обработки и констатировать, что изменение этого порядка свидетельствует о предположительном повышении прочности инструментальных материалов Связано это с работой дислокационно-вакансионного механизма который оказывает влияние на снижение интенсивности изнашивания ТЕердссг1лзБ"ь,у режущих инструментов после их криогенной обработки

Аналогичная картина имеет место для безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбида и карбонитрида титана при никель-молибденовой связующей фазе, что подтверждено анализом рентгенограмм

Для проверки изложенных выше результатов проведен металлографический анализ твердых сплавов В работе приведена структура сплавов ВК8 и ТН20, анализ которой подтвердил теоретические разработки плотность структуры твердых сплавов и плотность дислокаций на поверхностях карбидов металлов после криогенной обработки возрастают

Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

В главе приведены частные зависимости термоЭДС, полученные при тарировании твердых сплавов в паре с платиной, результаты исследований твердости, микротвердости, коэрцитивной силы, коэффициентов усадки стружки и трения, сил резания и шероховатости обработанных поверхностей при точении Даны частные и общие зависимости термоЭДС, коэффициента усадки стружки, угла сдвига стружки, коэффициента трения, тангенциальной составляющей силы резания от режимов обработки

Установлено, что после криогенной обработки

- снижаются величины термо-ЭДС, силы резания, коэффициенты усадки стружки и трения, высота микронеровностей обработанных поверхностей,

- возрастают коэрцитивная сила твердость и микротвердость

На рисунке 2 в качестве примера показаны частные зависимости термоЭДС от скорости резани

Е, мВ 10,0

8,0

6,0

U,0

40 60 80 V м/мин

Рисунок 2 - Частные зависимости термоЭДС от скорости резания 1 - «ВК8- 40X13», 2 - «ВК8 - 14Х17Н2» х - до криогенной обработки о - после криогенной обработки (S = 0,17 мм/об, t = 0 5 мм)

Полученные данные подтверждают полученные теоретические результаты после криогенной обработки из-за роста плотности дислокаций и предположительно увеличения прочности изменяются физико-механические характеристики твердых сплавов, что приводит с снижению интенсивности изнашивания режущих инструментов

Результаты сравнительных стойкостных испытаний режущих инструментов приведенные ниже, подтвердили правомерность теоретических и экспериментальных разработок

На рисунке 3 приведены зависимости «износ - стойкость» токарных резцов В таблице 4 даны результаты сравнительных стойкостных испытаний токарных рез-

цов Анализ результатов стойкостных испытаний показывает следующее Во-первых, стойкость резцов в результате криогенной обработки возрастает Во-вторых, прослеживается четкая связь со снижением термоЭДС при большей исходной термоЭДС имеет место и большее ее снижение в результате криогенной обработки с соответствующим увеличением стойкости Это подтверждает гипотезу о том что при большей термоЭДС наблюдается меньшая стойкость режущих инструментов и что термоЭДС может служить показателем стойкости Кроме того, приведенные здесь данные хорошо коррелируют с изменением плотности дислокаций в результате криогенной обработки

Рисунок 3 - Зависимости «износ - стойкость» токарных резцов «ВК8 -40X13» (о) и «ВК8 - 14X17Н2» (х), 1 - до криогенной обработки, 2 - после криогенной обработки (\/=87м/мин, S=0 17мм/об, t=0 5мм)

Таблица 4 - Результаты стойкостных испытаний токарных резцов

Тср ± ДТср мин От мин К

Материалы

резца и детали

ВК8-40X13 12 51062 1 71 0 1 2,128

26611 4 2 02 015 |

ВК8 11 64 ±0 96 1,31 0,048 1 1,52

14Х17Н2 17,71124 1 45 0 062

ТН20 - Ст 45 21 15 1 2 66 1 61 018 ■ 1,9

40181296 2 02 019 1

КНТ16 - Ст45 1861174 1 28 0 27 ' 2,129

396 + 194 1 i4 0 29

Примечания 1 Верхние значения стойкостей до криогенной обработки, нижние - после (ниже - то же)

2 Тср ± ДТср -средняя стойкость и доверительный интервал стойкости,

3 Oj - среднеквадратичное отклонение стойкости, ит - коэффициент вариации стойкости, К - коэффициент повышения стойкости (ниже - то же)

4 Режимы резания для пар «ВК8 - 40X13» V = 72,6 м/мин, S = 0, 21 мм/об, «ВК8 -14Х17Н2» V = 69,4 м/мин, S = 0,17 мм/об, «ТН20 - Сталь 45» и «КНТ16 - Сталь 45» V - 180,6 м/мин, S= 0,21 мм/об

В работе приведены фотографии износа пластин до и после криогенной обработки Кроме того даны результаты стойкостных испытаний токарных резцов в зависимости от скорости резания а также результаты стойкостных испытаний сверл (таблицы 5-10)

Таблица 5 - Результаты стойкостных испытаний сверл Ф 8 мм при сверлении стали 40X13

Тср± ДТсрмин ат мин ит К Существенность различия

2 025 ± 0,245 0 209 0,103

5,745 ±06 0,51 0,089 2 84 Да

Таблица 6 -стали 40X13 Результаты стойкостных испытаний сверл Ф 10 мм при сверлении

Тср± ДТсрМИН От МИН ит К Существенность различия

2,345 ±0 27 0,23 0,098

5,745 ±06 0,51 0,089 2 45 Да

Таблица 7 - Результаты стойкостных испытаний сверл Ф 12 стали 40X13 мм при сверлении

