Чебоксары, Россия
Чебоксары, Россия
Чебоксары, Россия
Чебоксары, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Проведено исследование процесса точения закаленных сталей резцами из режущей керамики с привлечением современных физических методов, таких как растровая электронная микроскопия и микрорентгеноспектральный анализ. Установлено напряженно-деформированное состояние минералокерамических пластин. Сформулирована концепция механизма изнашивания, исследованы топография изнашиваемых участков и физико-химические взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов при резании. Установлены пути повышения срока службы инструментов и рекомендованы условия обработки закаленных сталей.
точение, закаленная сталь, минералокерамика, зона контакта, механизм изнашивания
Введение
Содержание вольфрама в земной коре небезгранично и крайне недостаточно. На территории нашей страны потребление его в машиностроительном производстве растет. Поэтому широкое использование инструмента из недорогостоящих минералокерамических твердых сплавов является одним из путей сокращения применения дефицитного и дорогого вольфрамсодержащего сырья.
В работе [1] приводятся результаты многочисленных испытаний различных марок керамики при точении и фрезеровании широкой гаммы конструкционных материалов. По стойкости керамические инструменты не уступают, а иногда и превосходят такие сплавы, как TI5K6, Т30К4, ВК6, BK8.
В то же время на большинстве предприятий механообрабатывающей промышленности объёмы применяемого инструмента из керамики крайне низки. На ряде предприятий укоренилось мнение о низкой надежности и стабильности механических свойств керамики. Последнее обстоятельство почти полностью исключает использование керамики на автоматических линиях, в ГПС и других системах с многоинструментальной наладкой. К тому же керамика из-за недостаточной прочности и плохой шлифуемости отнесена к классу труднообрабатываемых материалов. Изучение качества поверхностного слоя инструмента из керамики является особенно перспективным направлением, поскольку большая его часть, ввиду несовершенства технологии изготовления, преждевременно выходит из строя и стойкостные свойства керамических инструментов используются недостаточно [2-7].
Методика проведения исследований
Исследование механизма взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов, определение состава продуктов, образующихся в зоне резания, позволяют глубже понять процесс изнашивания режущих инструментов [8-12]. С этой целью проводили изучение элементного и фазового состава контактных поверхностей, задней и передней поверхностей пластин ВОК-71 при обработке образцов из стали Х12М твердостью HRCэ 58…60. Для сравнения полученных результатов исследовались пластины в исходном состоянии.
Элементный состав продуктов взаимодействия изучали методом микрорентгеноспектрального анализа при помощи рентгеновского микроанализатора «Линк-860», входящего в состав растрового электронного микроскопа «Стереоскан-150». Кроме интегральной диаграммы элементного состава исследованных поверхностей были получены концентрационные кривые интенсивности распределения отдельных элементов вдоль линии сканирования с наложением на рельефное изображение сканируемых поверхностей (рис. 1). Качественную оценку получали в сравнении с эталонными образцами.
Обсуждение результатов исследований
На поверхности эталонного образца режущей керамики ВОК-71 содержатся следующие элементы, являющиеся ее компонентами: Aℓ, Si, Zr, Ti и небольшое количество Fe и W. При резании стали Х12М (HRCэ 58…60) пластинами из ВОК-71 во всем исследованном скоростном диапазоне на задней поверхности зоны износа надежно фиксируется появление новых элементов, не принадлежащих эталону. Этими элементами являются Mo, Cr. Значительно возрастает интенсивность отражений Fe (рис. 1, 2). Появление на изношенных поверхностях керамики молибдена и хрома или их соединений вполне объяснимо, так как эти элементы входят в состав обрабатываемого материала. Наличие других элементов, например Са, возможно, связано с их присутствием в стали в виде раскислителей. Наличие химических элементов на контактирующих поверхностях пластин ВОК-71 до и после обработки стали Х12М представлено в таблице.
При резании стали Х12М во всем скоростном диапазоне отсутствуют пики Zr, W (рис. 1). Во всех случаях с ростом скорости резания фиксируется возрастание пика кальция на изношенных поверхностях и снижение пика кремния. Этот эффект усиливается при использовании СОЖ. В зоне резания закаленных сталей режущей керамикой, обладающей низкой теплопроводностью, возникают высокие температуры. При точении закаленной стали режущей керамикой в условиях достаточно высоких температур в зоне контакта происходят оплывание режущей кромки и термическая деструкция матричного материала (рис. 2, 3), тем большие, чем выше скорость резания.
