автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка комплексной оценки несущей способности алмазно-твердосплавных пластин для инструмента

Академия наук Украины Ордена Трудового Красного Знамени Институт сверхтвердых материалов им. В.Н.Бакуля

На правах рулописи СЕРЕДА Георгий Викторович

УДК 539.374

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ АЛМАЗНО - ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПЛАСТИН ДЛЯ ИНСТРУМЕНТА

Специальность -05.02.01 "Материаловедение в машиностроении

(промыиленность)"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев - 1992

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте сверхтвердых материалов им. В.Н.Бакуля АН Украины,

г. Киев

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие

доктор технических наук Майстренко А.Л.

доктор технических наук Ляиенко Б.А.

кандидат технических наук Волкогон В.И.

Научно-исследовательский и проектный институт нефтяной и газовой промыиленносии (УкрГиПроНИИНефть).

Защита диссертации состоится 18 июня 1992 г. в 13.30 на заседании специализированного совета Д 016.10.01 при Институте сверхтвердых материалов им. В.Н.Бакуля АН Украины по адресу: 234153. г. Киев. ул. Автозаводская, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сверхтвердых материалов им. В.Н.Бакуля АН Украины.

Отзывы, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес специализированного совета.

Автореферат разослан /и мая 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук

А.Л.Уайстренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В последнее десятилетие, благодаря разработкам в области создания материалов при высоких давлениях и температурах, удалось получить новые инструментальные материалы, обладающие уникальными Физико-механическими свойствами - поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) на основе алмаза и плотных модификаций нитрида бора, получивших широкое распространение при изготовлении инструментов различных типов.

Опыт использования инструментов, оснащенных ПСТМ и в том числе алмазно-твердосплавными пластинами (АТП), показал, что во многих случаях выход их из строя происходит из-за хрупкого разрушения режущих элементов, когда действующие напряжения превышают предел прочности материала в конкретных условиях нагружения. Свойства АТП определяются технологией получения , структурой, их химическим и фазовым составом. Поэтому комплексное исследование физико-механических свойств АТП, их связи со структурно-технологическими факторами и определение эксплуатационных характеристик инструментов, оснащенных АТП, являются весьма актуальными в научном и прикладном плане.

.Целью представленной работы является разработка "системы комплексной оценки несущей способности и долговечности функциональных элементов инструмента на основе алмазно-твердосплавных пластин.

Указанная цель может быть реализована при решении следующих научно-технических задач:

- выполнить классификацию характерных типов технологических дефектов АТП и проранжировать их по степени опасности;

' - выполнить, анализ механизмов повреждения структуры алмазоносного слоя АТП и оценить влияние остаточных технологических напряжений на их несущую способность:

- разработать методики определения механических свойств алмазоносного слоя и прочности его связи с подложкой;

- выполнить анализ уровня нагруженности различных инструментов с функциональными элементами из АТП и разработать систему объективной оценки пригодности АТП для оснащения реяущих инструментов.

Научная новизна работы состоит в следующем. Впервыо определен комплекс Физико-механических свойств алмазного поликристалла АТП. Впервые установлен механизм перераспределения напряжений в двухслойных АТП при образовании и распространении несплошностей типа

трещин на границе сопряжения слоев. Предложена классификация характерных типов трещин в ДТП и оценка степени их влияния на изменение несущей способности функциональных элементов в условиях статических и циклических ударных нагрузок. Установлено, что трещины в АТП образуются в результате термоупругого несоответствия материалов поликристалла и твердосплавной подложки. Разработана методика определения прочности связи хрупкого поликристаллического покрытия с подложкой, позволившая впервые получить данные о прочности связи слоев ОТП в зависимости от их структуры, выполненных по различной технологии. Впервые получена кривая долговечности АТП в зависимости от уровня действующих напряжений. Сформулирована и обоснована система комплексной оценки несущей способности и долговечности функционального элемента на основе ПТП в инструментах различных типов.

Практическое значение и реализация работы. Разработан способ зкспресс-оценки износостойкости и классификации ДТП с использованием параметров сигнала акустической эмиссии. Созданный на основе АТП деревообрабатывающий инструмент обладает стойкостью в 20 раз выше по сравнению с твердосплавными пилами.От внедрения результатов разработки получен годовой экономический эффект в размере 138 тыс. руб.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на семинаре "Интерференционно-оптические методы механики твердого деформированного тела и механики горных пород" (Новосибирск, 1985 г.); Н-оы всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Еитомир, 1985 г.); XI 1-ом научно-техническом совещании по тепловой микроскопии "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур" (Москва, 1986 г.); Х1-ой конференции молодых ученых "Получение и применение сверхтвердых материалов" (Киев, 1986 г.); Международной конференции "Инструмент-89" (Братислава, 1989 г.); научном семинаре отдела прочности и долговечности сверхтвердых материалов ИСМ АН Украины.