Тср± ДТсрМин ат мин ит К Существенность различия

2 76 ± 0 47 0,4 0 14

6,8 ±0 83 0,71 0 1 2,46 Да

Таблица 8 - Результаты стойкостных испытаний сверл Ф 8 мм при сверлении стали 14Х17Н2

Тсс ± ДТср мин ат мин ит К Существенность различия

1 66 ± 017 0 147 0,09

1 ЧЯ + П Г п -I ш о оца 1 18 н»-

Таблица 9 - Результаты стойкостных испытаний сверл Ф 10 стали 14X17Н2 мм при сверлении

Тер ± ДТср мин ат мин ит I К I Существенность различия

2,19 ± 0 176 0 15 0,068

4 176 ±0 67 0 57 0 15 1 91 Да

Таблица 10 - Результаты стойкостных испытаний сверл Ф 12 мм при сверлении стали14Х17Н2

! Тгр + ДТСП мин [ От мин ит К Существенность различия

2 485 ±0,11 j 0,095 0 038

5,415 ±1,04 ! 0 89 0,164 2,18 - Да

Анализ результатов, приведенных по сверлению, показывает, что после криогенной обработки стойкость сверл, оснащенных твердым сплавом ВК8 возросла При этом кроме одного случая сверления стали 14Х17Н2 сверлами диаметром В мм разница в стойкостях сверл до и после криогенной обработки оказалась существенной Результаты стойкостных испытаний сверл как и результаты стойкостных испытаний токарных резцов подтверждают правомерность применения криогенной обработки как рационального метода повышения работоспособности твердосплавных режущих инструментов Кроме того, сверла после каждого испытания перетачивали - полученные результаты позволяют говорить об объемном (не поверхностном) действии криогенной обработки

На рисунке 4 в качестве примера приведены зависимости коэффициента трения от подачи, полученные при точении

Рисунок 4 -Частные зависимости коэффициента трения от подачи 1 - «ВК8-40X13» 2 - «ВК8 - 14Х17Н2», х - до криогенной обработки, о - после криогенной обработки (V = 72,8 м/мин, t = 0,5 мм)

Анализ результатов исследования коэффициента трения показывает, что во всех случаях после криогенной обработки он снижается, следствием чего является уменьшение сил резания и высоты микронеровностей обработанных поверхностей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении необходимо подчеркнуть, что теория, основанная на представлениях о дефектной структуре инструментальных материалов как перво-

причине разрушения-изнашивания режущих инструментов при трении в условиях резания позволяет объяснить различные виды изнашивания и выявить пути снижения интенсивности изнашивания режущих инструментов В частности адгезионное диффузионное и химическое изнашивания протекают по вакансион-но-дислокационному механизму, основой механического изнашивания является эволюция точечных дефектов и образование микротрещин Известные методы снижения интенсивности изнашивания режущих инструментов (термические, химико-термические, механические физические) связаны с реализацией механизма, основанного на первопричине разрушения твердых тел, - дефектной структуре инструментальных материалов

Анализ существующих методов снижения интенсивности изнашивания относительно классической зависимости «износ - стойкость» показывает следующее Нагрев режущих инструментов, резание с подогревом, химическое осаждение из газовой фазы применение поверхностно-активных веществ и антифрикционных покрытий, детонационное напыление, дробеструйная, вибрационная и ультразвуковая обработки, когда превалируют пластические процессы контактной зоны, действуя по дислокационному механизму, сокращая период приработки режущих инструментов Диффузионное насыщение бором, хромом, азотом, термодиффузионное насыщение из твердой фазы магнитная и магнитно-импульсная обработки, электроискровое легирование, увеличивая период нормальной работы режущих инструментов, действуют по вакансион-ному механизму Электроизоляция оказывает влияние на оба периода работы режущих инструментов, действуя по вакансионному механизму, ответственному за термоэлектрические процессы контактной зоны Какие из приведенных методов являются более рациональными? В принципе - те и другие, поскольку при уменьшении периода приработки автоматически увеличивается время нормальной работы Однако при назначении метода снижения интенсивности изнашивания режущего инструмента необходимо исходить из конкретных условий типа производства, количества работающих инструментов, наличия специальной технологической оснастки и приспособлений для применения определенного метода экологической чистоты технологичности и экономичности методов

На основании изложенного - общих теоретических предпосылок и частных экспериментальных данных - можно утверждать что концепция, основанная на представлениях о первопричине изнашивания-разрушения инструментальных материалов - их дефектной структуре не противореча устоявшимся воззрепиЯт мСжет явиться единий мирней ин 1еньивнооти изнашивания режущих инструментов Она позволяет в конкретнных случаях количественно оценить величину линейного износа режущих инструментов а также определить пути снижения интенсивности их изнашивания Это является актуальным в современных условиях, а также в условиях обозримого будущего пока получение деталей машин резанием будет превалировать по сравнению с другими методами В целом теория позволяет прогнозировать интенсивность изнашивания и, следовательно, работоспособность лезвийных режущих инструментов от которой в значительной мере зависит производительность автоматизированного станочного оборудования

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1 На основании анализа литературных данных установлено что криогенная обработка твердосплавных режущих инструментов в жидком азоте является экономичным и экологически чистым методом повышения их работоспособности Однако в технической литературе не объяснены причины снижения интенсивности изнашивания твердосплавных инструментов после криогенной обработки

