Способ определения оптимальной скорости резания

 

Изобретение относится к области обработки сталей и сплавов резанием при непосредственном использовании твердосплавных режущих инструментов на металлорежущем оборудовании, а также при их аттестации и сертификации. Способ включает измерение температуры в зоне контакта инструментальный - обрабатываемый материал при различных скоростях резания с построением графической зависимости и предварительный нагрев образцов твердосплавных инструментов для построения зависимости исходного параметра от температуры. Для повышения точности и снижения трудоемкости в качестве исходного параметра выбирают температуру предварительного нагрева твердосплавного инструмента, при которой в его формирующейся полиоксидной полупроводниковой поверхностной структуре - пленке достигается наибольший уровень дырочной проводимости, обеспечивающей наибольшее снижение электрической составляющей силы адгезионного взаимодействия с обрабатываемым материалом, затем по построенной графической зависимости скорость резания - температура резания назначают в качестве оптимальной скорости резания скорость, при которой температура нагрева в зоне рабочего контакта соответствует выбранной температуре предварительного нагрева твердосплавного инструмента. 3 ил.

Изобретение относится к области обработки сталей и сплавов резанием и может быть использовано для определения рабочего параметра твердосплавных режущих инструментов - оптимальной скорости резания при непосредственном их использования на металлорежущем оборудовании, а также при аттестации и сертификации этой твердосплавной продукции.

Известен способ определения оптимальной скорости резания (а.с. № 1028427, МПК3 В 23 В 1/00, БИ № 26, 1983), основанный на нахождении последней по выбранному исходному параметру, связанному с изменениями характеристик кристаллической решетки. В качестве исходного параметра для определения оптимальной скорости резания выбирают период кристаллической решетки, определяют его при различных скоростях резания (температурах), а оптимальную скорость принимают равной наибольшей скорости, при которой период решетки будет максимальным.

Процесс определения параметров кристаллической решетки с помощью дифрактометров является сложным и трудоемким. Исследование изменений в кристаллической решетке твердосплавной режущей пластинке производится после прекращения опытов по резанию и специальной подготовке, включающей ее очистку, возможное разрушение и выбор места контроля. Вследствие разной скорости охлаждения различных областей инструментального материала, после очередного нагревания в процессе резания, осуществляемого в диапазоне 400-800°С за счет изменения скорости резания, снижается вероятность точного определения происходящих изменений. Неточности возникают и вследствие того, что исследованию подвергается локальная - случайная зона износа твердого сплава, структурные параметры которой значительно отличаются от других смежных областей ввиду неодинакового характера распределения температурного поля при различных скоростях резания. Поэтому получаемые результаты изменений параметров кристаллической решетки являются весьма приближенными и имеют недостаточную степень статистической значимости.

Известен способ определения оптимальной скорости резания (а.с. 841779, МПК3 В 23 В 1/00, БИ № 24, 1981), основанный на том, что наибольшей скорости режущего инструмента соответствует минимальная длина участка упрочения на контактной поверхности режущего инструмента. Выбор в качестве исходного параметра длины участка упрочения объясняется тем, что его размеры характеризуют деформационное состояние металла в контактной зоне, характер и градиент действующих температурных полей, условия взаимодействия металла контактной зоны с передней поверхностью инструмента и оказывают большое влияние на интенсивность износа режущей части инструмента. Измерение размеров участка упрочнения осуществляют с помощью микроскопа: строят график зависимости длины участка упрочнения от скорости резания. По минимальной длине участка упрочнения на графике определяют оптимальную скорость резания.

Основным недостатком рассмотренного способа является высокая трудоемкость и низкая надежность в точном определении длины участка упрочнения вследствие его небольшой величины, составляющей в среднем 0,1-1,0 мм, и значительной неопределенности положения границ. Кроме того, определение длины участка упрочнения на рабочих поверхностях режущего клина с помощью микроскопа отличается недостатками методического характера, основным из которых является то, что упрочненный слой является весьма неоднородным по длине и глубине залегания вследствие флуктуационного характера действующих на поверхностях контактных напряжений, изменяющихся от максимальных значений, действующих у режущей кромки, до нуля в точках выхода трибологической пары из контакта. Вследствие этого длины участков упрочнения на контактных поверхностях режущего инструмента, отражающих количественные и качественные изменения структуры материала, измеренные с помощью микроскопа, а также другими методами, например измерением микротвердости, часто не совпадают и даже имеют различный характер изменения. Ввиду рассмотренных причин возможны большие погрешности и в определении оптимальной скорости резания.