Публикации. По теме,диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения, 160 страниц машинописного текста, ? таблиц, 32 рисунков и списка литературы, включающего 145 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРВАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность и цель настоящего ис-

следования, научная новизна и практическая значимость, а также приведено аннотированное содержание работы.

В первой главе выполнен обзор известных результатов исследо-■ ваний физико-механических свойств ПСТМ в зависимости от их структурного состояния. Несмотря на обилие данных о ПСТМ показано, что имеющихся на сегодняшний день данных о механических характеристиках двухслойных ПСТМ недостаточно для выполнения реальных количественных расчетов несущей способности алмазно-твердосплавных пластин в инструменте. • „ 0

Требования к методам механических испытаний поликристаллов ДТП и типы образцов обоснованы во второй главе. Детально описана методика подготовки ббразцов ДТП и испытаний на прочность и трещи-ностойкость, включающая оригинальный способ получения острой трещины в поликристалле в вершине исходного -надреза двухслойной пластины.

Исследован состав и структурное состояние алмазоносного слоя ДТП. Показано, что на стадии спекания поликристалла довольно часто возникают различные типы трещин, прожилки связующего, 'которые в процессе работы также способствуют образовании трещин. Установлено, что первопричиной возникновения прожилок является неравномерное распределение связующего в поликристалле, обусловленное неравномерностью распределения давления и температуры при изготовлении ДТП. Предложена классификация типов технологических дефектов ДТП в зависимости от условий их спекания. Проведен анализ механизмов повреждения поликристалла.

В результате обследование более 1000 изготовленных ДТП с трещинами было обнаружено, что титг и конфигурации трещин повторяются." Следовательно, их можно классифицировать по типам и проранжи-ровать по степени влияния на несущую способность пластины в конкретных условиях нагружения. Тр'ещитг; обнаруживаемые в ДТП даже при осмотре пластин посредством'оптического микроскопа МБС-9, можно подразделить на следующие типы: диаметральная трещина или пучек трещин этого типа, расположенных по диаметру - тип 1; радиальная трещина, пересекающая часть ДТП по диаметру от края пластины к центру - тип 2; трещина, отсекающая сегмент алмазоносного слоя -тип 3; кольцевая трещина - тип 4: сетка трещин на поверхности поликристалла - тип 5;'расслоение по алмазному слои - тип 6; расслоение между алмазоносным слоем и подложкой - тип 7; комбинация различных видов сколов - по типу 3 и 4, происходивших у кромки пластины. В'пределах каждого типа дефекта наблюдается различие как

размерами, так и конфигурацией, а также имеет место комбинация типов дефектов. •

Практически 502 дефектных АТП содержали трещины типа 1, 2. 4, а в остальных типичным дефектом являлись трещины типа 6 и 7. На пластинах с кольцевой трещиной, проходящей вблизи кромки, наблюдался выход ее на боковую поверхность по типу 6, то есть траектория ее направлена под углом к оси пластины.

В третьей главе приведены результаты комплексных исследований напряженно-деформированного состояния промышленно выпускаемых АТП, . определены величины и распределение остаточных технологических напряжений в без- и дефектной пластинах. Показано, что величина остаточных напряжений, действующих в поликристалле, в определенных областях близка к предельным значениям, эксплуатационные не напря-аения, исходя из принципа суперпозиции, накладываются на остаточные, но, как установлено, с обратным знаком. Изучено также перераспределение остаточных напряжений, обусловленное наличием в пластинах технологических дефектов. Доказано, что образование в пластинах трещин сникает уровень остаточных напряжений, которые прежде всего выполняют роль скрепляющих поликристалл напрявений , что, в конечном счете приводит к снижению несущей способности ДТП в процессе их эксплуатации в инструменте.

Исследования физико-механических свойств составных частей АТП показали, что свойства поликристаллического алмазоносного слоя и подложки .существенно отличаются (табл.1). Так, коэффициент температурного расширения твердого сплава подложки в 1,9 раза выше, чем у материала алмазного слоя. С модулями упругости ситуация противоположная: Еа = 1,5 Еп. Такое термоупругое несоответствие приводит к тому, что АТП в процессе охлаждения от температуры трансформации связки до комнатной приобретает весьма значительные по уровню остаточные технологические напряжения, которые оказывают, существенное влияние на несущую способность АТП в целом.