2 С учетом представлений о первопричине разрушения твердых тел - дефектах кристаллического строения впервые показано что снижение интенсивности изнашивания режущих инструментов после криогенной обработки, приводящей к увеличению плотности структуры твердых сплавов, связано с действием дис-локационно-вакансионного механизма Внутреннее проявление этого механизма - рост плотности дислокаций в карбидной (карбонитридной) составляющей твердых сплавов, с соответствующим снижением термоЭДС, повышением коэрцитивной силы и твердости инструментальных материалов Внешнее проявление - снижение коэффициента трения на передней поверхности режущих инструментов с соответствующим уменьшением сил резания и высоты микронеровностей обработанных поверхностей

3 Разработаны элементы теории изнашивания режущих инструментов относительно криогенной обработки твердых сплавов, которые вписываются в общую концепцию износа-разрушения инструментов при резании металлов, основанную на дислокационно-вакансионном механизме Дана зависимость для оценки износостойкости твердых сплавов как их физической характеристики, расчеты по которой показывают увеличение износостойкости твердых сплавов после криогенной обработки

4 Экспериментальные исследования работоспособности твердосплавных режущих инструментов (токарных резцов и спиральных сверл), включающие изучение коэффициента трения сил резания, шероховатости обработанных поверхностей и стойкостные испытания, показали увеличение ее после криогенной обработки подтвердив тем самым теоретические разработки

5 Результаты исследований внедрены на ЗАО «Новороссийский машиностроительный завод «МОЛОТ» с условным годовым экономическим эффектом 46180 рублей

6 Криогенная обработка как экономичный, технологичный и экологически чистый метод повышения работоспособности режущих инструментов (повышение стойкости режущих инструментов до 2-х раз, снижение высоты микронеровностей обработанных поверхностей до 15 %) может быть рекомендована для широкого внедрения на машиностроительных и приборостроительных заводах в том числе применительно к условиям автоматизированного производства

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах

1 Солоненко В Г К вопросу о снижении интенсивности изнашивания режущих инструментов /В Г Солоненко, Г А Зарецкий Е А Кривонос //Наука, Техника и Технология XXI века /КБГУ - Нальчик, 2005 - С 101-104

2 Солоненко В Г Элементы единой теории изнашивания режущих инструментов /В Г Солоненко ГА Зарецкий, Е А Кривонос //Труды конгресса «Кон-структорско-технологическая информатика» -М Станкин, 2005 -С 6972

3 Солоненко В Г ТермоЭДС и коэффициент трения в результате криогенной обработки токарных резцов /В Г Солоненко, Е А Кривонос//МНТК «Проблемы исследования и проектирования машин» - Пенза ПДЗ, 2005

С 89-91

4 Солоненко В Г Силы резания при точении в результате криогенной обработки твердых сплавов /В Г Солоненко, Е А Кривонос // Современные технологии в машиностроении -Пенза ПДЗ, 2005 - С 105-106

5 Солоненко В Г Работоспособность лезвийных режущих инструментов /В Г Солоненко, Е А Кривонос, А А Гоев // Материалы и технологии XXI века -Пенза ПДЗ, 2006 - С 123-125

6 Солоненко В Г Предпосылки к единой теории изнашивания режущих инструментов /В Г Солоненко, Е А Кривонос II Известия Тульского государственного университета Серия «Машиноведение, системы приводов и детали машин» Вып 2/ТулГУ - Тула, 2005 -С 97-100

7 Солоненко В Г Снижение интенсивности изнашивания режущих инструментов/В Г Солоненко, Е А Кривонос//Международная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения академика И И Артобалевского - Краснодар, 2006 - С 143-145

8 Солоненко В Г Управление изнашиванием лезвийных инструментов при резании труднообрабатываемых сталей /В Г Солоненко, Е А Кривонос, А А Гоев // Материалы Международной школы-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов им П А Соловьева и В Н Кондратьева - Рыбинск, 2006-С 168-170

9 Солоненко В Г Влияние криогенной обработки на дислокационную структуру твердых сплавов / В Г Солоненко ЕА Кривонос, А А Гоев//Прогрессивные технологии в современном машиностроении - Пенза ПДЗ, 2006 -С 101 - 104

10 Солоненко В Г Повышение стойкости токарных резцов криогенной обработкой /В Г Солоненко Е А Кривонос //Новые материалы неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении ТГНУ - Тюмень, 2005 - С 168-170

11 Солоненко В Г О элементах единой теории изнашивания режущих инструментов/В Г Солоненко, Г А Зарецкий, Е А Кривонос//Ы ин -¿йи/ -№ 4 -С 7-11

В печать .

Объем /, / уел п л , ^ О уч -иэд л Офсет Бумага тип №3 Формат 60x84/16 Заказ N5 -(60 Тираж 100

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия 344000 г Ростов-на-Дону пл Гагарина 1

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования

1.1. Методы повышения работоспособности режущих инструментов.

1.2. Анализ существующих методов повышения работоспособности режущих инструментов. Обоснование криогенной обработки как наиболее рационального метода.

1.3. Анализ некоторых зависимостей оценки изнашивания режущих инструментов.

1.4. Методы исследования дислокаций.

Выводы.

Глава 2. Условия и методика проведения экспериментов.

2.1. Технология криогенной обработки.

2.2. Оборудование, режущие инструменты, приспособления и заготовки для проведения испытаний.

2.3. Методика исследования дислокационной структуры.

2.4. Оборудование и методика исследования термоЭДС, коэрцитивной силы и сил резания при точении.

2.5. Методика исследования коэффициентов усадки стружки при точении.