Известен способ определения оптимальной скорости резания для инструментов из твердых сплавов (а.с. № 1227339, В 23 В 1/00, БИ № 16, 1986), выбранный в качестве прототипа и заключающийся в том, что в качестве исходного параметра выбирают уровень вакансионной дефектности в структуре твердого сплава. Сначала последовательно измеряют степень вакансионной дефектности при различных температурах нагревания. Затем оптимальную температуру - скорость резания определяют как наибольшую температуру - скорости, при которой устанавливается в структуре минимальное значение уровня вакансионной дефектности.

Недостатком данного способа является то, что степень минимальной вакансионной дефектности не всегда отвечает равновесному термодинамическому состоянию структуры, при котором устанавливается наименьшее значение уровня свободной энергии твердого тела как консолидирующей системы, состоящей из отдельных микрообъемов и при которой будет, вероятно, наблюдаться минимальная интенсивность адгезионного износа (см., например, Ван Бюрен. Дефекты в кристаллах. - М.: И.Л., 1961, 584 с.). Вследствие этого минимальная интенсивность износа режущего инструмента может происходить выше или ниже установленной оптимальной температуры - скорости резания. Отсюда следует, что точность данного способа будет недостаточно высокой. Кроме того, для проведения измерений необходимо иметь специальное помещение, оборудованное защитой от радиационного излучения, а обслуживающему оператору требуется пройти специальную подготовку для работы с радиоактивными источниками, каковым в данном случае является Na-22. Следствием изложенного может быть низкий уровень экономической целесообразности для использования способа по ближайшему аналогу.

Задачей предлагаемого способа является повышение точности и снижение трудоемкости в определении оптимальных режимов резания (оптимальной скорости резания).

Поставленная задача в предлагаемом способе - определение оптимальной скорости резания твердосплавными инструментами решается предварительным выбором исходного (определяющего) параметра и включает измерение температуры в зоне контакта инструментальный - обрабатываемый материал при различных скоростях резания с построением графической зависимости и предварительный нагрев образцов твердосплавных инструментов для построения зависимости исходного параметра от температуры, отличающийся тем, что в качестве исходного параметра выбирают температуру предварительного нагрева твердосплавного инструмента, при которой в его формирующейся полиоксидной полупроводниковой поверхностной структуре - пленке достигается наибольший уровень дырочной проводимости, обеспечивающей (наибольшее) снижение электрической составляющей силы адгезионного взаимодействия (с обрабатываемым материалом), затем по построенной графической зависимости: скорость резания - температура резания назначают в качестве оптимальной скорости резания скорость, при которой температура нагрева в зоне рабочего контакта соответствует выбранной температуре предварительного нагрева твердосплавного инструмента. Образование полиоксидного соединения на контактных поверхностях режущего инструмента с наибольшим удельным весом дырочного характера проводимости сопровождается снижением электрической составляющей общей силы адгезионного взаимодействия между контактирующими в процессе резания поверхностями. Это происходит вследствие функционирования в созданных условиях на контактных поверхностях режущего и обрабатываемого материалов полиоксидных пленок с одноименными зарядами, а именно с вакансиями в катионной подрешетке этих соединений, и имеющих, собственно, дырочный тип проводимости. По построенной графической зависимости: скорость резания - температура резания назначают в качестве оптимальной скорости резания скорость, при которой температура нагрева в зоне рабочего контакта соответствует выбранной температуре предварительного нагрева твердосплавного инструмента.

Установлено, что в зависимости от температуры нагревания на поверхности твердых сплавов образуются полиоксидные структуры с тем или иным уровнем дырочной проводимости. Проведенные многочисленные исследования показали также, что на поверхности подвергающихся резанию сталей и сплавов при нагревании их в электрической печи с ограниченным - адекватным по отношению к зоне контакта доступом атмосферного воздуха образуются полиоксидные структуры с большим или меньшим характером проявления именно р-типа проводимости.

Вследствие отталкивания одноименно заряженных поверхностей прочность формирующегося адгезионного контакта - микросваривания в локальной области, а вместе с тем и разрушительные последствия после его нарушения - разрыва контакта - снижаются. В результате твердофазных реакций между контактирующими микрообъемами образуются соединения с менее прочными химическими связями: например, вместо ионной или ковалентной формируется ковалентная со значительной долей металлической или исключительно металлической связью. В итоге адгезионный износ уменьшается. Процесс образования зарядов в полиоксидных структурах, образующихся на контактных поверхностях, обусловлен высокой температурой, давлением, пластической деформацией, периодическим - частичным разрушением пленок, трением и сопровождающими его эффектами, происходящими при резании сталей и сплавов.