Напряжения в модели АТП, измеренные по общепринятой в фотоупругости методике разделения напряжений и пересчитанные на реальную конструкцию на основании условий подобия, приведены на рис.1.а. Анализ полученных эпшр напряжений показывает, что центральная часть алмазоносного слоя находится в условиях, близких к всестороннему сжатию. Максимальные напряжения расположены в плоскости сопряжения алмазного слоя с подложкой. В плоскости сопряжения слосз по напраплении от центра к краю пластины радиальные напряжения 6,. по абсолютной величине постепенно уменьшаются до нуля,

Флзико-механические свойства материалов,

Таблица 1, составляющих ЛТП.

1 ■ ------- 1 1 1 I Твердый ( 1 Алмазный |

| ' Характеристика I сплав | слой |

1 1 | ВК 8 | . 1 1 ДТП (

1 I Твердость НК, ГПа 1 1 |15,5-16,9| 40 - СО* |

(Прочность при изгибе , ГПа 1 1,6 | 0,80 - 0,85* |

(Прочность при растяжении (ТрС, ГПа 1 " 1 0,31 + 0,03 |

(Прочность при растяжении Ор , ГПа | 1,02* | 0,47 + 0,05 |

(Прочность при сжатии 0С , ГПа | 4-5л | |

¡Модуль Юнга Е, ГПа | 540* | 840 |

|Коэ4фициент Пуассона -0 | 0,26* | 0,17* |

|Трещиностойкость К1С, МПа+м1''2 1 10,8 | 6,8 ' |

|Коэф. теплопроводности Л, Вт/м*К 1 58,6, | 144,2* |

(Коэффициент температурного расши- 1 1 * I

| рения о<- , *10 ,К" 1 6,0 ( 3,2* (

|Плотность р , г/см3 111,7-14,4* 3,6*4,0 [

(Термостойкость, К | 1200 | 950 • |

(Износостойкость ш , км/мм | 1 0,4* | | | 50 (для алмаза)* | 1

★Характеристики получении в исследованиях М. Г. Лошака, А.-С. Щербакова, Подобы А. С., Супрун В. И. , Цыпина Н. В. .Гаргина В.Т.'(ИСМ'АН Украины).

Таблица 2.

Результаты экспериментального определения значений прочности на отрыв алмазоносного слоя ДТП от твердосплавной подложки.

1 |Тип алмазно-твердосплавной пластины и-вид | термообработки, которой она подвергалась 1 ' 1 |Разрушающие напря-| |жения б отр., МПа| 1 |

1 [ЛТП 60/40 - исходное состояние' 1 1 | 250 - 312 |

| После пайки на серебряный припой (920К) | 119 - 226 |

| После пайки на латунном припое (ТВЧ 1320К) 1 79 |

(Подложка выполнена с выступом | 310 |

|Алмазный слой с добавками бора 1 213 1

|Стратопакс: - 40/28 1 434 I

| - 125/100 | 263 1 1 1

а

б

Рис. 1. Распределение остаточных технологических напряжений по периметру АТП (сечение г » 0,85й): а - бездефектная двухслойная пластина; 6 - с частичным периферийным отслоением поликристалла от подложки на величину 0,15 я.

а окружные <э0 незначительно растут от 0,65 до 0,80 ГПа. Следует заметить, что (эр и (Зи алмазоносного слоя (табл.1) относительно низкие для инструментального материала. Поэтому сжимающие остаточные напряжения в алмазоносном слое играют роль скрепляющих поликристалл напряжений, обеспечивающих увеличение несущей способности ЙТП в целом. Осевые сжимающие напряжения в поликристалле при приближении к краю пластины переходят в растягивающие. Однако максимальное значение (32 = 0,2 ГПа в области сопряжения • слоев может быть опасным.Зтот результат вполне отражает причину наблюдаемого явления расслоения слоев, часто встречающегося на практике.

Из анализа эпюр остаточных технологических напряжений следует, что наиболее опасной областью пластины с точки зрения исчерпания несущей способности является сопряжение поликристалла с подложкой на боковой поверхности ЙТП. На практике также установлено, что наиболее.часто повторяющийся тип хрупкого разрушения ЙТП - отслоение поликристалла от подложки по периферии пластины. Поэтому особый интерес представляет перераспределение остаточных технологических напряжений в пластине с частичным отслоением слоя поликристалла от подложки (рис.1.6). Из этого рисунка следует, что образование трещины, как и следовало ожидать, приводит к разгрузке конструкции ЙТП в целом и абсолютные значения максимальных напряжений в ней уменьшаются. Но в результате для разрушения такой пластины в процессе эксплуатации потребуется гораздо меньшие приложенные усилит, так как в этом случае материал поликристалла, имеющий сравнительно низкие величины пределов прочности на растяжение и изгиб не подкреплен снимающими остаточными напряжениями, создаваемыми подложкой. Поэтому применение таких пластин будет оправдано только в инструментах, где предъявляются более высокий требования к износостойкости, чем к конструкционной прочности, что, очевидно, должно определяться типом инструмента и уровнем его нагруженности.