2.6. Методика ускоренных стойкостных испытаний режущих инструментов.

Выводы.

Глава 3. Экспериментально-теоретические исследования, объясняющие снижение интенсивности изнашивания твердосплавных инструментов после криогенной обработки

3.1. Исследование плотности дислокации.

3.2. Элементы теории изнашивания твердосплавных инструментов.

3.3. Металлографические исследования.

Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования работоспособности режущих инструментов

4.1. Исследование физико-механических свойств твердых сплавов.

4.2. Стойкостные испытания режущих инструментов.

4.3. Исследование коэффициента трения.

4.4. Исследование сил резания при точении.

4.5. Исследование шероховатости обработанных поверхностей. 116 Выводы.

Согласно международным данным отказы современного автоматизированного оборудования до 50 % случаев связаны с несвоевременным выходом из строя режущих инструментов из-за износа и поломок, а также других проблем обработки металлов резанием. В связи с этим вопросу работоспособности режущего инструмента как недостаточно надежному элементу системы «Станок

- приспособление - инструмент - заготовка» необходимо уделять повышенное внимание. Это касается не только автоматизированного оборудования, но и станков с ручным управлением.

При решении вопроса повышения работоспособности режущих инструментов необходимо учитывать дефицит вольфрама и кобальта, а также экологическую чистоту и рентабельность применяемых методов.

Из большой гаммы методов повышения работоспособности режущих инструментов наиболее привлекательным является метод криогенной обработки в жидком азоте. Этому методу посвящено значительное количество исследований, однако большая их часть связана с криогенной обработкой инструментальных сталей. По повышению работоспособности криогенной обработкой режущих инструментов из твердых сплавов также выполнены исследования, однако относительно безвольфрамовых твердых сплавов работ нет. Нет также научного объяснения повышения работоспособности твердосплавных режущих инструментов в результате их криогенной обработки.

В целом актуальность работы состоит:

- в применении для повышения работоспособности твердосплавных режущих инструментов в том числе из безвольфрамовых твердых сплавов криогенной обработки - экономичного и экологически чистого метода;

- в научном объяснении снижения интенсивности изнашивания инструментов после криогенной обработки действием дислокационно-вакансионного механизма;

- в разработке теории изнашивания-разрушения инструментальных материалов при резании, основанной на представлениях о дефектной структуре таких материалов;

- в экспериментальном исследовании процессов, сопровождающих резание металлов, подтвердивших правомерность научных предпосылок.

Автор защищает:

- криогенную обработку твердых сплавов как экономичный и экологически чистый метод повышения работоспособности твердосплавных режущих инструментов;

- элементы теории снижения интенсивности изнашивания твердосплавных режущих инструментов действием дислокационно-вакансионного мехаизма;

- аналитическую зависимость оценки износостойкости как физической характеристики инструментальных материалов;

- результаты экспериментальных исследований, подтверждающие правомерность теоретических разработок.

Цель работы. Повышение износостойкости лезвийных твердосплавных режущих инструментов (на примере токарных проходных резцов и спиральных сверл) криогенной обработкой их в жидком азоте.

Методы исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований на основе теории резания металлов и технологии машиностроения, физики металлов и металловедения, в том числе теории разрушения металлов и теории дислокаций. В экспериментальной части исследований применены методы линейного программирования и математической статистики. Работа выполнялась в Новороссийском политехническом институте Кубанского государственного технологического университета.

Научная новизна работы.

1. Предложены элементы теории изнашивания твердосплавных режущих инструментов, основанной на представлениях о первопричине разрушения инструментальных материалов - дефектах кристаллического строения.

2. Впервые показано, что снижение интенсивности изнашивания режущих инструментов после криогенной обработки, приводящей к увеличению плотности структуры твердых сплавов, связано с действием дислокационно-вакансионного механизма. Внутреннее проявление этого механизма - рост плотности дислокаций в карбидах (карбонитридах) металлов, с соответствующим снижением термоЭДС, повышением коэрцитивной силы и твердости инструментальных материалов. Внешнее проявление - снижение коэффициента трения, с соответствующим снижением силы резания и высоты микронеровностей обработанных поверхностей.

3. Предложена аналитическая зависимость оценки износостойкости инструментальных материалов как их физической характеристики, расчеты по которой показывают увеличение износостойкости твердых сплавов после криогенной обработки.

Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций промышленным предприятиям по использованию жидкого азота в качестве криогенной среды д ля повышения работоспособности режущих инструментов, оснащенных твердыми сплавами, в том числе и безвольфрамовыми, а также в предложенной аналитической зависимости для оценки износостойкости.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на Новороссийском заводе «Молот». Условно-годовой экономический эффект составляет 46180 рублей в ценах 2006 года.

Апробация работы. Основные научные положения диссертации и результаты исследований представлялись и обсуждались на международных, республиканских и краевых научно-технических конференциях и семинарах. Среди них:

- международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиноведения и высоких технологий», Ростов н/Д, 2005 год;

- Всероссийская научно-техническая конференция «Наука, техника и технологии XXI века», Нальчик, 2005 год;

- Конгресс «Конструкторско-технологическая информатика», Москва, 2005 год;

- международная научно-техническая конференция «Проблемы исследования и проектирования машин», Пенза, 2005 год;

- международная конференция по теории механизмов и механике машин, посвященная 100-летию со дня рождения академика И.И. Артоболевского; Краснодар, 2006 год;

- международная школа-конференция молодых ученых, аспирантов и студентов им. П.А. Соловьева и В.Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений», Рыбинск, 2006 год.