В процессе резания различных сталей и сплавов твердосплавные режущие инструменты подвергаются интенсивному окислению и на их контактных поверхностях периодически образуются и разрушаются оксидные пленки. Наиболее низкая интенсивность износа у твердосплавных режущих инструментов была установлена при их эксплуатации в диапазоне оптимальных режимов резания - температур - при которых формирующаяся их поверхностная полиоксидная структура приобретает дырочную проводимость.

Образование такой структуры на поверхности твердосплавного инструментального материала происходит при температурах 600-1200°С и конкретное ее значение определяется в зависимости от химического состава твердого сплава, характера взаимодействия вольфрама с углеродом, наличия легирующих карбидов, уровня растворения карбида вольфрама в кобальте.

Как показывают эксперименты, на температуру (диапазон) нагрева, при которой полиоксидная структура приобретает наибольший удельный вес дырочной проводимости, оказывают различные виды упрочняющих воздействий, направленных на продление срока службы режущего инструмента. Среди них наиболее широкое распространение получили газофазные и ионно-плазменные покрытия, имплантация, модифицирование поверхности высокоэнергетическими потоками ионов или электронов, радиационная обработка. Перечисленные технологии упрочнения достаточно заметным образом влияют на термодинамические и кинетические особенности формирования полиоксидной структуры и соответственно на тип проводимости, определяющей характер ее взаимодействия с аналогичной структурой, образующейся на контактной поверхности обрабатываемого материала и имеющей, как было отмечено, дырочный тип проводимости.

Реализация способа выполняется в такой последовательности. Сначала отбирают твердосплавные пластинки и производят стойкостные испытания при резании определенной стали или сплава на различных режимах (скоростях) обработки. В процессе резания фиксируется с помощью специального высокочувствительного пирометра средняя температура в зоне резания. Строится график зависимости температуры от скорости резания. После этого твердосплавные пластинки устанавливаются в специальное приспособление, оснащенное электродами из жаростойкого сплава. В свою очередь, приспособление помещается в электрическую печь с ограниченным доступом атмосферного воздуха в строго фиксированное положение, обеспечивающее в зоне нагрева образца разность температур на контактах с электродами в пределах 10-20°С. Последнее обстоятельство обеспечивает надежное генерирование термоэдс в зависимости от температуры нагревания, величину которой регистрируют после того, когда на поверхности окончательно, в результате окисления, сформируется полиоксидная структура - композиция с определенным строением и свойствами. Это происходит после наступления стабилизации в показаниях милливольтметра, которая фиксируется только после некоторой выдержки образца при установленной температуре.

На основании полученных данных строится график зависимости изменения уровня дырочной проводимости - величины термоэдс, генерируемой полиоксидным материалом, образующимся на контролируемых поверхностях твердого сплава от температуры.

В зависимости от промышленной марки твердого сплава, его состава и строения - в области температур от 600 до 1200°С происходит, как правило, локальная конверсия контролируемого параметра (величины и направления термоэдс), в результате которой снижается удельное значение электронной составляющий проводимости и увеличивается значение дырочной проводимости.

Для твердых сплавов вольфрам-кобальтовой группы температурный промежуток, при котором происходит смена типа проводимости, составляет 25-75°С. Причем с увеличением в составе твердого сплава кобальтовой составляющей область температурного диапазона существования дырочного характера проводимости расширяется, а ее экстремальное значение смещается в сторону более низких температур.

Оптимальные режимы обработки резанием сталей или сплавов выбирают на основании температуры нагревания твердого сплава, при которой на его поверхности формируется полиоксидная структура, обеспечивающая наибольший переход от электронной к дырочной проводимости. Из уже имеющегося графика: скорость резания - температура резания (и графика температуры максимального проявления р-типа проводимости) выбирают оптимальную скорость резания.

Все действия по проведению измерений величины и типа проводимости - величины и направления термоэдс носят несложный и нетрудоемкий характер, не продолжительны по времени и по сравнению с аналогами и прототипом имеют более высокую точность в определении оптимальной скорости резания.