Таким образом дефекты, возникающие в процессе спекания либо в результате нагружения, будут в значительной мере зависеть не только от напряжений, возникающих при нагружении конструкции, но и от остаточных напряжений, под действием которых находится исходная пластина, и которые будут оказывать существенную роль, так как они одного порядка с напряжениями, возникающими от приложения внешней нагрузки. В частности, в лезвийном деревообрабатывающем инструменте, оснащенном режущими элементами из ЙТП, трещины отслоения поликристалла от подложки на величину до 0,151? не получали • р'азвития

на всем протяжении эксплуатации инструмента вплоть до его замены в результате нормативного износа режущей кромки.

В четвертой главе анализируется несущая способность ЙТП в зависимости от различных факторов, влияющих на несущую способность пластины в процессе ее работы. Разработан способ оперативной диагностики ЙТП по износостойкости, основанный на анализе параметров акустической эмиссии. Установлено, что перегрев пластин приводит к образовании ыикротрещин и пор в поликристалле, приводящих к разрыхлению его структуры и, как следствие, к резкому снижению износостойкости ЙТП.

В рамках промышленного производства инструмента, оснащенного алыазнотвердосплавными пластинами особое значение приобретает оперативная диагностика их износостойкости. В настоящее время износостойкость алмазнотвердосплавных пластин определяется методом строгания блока песчаника при глубине резания 0,5 мы и пути резания 50+1 м. После этого измеряется линейный размер площадки износа по задней грани режущей пластины ЙТП и классификация пластин производится по величине указанного износа. Несмотря на простоту этого метода, отражающего реальность контактных условий, в которых находится ЙТП, даже выборочные испытания весьма продолжительны и трудоемки и, что важно, не всегда представительны.

Новый разработанный способ определения износостойкости осуществляется правкой абразивного круга-контртела на фиксированную глубину (400 мкм), в процессе чего регистрируются параметры сигналов ЙЗ, генерируемых в пластине в процессе правки и по соответствующему критерию, в который входят эти параметры, определяется износостойкость режущих пластин».

В процессе правки контртела наблюдается образование некоторой конусности на его образующей поверхности, обусловленной постепенным износом режущей пластины при прямом ходе, и тем большей, чем. интенсивнее происходит ее износ. Глубина врезания в результате износа ЙТП уменьшается, соответственно падают и уровни параметров сигнала акустической эмиссии (АЗ). По завершению правки пластина выходит из зацепления с кругом и перемещается в радиальном направлении на величину упругих деформаций, имевших место в результате действия результирующей силы резания. Таким образом на обратном ходе резание будет осуществляться на глубину, равную именно этой

* Устройство регистрации и обработки сигналов ЙЭ разработано С.Л.Удовиком. СКТБ ИСН ЙН Украины.

упругой деформации и, следовательно, будет срезана только часть конуса круга, то есть пластина с низкой износостойкостью может выходить из зацепления даже не доходя до конца образующей поверхности круга. Все эти явления весьма четко отражаются параметрами сигнала АЗ в силу чрезвычайной чувствительности метода АЗ.

В настоящей работе было выполнено исследование изменения износостойкости АТП от режимов пайки, для чего были проанализированы ДТП двух классов: I - АТП с износом менее 0,3 мм по ТУ2-037-547-86 и II - некондиционные АТП с износом более 0,5 мм. Пластины I типа до пайки проходили испытания на износостойкость по методике правки абразивного круга-контртела. Затем часть из них припаивалась на серебряный припой с температурой ликвидуса 923 К, а затем выпаивалась и проходила снова испытания на износостойкость. Другая часть кондиционных пластин первого класса припаивалась ТВЧ к корпусу, на латунный припой с температурой ликвидуса 1323 К, затем они также выпаивались и испытывались на износостойкость. Состояние поверхностей площадок износа обеих партий пластин изучались на электронно-сканирующем микроскопе "СапзсагМОУ". В результате установлено, что в пластине, имевшей достаточно высокую износостойкость до пайки на припой.ПСР (износ И = 0,108мм), износостойкость остается практически на том же уровне (Ь =0,083мм). При этом структура поверхности износа режущей пластины осталась весьма однородной.