- международная научно-техническая конференция «Проектирование, технологическая подготовка и производство зубчатых передач», Тула,2005год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основании анализа литературных данных установлено, что криогенная обработка твердосплавных режущих инструментов в жидком азоте является экономичным и экологически чистым методом повышения их работоспособности. Однако в технической литературе не объяснены причины снижения интенсивности изнашивания твердосплавных инструментов после криогенной обработки.

2. С учетом представлений о первопричине разрушения твердых тел - дефектах кристаллического строения впервые показано, что снижение интенсивности изнашивания режущих инструментов после криогенной обработки, приводящей к увеличению плотности структуры твердых сплавов, связано с действием дислокационно-вакансионного механизма. Внутреннее проявление этого механизма - рост плотности дислокаций в карбидной (карбонит-ридной) составляющей твердых сплавов, с соответствующим снижением термоЭДС, повышением коэрцитивной силы и твердости инструментальных материалов. Внешнее проявление - снижение коэффициента трения на передней поверхности режущих инструментов с соответствующим уменьшением сил резания и высоты микронеровностей обработанных поверхностей.

3. Разработаны элементы теории изнашивания режущих инструментов относительно криогенной обработки твердых сплавов, которые вписываются в общую концепцию износа-разрушения инструментов при резании металлов, основанную на дислокационно-вакансионном механизме. Дана зависимость для оценки износостойкости твердых сплавов как их физической характеристики, расчеты по которой показывают увеличение износостойкости твердых сплавов после криогенной обработки.

4. Экспериментальные исследования работоспособности твердосплавных режущих инструментов (токарных резцов и спиральных сверл), включающие изучение коэффициента трения, сил резания, шероховатости обработанных поверхностей и стойкостные испытания, показали увеличение ее после криогенной обработки, подтвердив тем самым теоретические разработки.

5. Результаты исследований внедрены на ЗАО «Новороссийский машиностроительный завод «МОЛОТ» с условным годовым экономическим эффектом 46180 рублей.

6. Криогенная обработка как экономичный, технологичный и экологически чистый метод повышения работоспособности режущих инструментов (повышение стойкости режущих инструментов до 2-х раз; снижение высоты микронеровностей обработанных поверхностей до 15 %) может быть рекомендована для широкого внедрения на машиностроительных и приборостроительных заводах, в том числе применительно к условиям автоматизированного производства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении необходимо подчеркнуть, что теория, основанная на представлениях о дефектной структуре инструментальных материалов, как первопричине разрушения-изнашивания режущих инструментов при трении в условиях резания позволяет объяснить различные виды изнашивания и выявить пути снижения интенсивности изнашивания режущих инструментов. В частности, адгезионное, диффузионное и химическое изнашивания протекают по вакансионно-дислокационному механизму; основой механического изнашивания является эволюция точечных дефектов и образование микротрещин. Известные методы снижения интенсивности изнашивания режущих инструментов (термические, химико-термические, механические, физические) связаны с реализацией механизма, основанного на первопричине разрушения твердых тел, - дефектной структуре инструментальных материалов.

Анализ существующих методов снижения интенсивности изнашивания /40/ относительно классической зависимости «износ - стойкость» показывает следующее. Нагрев режущих инструментов, резание с подогревом, химическое осаждение из газовой фазы, применение поверхностно-активных веществ и антифрикционных покрытий, детонационное напыление, дробеструйная, вибрационная и ультразвуковая обработки, когда превалируют пластические процессы контактной зоны, действуя по дислокационному механизму, сокращают период приработки режущих инструментов. Диффузионное насыщение бором, хромом, азотом; термодиффузионное насыщение из твердой фазы, магнитная и магнитно-импульсная обработки, электроискровое легирование, увеличивая период нормальной работы режущих инструментов, действуют по вакансионному механизму. Электроизоляция оказывает влияние на оба периода работы режущих инструментов, действуя по вакансионному механизму, ответственному за термоэлектрические процессы контактной зоны. Какие из приведенных методов являются более рациональными? В принципе - те и другие, поскольку при уменьшении периода приработки автоматически увеличивается время нормальной работы. Однако при назначении метода снижения интенсивности изнашивания режущего инструмента необходимо исходить из конкретных условий: типа производства, количества работающих инструментов, наличия специальной технологической оснастки и приспособлений для применения определенного метода, экологической чистоты, технологичности и экономичности методов.

На основании изложенного - общих теоретических предпосылок и частных экспериментальных данных - можно утверждать, что концепция, основанная на представлениях о первопричине изнашивания-разрушения инструментальных материалов - их дефектной структуре, не противореча устоявшимся воззрениям, может явиться единой теорией интенсивности изнашивания режущих инструментов. Она позволяет в конкретнных случаях количественно оценить величину линейного износа режущих инструментов/83/, а также определить пути снижения интенсивности их изнашивания. Это является актуальным в современных условиях, а также в условиях обозримого будущего, пока получение деталей машин резанием будет превалировать по сравнению с другими методами. В целом теория позволяет прогнозировать интенсивность изнашивания и, следовательно, работоспособность лезвийных режущих инструментов, от которой в значительной мере зависит производительность автоматизированного станочного оборудования.

1. Анищенко B.C. Эволюция энтропии в генераторе с инерционной нелинейностью при переходе к стохастичности через последовательность бифуркаций удвоения периода /B.C. Анищенко, Ю.Л. Климонтович //Письма в ЖТФ, 1984. Т. 10, вып. 14.-С. 876-879.