Как установлено, зависимость изменения характера проводимости от температуры носит экстремальный характер. Сначала, при увеличении температуры от 600°С и выше, когда начинается активное окисление поверхности твердого сплава, происходит рост термоэдс за счет увеличения подвижности электронов. Однако затем величина термоэдс начинает постепенно снижаться. Это происходит в результате достижения в структуре концентрации дырок, сопоставимой с концентрацией электронов. В результате компенсации электронов происходит смена направления протекания тока и существенное увеличение дырочного характера проводимости, которая сначала увеличивается, достигает наибольшей величины, а затем ее удельный вес вновь начинает снижаться. Выбор температуры - скорости резания, при которой наблюдается проявление максимального уровня дырочной проводимости, обеспечивает снижение силы адгезионного взаимодействия в зоне контакта инструментального и обрабатываемого материалов. Это сопровождается снижением величины твердофазного взаимодействия материалов в зоне контакта. В итоге снижается разрушительное последствие вследствие разъединения их контакта и, наконец, уменьшается износ режущего инструмента.

Предлагаемый способ обладает высокой точностью в определении оптимальных режимов резания (скорости резания), а следовательно, и качества выбранных твердосплавных режущих инструментов. Это, как показано, достигается за счет использования в качестве информативного исходного параметра типа проводимости - величины термоэдс, полученной при контроле полиоксидной структуры. Тип проводимости полиоксидной структуры полностью зависит от электронного строения данного соединения и существенным образом влияет на его важнейшие свойства: реакционную активность по отношению к другим материалам и к окружающей газовой среде, способность релаксировать и распределять тепловые потоки, образующиеся в зонах трения, оказывать достаточное сопротивление при воздействии на них различных видов механической нагрузки и т.д.

Наиболее важной причиной большой точности предлагаемого способа является высокая чувствительность связи между направленным движением электронов (типом проводимости) и направлением распространения тепловых потоков, которые существенно влияют на формирование адгезионного контакта и, в общем, определяют интегральный износ режущего инструмента.

С увеличением уровня дырочной проводимости снижается величина электрической составляющей твердофазного взаимодействия, а следовательно, и прочность формируемого адгезионного шва. В результате уменьшается разрушение от разъединения поверхностей, а следовательно, и общий износ режущего инструмента. С помощью данного способа представляется возможным по результатам оценки проявления дырочного характера проводимости от температуры прогнозировать интенсивность износа твердосплавных инструментальных материалов, давать оценку их качества (максимальный экстремум р-типа проводимости может проявляться при большей или меньшей температуре нагревания в печи), производить расчет наиболее экономически обоснованных режимов обработки при резании сталей и сплавов, в том числе и труднообрабатываемых

На фиг.1 представлена графическая зависимость изменения средней температуры в зоне резания от скорости резания, где: кривая 1 - для твердосплавной режущей пластинки из первой партии образцов; кривая 2 - для твердосплавной режущей пластинки из второй партии образцов.

Твердосплавные режущие пластинки были получены от двух разных предприятий-изготовителей.

На фиг.2 представлена графическая зависимость изменения термоэдс - показателя типа проводимости полиоксидного образования на поверхности твердосплавной пластинки (доли участия в проводимости электронов и дырок) от температуры нагревания твердосплавной пластинки:

кривая 1 - для твердосплавной пластинки из первой партии образцов;

кривая 2 - для твердосплавной пластинки из второй партии образцов.

На фиг.3 представлена схема измерения термоэдс в зависимости от температуры нагревания - окисления твердосплавной пластинки в электрической печи, где: 1 - твердосплавная пластинка, 2 - полиоксидные образования, 3 - электрод из высокотеплопроводного жаростойкого материала, 4 - электрод из низкотеплопроводного жаростойкого материала, 5 - изоляция.

Пример осуществления способа "Определение оптимальной скорости резания".

Оптимальную скорость резания определяли для режущих инструментальных пластинок марки ВК8 для двух партий твердосплавных материалов. Определение оптимальной скорости по предлагаемому способу производили в условиях токарной обработки хромоникелевой стали Х18Н10Т без использования СОЖ. Твердосплавные режущие пластинки сначала подвергались испытанию на износостойкость в процессе резания указанной хромоникелевой стали при различных скоростях резания (от 40 до 120 м/мин). Глубина резания и подача были постоянными и равнялись соответственно 1,5 мм и 0,23 мм/об. По данным исследований, также строилась зависимость изменения температуры в зоне контакта от скорости резания, показанная на фиг.1. Температура определялась с помощью высокочувствительного пирометра.