Наряду с исследованиями по определению стандартных физико-механических свойств материалов слоев алмазно-твердосплавной пластины практика технологии крепления АТП пайкой на корпуса инструмента показала, что не смотря на достаточно высокие значения прочности слоев, тем не.менее в процессе пайки наблюдалось отслаивание алмазного слоя от подложки. Причины этого явления проанализированы в предыдущей главе, где показано, что термоупругое несоответствие спеченных слоев весьма ощутимо, и именно это несоответствие обуславливает высокий уровень остаточных температурных напряжений, возникающих в сопряженных слоях после их охлаждения. Однако сведений о прочности сцепления ПСТМ с подложкой нет в связи с тем, что известные способы испытания прочности сцепления покрытий с подложкой реализовать для ПСТМ не представлялось возможным.

Разработанная в настоящей работе методика определения прочности связи слоев заключается в образовании полого цилиндра, составленного из двух сопряженных частей-слоев. Этот цилиндр образуется посредством встречной подрезки слоев цилиндрическими электродами на электроискровом станке. В результате приложения сосредото-

ченной силы ко внутреннму цилиндру в стенках вырезанного составного цилиндра реализуются растягивающие одноосные напряжения, действующие ортогонально плоскости сопряжения слоев.

В данном исследовании проведены испытания ЙТП в исходном состоянии различной конструкции ( в зоне сопряжения), после пайки на серебряный или латунный припои, с различной зернистостью алмазного слоя, а также для сравнения проведены испытания аналогичных пластин Стратопакс (фирма Диенерал Электрик. СЕ1А). Созданная оригинальная методика, позволила определить прочность связи поликристаллического слоя с подложкой на образцах малых размеров и проследить зависимость прочности связи от структурного состояния поликристалла, обусловленного технологией изготовления пластины. Установлено, что нагрев ЙТП до 920 К в 2 раза, а до 1300 К в 4 раза снижают прочность связи поликристалла с подложкой. Увеличение исходной зернистости используемого микропорошка алмаза для изготовления поликристалла алмазоносного слоя также ведет к снижения прочности связи слоев. Полученные данные о прочности слоя на отрыв приведены в таблице 2, из которой видно, что прочность связи ЙТП в исходном состоянии и после пайки на серебряный припой одного порядка с пластинами Стратопакс. Но главное в том, что растягивающие осевые остаточные технологические напряжения, определенные в главе 3, хотя и меньше прочности поликристалла при растяжении (см. табл.1), тем не менее одного порядка, с ними. Это обстоятельство подтверждает необходимость уделить особое внимание технологии пайки, при которой недопустим перегрев и длительное воздействие температуры на ЙТП, так как эти факторы оказывают наиболее существенное влияние на деградацию структуры алмазного слчя ЙТП, снижают прочность сцепления с подложкой и приводят к его отслаиванию.

В виду того, что ревущий элемент, как правило, подвергается воздействию циклических ударных нагрузок, для изучения его конструкционной прочности и ресурса и для оценки влияниячдефектов типа трещин в поликристалле на эти характеристики в условиях циклического ударного нагрунения была разработана методика и созданы специальные приспособления для циклических испытаний ЙТП. Принцип испытаний заключался в следующем. Кромка ЙТП вводилась в паз твердосплавной наковальни. Затем прикладывалась статическая нагрузка, равная нагрузке реального инструмента, нагружаемого в режиме циклического удара. Нагружение велось при частоте 10 гц. Были испытаны пластины, не содержащие исходные технологические дефекты, а также с характерными трещинами, Установлено,что влияние на стой-

кость ЙТГ1 оказывают лишь трещины расслоения, выходящие в направлении нагруженной кромки, а также кольцевые трещины у кромки ЙТП, выходящие на боковую поверхность пластины в области расслоения поликристалла. При этом, когда две сопряженные поверхности трещины сжимаются при внешнем нагружении, профили берегов не совпадают в результате упругой разгрузки слоя и локальные контактные напряжения на поверхностях трещины приводят -к хрупкому микроскалыванию поверхностей излома. Результаты испытаний показаны на рис. 2 в виде кривой долговечности. На кривой этого графика просматривается два участка: - первый, примерно до 10*-105циклов нестабильный участок, что связано, вероятно, с большей чувствительностью микродефектов на режущей кромке к большим нагрузкам, и второй - больше 10 циклов, характеризующийся стабилизацией процесса и постепенным выходом на асимптотическое пороговое значение.