2. A.c. 485161 СССР. Кл. С 21d 9/22. Способ термической обработки инструмента/ ЕС. Жмудь. Заявлено 27.10.72; Опубл. 25.09.75, БИ № 35.

3. Барон Ю.М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изделий и режущих инструментов ЯО.М. Барон-Л.: Машиностроение, 1986. -173 с.

4. Бартеньев С.С., Детонационные покрытия в машиностроении /С.С. Бар-теньев, Ю.П. Федько, А.Т. Григоров-М.: Машиностроение, 1982. -214 с.

5. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов /В.Ф. Бобров М.: Машиностроение, 1975. - 344 с.

6. Бобровский В.А. Электродиффузионный износ инструмента / В.А. Бобровский М.: Машиностроение, 1970. - 200 с.

7. Бокнггейн Б.С. Диффузия в металлах /Б.С. Бокштейн М.: Металлургия, 1975.-247 с.

8. Бутенко В.И. Качество поверхностного слоя деталей и стойкость инструмента при резании металлов с предварительным нагревом /В.И. Бутенко,

9. H.H. Гаврилюк, A.A. Черненко // Проблемы исследования и проектирования машин. Пенза: ПДЗ, 2005. - С. 161 -163.

10. Бутенко В.И. Измерение поверхностной плотности дислокаций при трении скольжения/В.И. Бутенко, АВ.Чистякрв // Новочерк. политехи, ин-т. -Новочеркасск, 1985. 6 с. Деп. в ВНИИТЭМР 24.06.85. № 222 МШ - 85.

11. Верещака A.C. Износ твердосплавных инструментов с покрытием /A.C. Верещака, Б.П. Табаков, A.C. Жогин // Вестник мапшностроения.-1981. -№3.-С.45-49.

12. Верещака A.C. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями

13. A.C. Верещака, И.П. Третьяков-М.: Машиностроение. 1986.-190 с.

14. Глинка Н.Л. Общая химия /H.JI. Глинка М.: Интеграл-Пресс, 2002.-728 с.

15. Горелик С.С. Рентгенографический и электроннооптический анализ/

16. С.С. Горелик, JI.H. Расторнуев,Ю.А. Скаков-М.:Металлургия, 1970. 217с.

17. Грановский Г.И. Износостойкость твердых сплавов и закаленных инструментальных сталей / Г.И. Грановский //Резание металлов и инструмент. -М.:Машгиз, 1955.-С. 95-110.

18. Грудов П.П., Скоростное фрезерование /П.П. Гоудов, С.И. Волков-ЦБНТИ, 1950. -24 с.

19. Гуляев А.П. Превращение остаточного аустенита в высоколегированных сталях при температурах ниже 0° С /А.П. Гуляев Металлург. 1939, №3.-С. 64-71.

20. Де Вит Р. Континуальная теория дисклинаций /Р. Де Вит М.: Мир, 1977.-208 с.

21. Жданов Г.С. Лекции по физике твердого тела: принципы строения, реальная структура, фазовые превращения / Г.С. Жданов, А.Г. Хунджуа -М.:МГУ, 1988.-231 с.

22. Жилин В.А. Применение метода выявления дислокаций для исследования зоны деформации при резании металлов /В.А. Жилин //Труды Новочеркасского политехи, ин-та. Т. 211 «Обработка металлов и пластмасс», 1970.-С. 34-36.

23. Зверев Е.К. Оптимальная геометрия резцов / Е.К. Зверев Орги-формация. -1935.- №11, -С. 11-14.

24. Кабалдин Ю.Г. Повышение надежности инструментального обеспечения гибких производственных станочных систем ЯО.Г. Кабалдин, Б Л. Мокрицкий, Б.И. Молоканов -Комсомольск: Краевой совет НТО, 1988. 64 с.

25. Кадич А. Калибровочная теория дислокаций и дисклинаций /А. Кадич, Д. Эделен-М.: Мир, 1987. -166 с.

26. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента /П.Г. Кацев -М.: Машиностроение, 1968. -156 с

27. Клочко Н.А. Метод анализа распределения деформаций и напряжений между фазами при деформировании сплавов WC-Co /Н.А. Клочко //Твердые сплавы, 1970, № 10. С. 44 - 54.

28. Клопотов А.А. Влияние облучения гамма-квантами на структурно-фазовое состояние сплава ВК8/А.А. Клопотов, Ю.А. Тимошников, Ю.Ф.

29. Иванов // Вестник Омского университета, 1999, № 2 (с. не указаны; взято из Интернета).

30. Костецкий Б.И. О роли вторичных структур в формировании механизмов трения, смазочного действия и изнашивания /Б.И. Костецкий // Трение и износ, 1980. Т.1. -№ 4.- С. 622-637.

31. Краткий физико-технический справочник, т.1. Математика. Физика. /Под общей ред. К.П. Яковлева. М.: Физико-математическая литература. 1960.-446 с.

32. Крупович М.Г. Однофазное борирование сталей /М.Г. Крупович // Поверхностные методы упрочения металлов и сплавов в машиностроении. М.: МДНТП, 1983.-С.28-31.

33. Купалова И.К. Стойкость сверл, упрочненных методом высокотемпературной термомеханической обработки / И.К. Купалова, В.И. Жилис// Станки и инструмент. -1987. С. 199-21.

34. Ландау Л.Д. Теоретическая физика. В 10 -ти томах. Т.VII. Теория упругости /Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц М.: Наука. 1987. - 248 с.