Таблица
Наличие химических элементов на контактирующих поверхностях пластин ВОК-71 до и после обработки стали Х12М твердостью HRCэ 58…60
|
Химические элементы Материал |
Al |
Si
|
Zr |
Ti |
Fe |
W |
Mo |
Cr |
Mn |
V |
B |
C |
|
ВОК-71 (до обработки) |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
Х12М (HRCэ 58…60) |
|
+ |
|
|
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
ВОК-71 (после обработки) |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
|
+ |
+ |
|
|
|
|
При анализе фотографий изношенных задних поверхностей пластин из ВОК-71 можно отметить характерную особенность – образование наплывов, нависание их над задней поверхностью, стекание вдоль вектора скорости, срывы и сколы этой массы на задней поверхности (рис. 3 а, б). Характер наплывов изменяется с ростом скорости резания (оценка визуальная). При скорости резания V= 1,5 м/с наплывы более массивные и смещаются при переходе на заднюю поверхность. Физическая природа образования наплывов неясна. Возможным вариантом является процесс образования аморфных стеклоподобных структур, содержащих в себе компоненты инструментального материала, с участием обрабатываемого материала и внешней среды.
На задней поверхности видны проточины и налипы обрабатываемого материала. Концентрационные кривые показывают снижение доли Al и Ti и резкое возрастание доли Fe при прохождении линии сканирования через налип (рис. 3б). При V=3,5 м/с область наплывов распространяется на всю заднюю поверхность, слой наиболее тонок, имеет вид остеклованной пленки, сквозь которую местами видна исходная поверхность керамики. Количество налипов обрабатываемого материла на контактных поверхностях незначительно. Складывается впечатление, что остеклованная масса при высоких скоростях резания была более жидкой. Подобные изменения внешнего вида изношенных поверхностей связаны, вероятно, с разной температурой в зоне резания.
Из литературы известно, что образование стеклофазы отмечалось при нагреве керамики на основе нитрида кремния в присутствии нитрида циркония [1], а образование разделительной жидкой фазы при точении закаленной стали описано в работах [5; 6].
В качестве аргумента авторы приводят сферическую форму образований, обнаруженных вблизи зоны резания и содержащих в своем составе элементы контактирующих материалов.
Подобные сферические образования видны на рис. 3б. Появление жидкой фазы, по-видимому, является особенностью при резании закаленных сталей для пластин из керамики. Присутствием жидкой фазы могут быть обусловлены низкие коэффициенты трения, характерные для указанных инструментов.
При обработке закаленной стали минералокерамикой происходит интенсивное взаимодействие инструментального и обрабатываемого материалов. На низких скоростях оно носит характер адгезионного взаимодействия, а на высоких скоростях под действием высоких температур возможны диффузионные и другие физические и химические процессы [3; 12-15].
Механизм изнашивания инструментов из режущей керамики представляется следующим образом. На первом этапе происходит взаимодействие обрабатываемого и инструментального материалов физико-химического характера. Под действием высоких температур происходит оплывание режущей кромки, циклический характер их воздействия провоцирует трещинообразование из-за различия коэффициентов линейного расширения фаз, входящих в состав керамики. С течением времени происходит деструкция инструментального материала, накапливаются усталостные явления. Силами адгезии ослабленные кристаллиты отрываются от матричного материала и пропахивают контактные поверхности. Конечный этап – абразивный износ, являющийся результатом всех предыдущих стадий.
Выводы
1. При точении закаленных сталей резцами из режущей керамики наибольшее влияние на износостойкость инструмента оказывают физико-механические свойства инструментального материала. Изнашивание пластин из оксидно-карбидной керамики происходит в виде оплывания режущей грани под воздействием высокой температуры в зоне резания и, вероятно, процесса «остеклования» керамики. Циклическое воздействие этих факторов при различии коэффициентов линейного расширения фаз, входящих в состав керамики, вызывает усталостные явления и приводит к разрушению режущих кромок инструмента.