На основании анализа обширной литературы по .резании можно сделать вывод, что все инструменты с ЙТП можно условно разделить на 3 группы по уровням нагруженности материала резца в окрестности режущей кромки. Зто инструмент для обработки древесно-стружечных материалов с результирующей силой резания Ря 40-50 Н, отношением усилий резания Py/Pz«l и глубиной резания О 0,15 мм; инструмент для обработки сталей - твердых сплавов с Р « 100 - 500 Н, Py/Pz ~ 1 и 2-0,3 мы; буровой инструмент с Р ~320-540 Н,

Py/Pz0,32-0,35 и О »0,5 мм*. Используя известную формулу С.П.Тимошенко с учетом перечисленных выие силовых факторов рассчи-

Qmax

______ _________________ ........._____г........... х при изгибе консоли в форме клина, для всех трех групп рассматриваемых инструментов

G max И-h

х = ft--.

' 2-Iz

tgJc¿-C0S4e¿ b h , где (i = - ; Iz =--момент инерции; M - Р;о;

J 3 (2 -sin 2°¿) 12

O - глубина резания; 2oí- угол у вершины клина; h - толщина клина в сечении, равном глубине резания.

Практический интерес представляет не столько абсолютная величина этого значения, сколько отноиение ее к предельным растягиваю-

* Конкретные данные о силовых режимах нагружения каждого типа инструмента получены сотрудниками ИСМ ЙН Украины.

Рис. 2. Зависимость долговечности АТП при циклическом ударном

нагружении.

<зР * ё°сг

1.1 \ \ \ * 1\\ч\\\\\\\\\\\\\»*\\\чч\\\\ч\\\\1

V \ \ \ 1\\\\\\\\\*\\}\\\х\\\\\\\\\»\1\\^

/•/./•■/•/•/•/■/•/•/•/•/-/«/-/•/-/-/•/-/-/-/-/-/-/-/-г-/-/»/-/-' ■ I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

0«ЛЛСП ЯШХЯОЙ КСЯАГАТЛИЯЯ иястмиггА С ДИ1

6, / б,

ЯУГОВОА внстгпют

КЕТАЛЛОаСГАБАШАМИЯ ЯНСТТШСНТ ЛЕГЫОСБГАЕЛтавЛМНЯ ЯНСГГУКЯТ

Рис. 3. Принцип оцейки несущей способности инструментов, оснащенных ДТП, с учетом их нагруяенности и дефектности. Пунктиром показана нагруненнос^ь поликристалла без остаточных напряжений.

- 14 -

щим напряжениям для поликристалла в АТП~, которые представляют собой суперпозицию непосредственно прочности алмазоносного слоя как изолированного материала бр и величины действующих остаточных сжимающих радиальных напряжений (зг, выполняющих роль скрепления поликристалла и тем самым увеличивающих допустимые предельные напряжения.

Как было установлено ранее, (э р=4?0 МПа , а 6г=245 МПа. Диа-

6тох л, а ос х /Ор+Ог

для различных типов инструментов приведено на рис.3. Физическим смыслом этой величины является уровень нагруженности материала поликристалла ДТП в конкретных условиях эксплуатационного нагружения по отношению к предельно допускаемым значениям нагружености для этого материала. Было также рассчитано значение приведенного контактного давления резца на обрабатываемый материал по отношению к его прочности при растяжении соответственно для древесно-стружеч-ных материалов; сталей и твердых сплавов; мрамора и кварцита. Эта величйна оценивает также уровень нагруженности, но уже в обрабатываемом материале, то есть описывает состояние обрабатываемого материала.

На рисунке 3 наглядно представлено соотношение между нагру-женностью поликристалла АТП в режущем инструменте и обрабатываемого материала. Из этого рисунка видно, что нагруженность алмазоносного слоя АТП для металлообрабатывающего и бурового инструмента на максимальных режимах близка к исчерпанию несущей способности, то есть к предельному значению соотношения напряжений, равному в этом случае 1. Однако в деревообрабатывающем инструменте, как следует из рис. 3, поликристалл работает, используя лииь третью часть своей потенциальной несущей способности и, следовательно, есть основание увеличивать нагрузки на режущий элемент за счет увеличения глубины или скорости резания, повышая тем самым интенсивность и эффективность процесса обработки, либо использовать АТП с меньшим предельным значением растягивающих напряжений алмазоносного слоя, что имеет место, в частности, в АТП, содержащих некоторые типы поверхностных дефектов.