35. Лоладее Т.Н. Износ режущего инструмента /Т.Н. Лоладзе -М.:Маштз, 1958.-356 с.

36. Лошак М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов /М.Г. Лошак Киев: Наукова думка, 1984. - 325 с.

37. Любимов В.Г. Резание аустенитной марганцовистой стали в нагретом состоянии /В .Г. Любимов Львов: Лесотенич. ин-т, 1958. - 45 с.

38. Малыгин Б.В. Установка для магнитного упрочнения режущего инструмента /Б.В. Малыгин, ЮЛ. Вакуленко // Станки и инструмент. -1985. -№3.-С.28.

39. Малыгин Б.Г. Магнитно-импульсное упрочнение деталей машин и инструмента /Б.Г. Малыгин, И.А. Семерникова // Станки и инструмент. -1989.-№4.

40. Малыгин Г.А. Процессы самоорганизации дислокаций и пластичность кристаллов /Г.А. Малыгин // Успехи физических наук, 1999, сентябрь, том 169, №9. С. 978 -1010.

41. Макаров А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов /А.Д. Макаров-М.: Машиностроение, 1966. -264 с.

42. Маргулес А.У. Резание металлов керметами /А.У. Маргулес М.: Машиностроение, 1980. -160 с.

43. Мартынов Г.А. Обработка магнитных сплавов резанием в нагретом состоянии /Г.А. Мартынов ГОСИНТИ, 1964. № 1- 64 - 818.

44. Материалы в приборостроении и автоматике: Справочник /Под ред. Ю.М.Пятина. М.: Машиностроение, 1982. - 528 с.

45. Методы упрочнения режущего инструмента и рациональные области их применения: Методические рекомендации / НПО «ВНИИинстру-мент». М.: ВНИИТЭМР, 1988-60 с.

46. Миркин Л.И. Рентгеноструктурный анализ. Справочное руководство по получению и измерению рентгенограмм /Л.И. Миркин М.: Физмат-гиз, 1976.-327 с.

47. Миркин Л.И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов /Л.И. Миркин М.: Машиностроение, 1979. - 280 с.

48. Муха И.М. Упрочнение твердых сплавов ультразвуковыми колебаниями /ИМ. Муха, В.Н. Винниченко // Порошковая металлургия. 1983. -№8.-С. 43-46.

49. Никифоров Ю.П. Установка для магнитного упрочнения режущего и формообразующего инструмента ЛО.П. Никифоров, А.А. Красичков, Е.А. Лобачков // Станки и инструмент, № 9,. 1989, С. 34-35.

50. Ногтева Н.К. Обработка режущего инструмента в среде жидкого азота /Н.К. Ногтева Инф. листок ВНИИМИ № 88-2896,1988.

51. Олемской А.И. Эволюция дефектной структуры твердого тела в процессе пластической деформации /А.И. Олемской, И.А. Скляр //Успехи физических наук. -1992. Т. 162, № 6. С. 29 - 79.

52. Орлов А.Н. Введение в теорию дефектов в кристаллах /А.Н.Орлов М.: Высшая школа, 1983.-144 с.

53. Патент № 2101333 Российския Федерация. Смазочно-охлаждающая жидкость для механической обработки металлов /ВГ.Солоненко, Л.А.Солоненко, ЛАБадовская. Бюл. № 1 от 10.01.98.

54. Паустовский A.B. Повышение износостойкости инструментальных сталей электроискровым легированием / A.B. Паустовский, Т.В. Куриная, А.И. Руденко // Станки и инструмент. -1988-№ 2. С.29-30.

55. Писаренко Г.С. Уравнения и краевые задачи пластичности и ползучести /Г.С.Писаренко, Н.С.Можаровский. Киев: Наукрва думка, 1981496 с.

56. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями / В.Н. Поду-раев-М.: Машиностроение. 1970. -352 с.

57. Попов B.C. Энергетический анализ процессов, в рабочей зоне сталей при изнашивании /B.C. Попов, H.H. Брыков, В.А. Гук //Физико-химическая механика материалов. -1975, Т. 11, № 4. С. 24 -27.

58. Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, область применения: Справочник /Под ред. И.М.Федорченко. Киев: Наукова думка, 1985.-624 с.

59. Постников С.Н. Электрические явления при трении и резании /С.Н. Постников Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1975. - 280 с.

60. Прудников Ю.П. Повышение износостойкости спиральных сверл ЛО.П. Прудников, В.П. Табаков, О.В. Корнилаев // Станки и инструмент. -1987. -№1.-С. 19-20.

61. Развитие науки о резании металлов/Под ред. Н.Н.Зорева, Г.И.Грановского и др. -М.: Машиностроение, 1967. 416 с.

62. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник /Я.Л. Гуревич, М.В. Горохов, В.И. Захаров и др. -М.: Машиностроение, 1986. -240 с.

63. Рыжкин A.A. Термодинамические основы повышения износостойкости инструментальных режущих материалов /A.A. Рыжкин // Дис. .д-ра техн.наук. Росгов-на-Дону, 1983. 452 с. с прилож.

64. Рыжкин A.A. Синергетика изнашивания инструментальных режущих материалов (трибоэлектрический аспект) /A.A. Рыжкин Ростов н/Д: ДГТУ, 2004.-323 с.

65. Рыжкин A.A. Обработка материалов резанием: физические основы /A.A. Рыжкин Ростов н/Д: ДГТУ, 1995. - 242 с.