После проведенных измерений твердосплавные пластинки помещались в специальное приспособление, представленное на фиг.3, оснащенное электродами, которое затем устанавливалось в электрическую печь в строго определенное положение. Термоэдс при каждой выбранной температуре фиксировалась после завершения процесса образования на поверхности твердосплавных пластинок полиоксидной структуры со стабильными свойствами (через 0,2-1 мин). По показаниям прибора (милливольтметра) строилась зависимость: величина термоэдс - температура нагревания полиоксидной структуры, показанная на фиг.2. Экстремальное значение термоэдс на полученной зависимости (максимальный уровень проявления дырочного типа проводимости) являлось основанием для выбора оптимальной температуры - температуры наиболее выгодного (с целью достижения минимального износа) использования твердосплавных режущих пластинок, а соответствующая этой температуре скорость резания на графике “скорость резания - температура” выбиралась как оптимальная скорость эксплуатации этих пластинок.

“Истинный” тип проводимости определяли при контрольном измерении термоэдс, а в качестве проверяемого образца использовали порошковую окись кобальта ГОСТ 4467-79, имеющую заранее известный - дырочный характер проводимости (Болтакс Б.И. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках. - Л.: Наука, 1972, 382 с.).

Из графика “ тип проводимости и ее величина - температура нагревания” (фиг.2) следует, что оптимальная температура при резания стали Х18Н10Т резцами из твердого сплава ВК8 составляет для первой партии резцов 720°С, для второй партии резцов - 690°С. По полученным температурным значениям To₁ и To₂, определяющих наибольшие значения проявления р-типа проводимости у полиоксидных структур, устанавливали с помощью графика “скорость резания - температура резания” оптимальную скорость резания. Для первой партии резцов она составила 78 м/мин, для второй - 73 м/мин. Стойкостные испытания, проведенные при постоянной подаче, равной 0,23 мм/об и глубине резания 1,5мм, а также при различных скоростях резания показали, что именно при скорости резания, равной 78 м/мин, соответствующей температуре 720°С в зоне контакта для первой партии режущих пластинок, и при скорости резания, равной 73 м/мин, соответствующей температуре в зоне контакта, равной 690°С - для второй партии режущих пластинок наблюдаются минимальные интенсивности износа. Оптимальные скорости резания, полученные для первой и второй партий твердосплавных режущих пластинок по способу в соответствии с прототипом, равнялись соответственно: 80 и 76 м/мин. Проведенные стойкостные испытания показали, что при этих скоростях резания наблюдается повышенная интенсивность износа режущих инструментов по сравнению с определением оптимальной скорости резания, произведенным по предлагаемому способу. При этом в результате статистической обработки было получено, что коэффициент вариации износостойкости по предлагаемому способу для первой партии режущих пластинок составил 0,19; для второй – 0,23. По прототипу соответственно 0,26 и 0,29. Это указывает на больший разброс износостойкости режущих инструментов, эксплуатируемых на скорости резания, определяемой по прототипу, и на предпочтительный характер выбора оптимальной скорости резания по предлагаемому способу. В итоге износостойкость режущих инструментов обеих партий твердосплавных пластин, эксплуатируемых на режимах резания, определенных с помощью прототипа оказалась ниже по сравнению с пластинками, эксплуатируемыми на режимах резания в соответствии с предлагаемым способом.

Формула изобретения

Способ определения оптимальной скорости резания твердосплавными инструментами по выбранному исходному параметру, включающий измерение температуры в зоне контакта инструментальный - обрабатываемый материал при различных скоростях резания с построением графической зависимости и предварительный нагрев образцов твердосплавных инструментов для построения зависимости исходного параметра от температуры, отличающийся тем, что в качестве исходного параметра выбирают температуру предварительного нагрева твердосплавного инструмента, при которой в его формирующейся полиоксидной полупроводниковой поверхностной структуре - пленке достигается наибольший уровень дырочной проводимости, обеспечивающей наибольшее снижение электрической составляющей силы адгезионного взаимодействия с обрабатываемым материалом, затем по построенной графической зависимости скорость резания - температура резания назначают в качестве оптимальной скорости резания скорость, при которой температура нагрева в зоне рабочего контакта соответствует выбранной температуре предварительного нагрева твердосплавного инструмента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3