Известно, что возникновение трещины в конструкции от действия остаточных напряжений частично снимает ее напряженность. В предыдущих разделах была показана эволюция разгрузки АТП от наиболее опасной трещины в поликристалле - трещины, плоскости берегов кито-рой параллельны плоскости алмазоносного слоя. Все остальные типы технологических дефектов в АТП также частично разгружают пластину

- -

радиальные и диаметральные трещины приводят к релаксации окруя-ных напряжений а кольцевые и сегментные трещины разгружают

конструкцию от Ог"7 Но при этом,как показано на рис. 3, разгрузка пластины в результате образования любой технологической трещины, оказывающей негативное влияние на изменение напряжений в области взаимодействия с обрабатываемым материалом, уменьшая несущую способность ЙТП в результате снижения уровня допускаемых растягивающих напряжений и, следовательно, переводит режущие элементы металлообрабатывающего или бурового инструмента в закритический режим нагруяенности конструкции, что, очевидно, недопустимо для работы инструмента. Поэтому в таких группах инструментов не рекомендуется использование ЙТП с технологическими трещинами 3 и 4 типов. В деревообрабатывающем инструменте разгрузка пластины от остаточных технологических напряжений, как следует из рис. 3, не выводит режущий элемент в режим перегрузки и он сохраняет запас несущей способности, достаточный для надежной работы этого класса инструмента, из чего следует, что в таком инструменте допустимо использование пластин с некоторыми типами технологических трещин в алмазоносном слое, за исключением, разумеется, трещин расслоения слоя поликристалла или отслоения его от подложки.

Исследованию конструкционной прочности реальных инструментов - дереворежущих пил, оснащенных ЙТП, посвящена пятая глава. Анализ видов разрушения режущих элементов из ЙТП показал, что преобладающим и наиболее"опасным видом является скол режущей кромки поликристалла. Это приводит к импульсной перегрузке последующего рабочего зуба в инструменте, приводящей его к разрушению. Разработанная система комплексной оценки несущей способности ЙТП дает обоснованную возможность использовать функциональные элементы из ЙТП при наличии трещин определенных видов в режущих элементах дереворежущих пил без снижения их долговечности и надежности в целом, что расширяет возможности эффективного использования поликристаллов.

Для проверки адекватности предложенной выше концепции оценки несущей способности ЙТП для инструмента был выбран дереворежущий инструмент для обработки д^евесно-стружечных плит (ДСП). Для оценки конструкционной прочности, надежности и ресурса зуба пилы, оснащенной ЙТП и оценки влияния наиболее опасных дефектов типа трещин в поликристалле были проведены испытания по принципу, описанному выше. Циклическое ударное нагружение с частотой 100 гц и усилием в ударе !00 Н реализует напряженное состояние в режущем инс-

трументв наиболее близкое к тона, которое возникает при обработке щитов ДСП. Таким образом эта методика позволяет оценить конструкционную прочность зуба дисковой пилы работающей в режиме разрезки и подрезки ДСП.

Как показали испытания, отслой алмазоносного слоя от подложки начинал проявлять себя при нагрузках на зуб только выше 700 Н. Другой распространенный тип дефекта - диаметральная трещина, выходящая на режущую кромку, в процессе испытания не развивалась и, следовательно, в данных условиях является не опасной. Под нагрузкой по 250 Н на зубья, не содержащие трещины, а также с трещинами, которые, как предполагалось, являются неопасными, проведены стой-костные испытания на малоцикловую усталость и сколов кромки до 105 циклов нагружения не наблюдалось. Так как нагрузка на каждый зуб при подрезке и обрезке ДСП, согласно данным исследований, проведенных в лаборатории обработки полимерных материалов,'не превышает 60 - 70 Н, то .естественно, можно сделать заключение, что ЙТП с указанными типами дефектов по своим прочностным характеристикам вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к режущему элементу зуба. Затем подбирались пластины, прошедшие экспресс-оценку по износостойкости с тем, чтобы каждая пила оснащалась режущими элементами одного уровня износостойкости. Этим исключался преждевременный выход из зацепления с обрабатываемым материалом отдельных, наименее износостойких зубьев, сопровождаемое резким увеличением нагрузки на последующие за ними режущие элементы.

0 результате комплексной оценки'несущей способности на основании анализа структуры, физико-механических свойств и дефектности резцов из ЙТП были созданы сборные пилы с ЙТП для обработки мебельных заготовок на автоматических линиях, которые, как показали лабораторные и производственные испытания,обеспечивают повышение стойкости до переточки по сравнению с твердосплавными пилами в 20 раз. За счет сокращения потерь времени на замену инструмента обеспечилось повышение производительности оборудования в 1,2-1,5 раз. Продолжительное сохранение инструментом режущих свойств позволило также снизить потребляемую мощность при резании на 30-50И.