2. При использовании пластин из минералокерамики целесообразно подавать СОТС в зону резания в распыленном виде. Полив недопустим, так как приводит к циклически повторяющимся тепловым ударам и разрушению пластин при резании.
3. В целом износ пластин из минералокерамики происходит путем деструкции матричного материала, адгезионного взаимодействия с обрабатываемым материалом, вырыва и уноса частиц инструментального материала стружкой и обрабатываемой поверхностью. Процесс изнашивания в конечном счете является актом механического разрушения режущей кромки и контактных поверхностей при различии причин, вызывающих такое разрушение.
1. Гартфельдер, В.А. Физико-технологические особенности процесса точения конструкционных материалов инструментами из СТМ: авто-реф. дис. … канд. техн. наук / В.А. Гартфельдер. - Куйбышев, 1990. - 23 с.
2. Степанов, Ю.С. Моделирование микрорельефа абразивного инструмента и поверхности детали: монография / Ю.С. Степанов, Е.А. Белкин, Г.В. Барсуков. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 214 с.
3. Янюшкин, А.С. Повышение эффективности алмазного инструмента на металлической связке при шлифовании высокопрочных материалов / А.С. Янюшкин, Д.В. Лобанов, В.Ю. Скиба, В.А. Гартфельдер, Л.С. Секлетина // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2017. - № 3 (76). - С. 17-27.
4. Худобин, Л.В. Минимизация засаливания шлифовальных кругов / Л.В. Худобин, А.Н. Унянин. - Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2007. - 298 с.
5. Гогоци, Ю.Г. Окисление спеченной керамики на основе нитрида кремния с добавкой карбонит-рида титана и нитрида циркония / Ю.Г. Гогоци, В.К. Казаков [и др.] // Сверхтвердые материалы. - 1988. - № 1. - С. 27-33.
6. Клименко, С.А. К вопросу об износе инструмента из кубического нитрида бора / С.А. Клименко, Ю.А. Муковоз [и др.] // Сверхтвердые материалы. - 1988. - № 2. - С. 42-45.
7. Костецкая, Н.Б. Механизмы деформирования и разрушения поверхностей трения при трибо-окислительных процессах / Н.Б. Костецкая // Сверхтвердые материалы. - 1986. - № 1. - С. 48-54.
8. Братан, С.М. Моделирование съема материала при шлифовании поверхностей с введением в зону обработки дополнительной электрической энергии / С.М. Братан, Д.Е. Сидоров, Д.В. Ре-венко // Вiсник СевНТУ. - 2011. - № 118. - С. 6-14.
9. Козлов, А.М. Моделирование совмещенной абразивной обработки / А.М. Козлов, Д.В. Боглов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2010. - № 2. - С. 50-53.
10. Лобанов, Д.В. Совершенствование технологии затачивания твердосплавного дереворежущего инструмента: дис. … канд. техн. наук / Д.В. Лобанов. - Братск, 2005. - 148 с.
11. Носенко, В.А. Влияние контактных процессов на износ круга при шлифовании / В.А. Носенко // Инструмент и технологии. - 2004. - № 17-18. - С. 162-167.
12. Mogilnikov, V.A. Diamond-ECM Grinding of sintered hard alloys of WC-Ni / V.A. Mogilnikov, M.Y. Chmir, Y.S. Timofeev, V.S. Poluyanov // Procedia CIRP. - 2016. - Vol. 42. - Р. 143-148.
13. Strelchuk, P.M. The energy intensity analysis of the diamondspark grinding of the WolKar nanostruc-tural hard alloy / P.M. Strelchuk, M.D. Uzunyan // Journal of Superhard Materials. - 2010. - Vol. 32. - Р. 50-54.
14. Kim, C.S. Modeling the Relationship Between Microstructural Features and the Strength of WC-Co Composites / C.S. Kim, T.R. Massa, G.S. Rohrer // Int. J. Ref. Metals. Hard. Mater. - 2006. - № 24 (1-2). - P. 89-100.
15. Yanyushkin, A. Contact processes in grinding / A. Yanyushkin, D. Lobanov, P. Arkhipov, V. Ivancivsky // Applied Mechanics and Materials. - 2015. - Т. 788. - Р. 17-21.