66. Рыжкин A.A. Инструментальные режущие материалы / ААРыжкин, В.С.Дмитриев Ростов н/Д, 1993. - 86 с.

67. Руденко И.А. Повышение износостойкости режущего инструмента и деталей машин /И.А. Руденко, Н.В. Орлик -// Станки и инструмент, 1988. №2.-С. 28-29.

68. Самсонов Г.В. Тушплавие соединения. Справочник/ Г.В.Самсонов, И.М.Виницкий. М.: Металлургия, 1976. - 650 с.

69. Седельников А.И. Способ повышения стойкости концевых фрез при обработке литой нержавеющей стали ВНЛ-3 /А.И. Седельников //Наука-производство-технологии-экология. Т. 3. Киров: ВятГУ, 2005. - С. 64 - 65.

70. Семенченко Д.И. Основные тенденции развития современных методов пайки режущего инструмента /ДИ. Семенченко, И.Н. Иванов // Применение пайки, сварки и склеивания для изготовления режущего инструмента. -М.:МДНГП, 1981.-С. 24-27.

71. Солоненко В.Г. К вопросу о снижении интенсивности изнашивания режущих инструментов /В.Г. Солоненко, Г.А. Зарецкий, Е.А. Кривонос // Наука, техника и технология XXI века. Нальчик: КБГУ, 2005.1. С.101 -104.

72. Солоненко В.Г. Элементы единой теории изнашивания режущих инструментов /В.Г. Солоненко, Е.А. Кривонос, Г.А. Зарецкий //Груды конгресса «Конструкторско- технологическая информатика». -М.: Станкин, 2005. -С. 69 72.

73. Солоненко В.Г. ТермоЭДС и коэффициент трения в результате криогенной обработки токарных резцов / В.Г. Солоненко, Е.А. Кривонос //МНТК «Проблемы исследования и проектирования машин». Пенза: ПДЗ, 2005.-С. 89-91.

74. Солоненко В.Г., Кривонос Е.А. Силы резания при точении в результате криогенной обработки твердых сплавов /В.Г. Солоненко, Е.А. Кривонос // Современные технологии в машиностроении. Пенза: ПДЗ, 2005.1. С. 105-106.

75. Солоненко В.Г. Повышение работоспособности металлорежущих инструментов в условиях автоматизированного производства /В.Г. Солоненко, А.С. Прищип. Краснодар: ДН и Т, 1992. - 48 с.

76. Солоненко В.Г. Математическое моделирование процесса резания и режущих инструментов /В.Г. Солоненко Краснодар: КубГТУ, 2001. -102 с.

77. Солоненко В.Г. Работоспособность шнековых сверл /В.Г. Соло-ненко, М.Г. Серикова, JI.A. Солоненко Кубан. гос. технол. ун-т. - Краснодар: Изд. КубГТУ, 2004.-108 с.

78. Солоненко В.Г. Повышение работоспособности режущих инструментов поверхностным пластическим деформированием /В.Г. Солоненко, И.В. Двадненко Краснодар: КубГТУ, 2001. - 97 с.

79. Солоненко В.Г. Износостойкость режущих инструментов /В.Г. Солоненко, Г.А. Зарецкий Ростов н/Д, Краснодар: Сев.-Кавказ. отдел Академии проблем качества КубГТУ, КубГТУ, 1998. -102 с.

80. Солоненко В.Г. Оценка износа режущих инструментов / В.Г. Солоненко, Г.А. Зарецкий //СТИН, 1994, № 2. С. 23,26.

81. Солоненко В.Г. Повышение работоспособности режущих инструментов /В.Г. Солоненко Краснодар, Ростов н/Д: КубГТУ, Сев.-Кавказ. отдел Академии проблем качества РФ, 1997. - 223 с.

82. Справочник технолога-машиностроителя. Т. 2 /Под ред. А.Г. Ко-силовой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.

83. Старков В.К. Методика прямого наблюдения дислокационной структуры пластически деформированной зоны при резании металлов /В.К. Старков //Резание и инструмент. Вып. 3. Харьков: ХГУ, 1972. - С. 28 - 34.

84. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов /В.К. Старков М.: Машиностроение, 1979. -160 с.

85. Толмачев B.C. Исследование процесса резания труднообрабатываемых износостойких наплавленных материалов в нагретом состоянии /B.C. Толмачев Автореф.дис. .канд.тех.наук. -Иркутск, 1960. -22с (Сельхоз-й ин-т).

86. Фукс МЛ. Состояние поверхностного слоя материалов после алмазной и эльборовой обработки /МЛ Фукс, Н.К. Беззубенко, Б.М. Свердлова-Киев: Вища школа, 1970. -160 с.

87. Чапорова И.Н. Влияние скоростей охлаждения после спекания на свойства сплавов WC-Co(Ni) /И.Н. Чапорова, Е.А. Щетилина // Твердые.

88. Чернявский К.С. Современные представления о связи структуры и прочности твердых сплавов WC-Co /К.С. Чернявский, Г.Г. Травушкин //Проблемы прочности, 1980, № 4. С. 11 -19.

89. Шишков В.Д. Современные методы упрочнения инструмента /В.Д. Шишков-Л., 1981.-68 с.

90. Якубов ФЛ. Энергетические соотношения процесса механической обработки материалов /ФЛ. Якубов Ташкент: Фан, 1985. -105 с.

91. Dobrescu R. N. Et al. Tratamental termic in vidai unor seule aschie-toare din otel rapid // Constructia de masini. -1982. - Vol.34. -N3. - P. 144-147.