ВЫВОДЫ

1. Сформулирована и обоснована система комплексной оценки несущей способности АТП, заключающаяся в определении и регламентации предельно допускаемого значения отношения максимальных растяги-

вающих напряжений в алмазоносном слое резца к его прочности с учетом остаточных технологических напряжений и дефектности ЙТП в инструментах различного уровня нагруженности.

2. Впервые предложена и выполнена классификация характерных типов технологических дефектов ДТП. В результате проведенной оценки степени их влияния на снижение несущей способности инструментов установлено, что наиболее опасным дефектом является отслоение алмазоносного слоя от подлодки в секторе периметра зоны контактного взаимодействия с обрабатываемым материалом, а резцы с таким типом дефекта должны быть изъяты из обращения.

3. Зкспериментально установлены распределения остаточных технологических напряжений в ЙТП и их перераспределение в результате образования дефектов. Определена их роль в качестве скрепляющих алмазоносный слой и повышающих несущую способность ЙТП в целом.

4. Впервые определен комплекс физико-механических свойств поликристаллического алмазоносного слоя ЙТП, на основании которых можно выполнять реальные численные расчеты несущей способности инструмента оснащенного функциональными элементами из ЙТП.

5. Разработана методика экспериментального определения долговечности ЙТП(ЙТР) при циклическом ударном нагружении. Построена кривая долговечности, на основании которой определено значение допускаемых контактных напряжений в ЙТП при ударном нагружении на уровне 1450 МГСа.

6. Разработан новый способ оперативной диагностики износостойкости ЙТП на основании анализа параметров сигнала ЙЭ. генерируемых в ЙТП в процессе правки абразивного круга-контртела. При этом износостойкость ЙТП будет пропорциональна изменению от 0 до 1 безразмерного отношения потенциальной энергии сигнала ЙЗ, регистрируемого на первой половине процесса правки образующей круга ко второй ее части. Разделение пластин по износостойкости на три класса осуществляется с коэффициентом корреляции не ниже

. 0,9.

7. Разработана специальная методика и впервые определена прочность связи между алмазоносным слоем ЙТП и твердосплавной подложкой. Установлено, что прочность связи изменяется в диапазоне от ?9 до 312 МПа в зависимости от условий технологической термообработки.

6. На основе ЙТП создан новый тип деревообрабатывающей пилы, обладающей стойкостью в 20 раз большей по сравнению и серийными твердосплавными пилами. От внедрения разработки получен годовой

экономический эффект в размере 138 тыс.руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Моделирование механизма хрупкого разрунения композитов с «есткими частицами методой фотоупругости /А.Л.Майстренко, Г.В.Середа //Интерференционно-оптические методы механики твердого деформированного тела и механики горных пород. Тезисы семинара.- Новосибирск. НИИ1Т, 1985. с.30.

2. Применение метода фотоупругости для моделирования механизма хрупкого разруиения композитов /Середа Г.В.//II Всесоюзный симпозиум по механике разруиения . Нитомир. Тезисы докладов. Т.П.Киев: ИПП АН Украины. 1985, с.43.

3. Определение остаточных технологических напряяений в алмазно-твердосплавных пластинах / Майстренко А.Л., Андросов K.M., Середа Г.В.//XII Научно-техническое совещание по тепловзй микроскопии "Структура и прочность материалов в иироком диапазоне температур". Тезисы докладов.- И.: АН СССР, Институт Маииноведения им. А.А.Благонравова, МО и МГП, НТО Машпроы. 1986. C.13S-137.

4. Характерные виды разруиений алмазно-твердосплавных пластин /Андросов И.М., Середа Г.В.//XI Конференция молодых ученых "Получение и применение сверхтвердых материалов".- К.: ИСМ АН Украины, 1986, с. 97-99.

5. Реяущий инструмент из сверхтвердых материалов для обработки древесных плит /Федосеев Л.А., Лучин Ю.П.. Андросов И.М., Ди-денко O.A., Ширин Б.М., Черленяк И.И., Середа Г.В.//Меядународная конференция "Инструмент-89".- Братислава, 1989, с. 63-64.

6. A.c. 1711034 MKK*G 01 N 3/58. Способ прогнозирования износостойкости режущих пластин /Удовик С.Л., Олейников Б.А., Минасе-вич Б.Б.. Овсяник В.П.. Середа Г.В. Опубл. 7.02.1992. Бялл.ИЭ.

. ¿4 - -

7 '

Подл, в дач. 08.05.92 г. Формат 60x90/16. Дум. писч. Шч. офо. Усл. пач. л. 1,0. Уол.кр.-отт. 1,0. Уч.-изд.л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ 1690.

Институт сверхтвердых материалов АН Украины 252153 Киав-153, ул. Автозаводская, 2

Ротапринт ИСМ АН Украины