Способ прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов



Способ прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов

 


Владельцы патента RU 2422800:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области машиностроения и касается прогнозирования и контроля износостойкости твердосплавных (группа Р) режущих инструментов. Технический результат - повышение точности и снижение трудоемкости при прогнозировании износостойкости вольфрам - титан - кобальтовой, группы применяемости Р, режущих инструментов. Ресурс безаварийной работы данных режущих инструментов зависит от интенсивности диффузионных процессов в зоне контакта с обрабатываемом материалом. Поверхностная структура твердых сплавов оказывает большое влияние на величину и направленность указанных деструктивных явлений. Прогнозирование и контроль износостойкости режущих инструментов осуществляются по величине комплексного показателя силы и концентрации кислотно-основных активных центров - рН, полученной у измельченной твердосплавной массы. Способ основан на тесной корреляционной связи между поверхностными свойствами измельченной твердосплавной массы: величиной показателя силы и концентрации кислотно-основных активных центров - рН и износостойкостью твердосплавных режущих инструментов. С уменьшением рН у измельченной твердосплавной массы износостойкость твердосплавных режущих инструментов указанной группы возрастает. 1 ил.

 

Изобретение относится к области обработки металлов резанием и может быть использовано для прогнозирования - контроля износостойкости твердосплавных режущих инструментов при их изготовлении, использовании или сертификации.

Известен способ определения износостойкости твердых сплавов, заключающийся в том, что испытуемый материал помещают в переменное магнитное поле с напряженностью порядка 5 Э, измеряют магнитную проницаемость материала и по градировочному графику «магнитная проницаемость - стойкость», построенному для эталонного образца, определяют величину износостойкости материала [SU А.С. 268720, МПК G01N 3/58, БИ 1970, №14].

Одним из недостатков известного способа является то, что при измерении не учитывается влияние массы и размагничивающего фактора изделий, имеющих часто различные формы и габаритные размеры, на величину магнитной проницаемости, что приводит к снижению точности измерений. Кроме того, эксплуатационная характеристика - износостойкость - контролируется данным способом посредством оценки физического состояния с помощью относительной магнитной проницаемости только в одной из компонент твердого сплава - кобальтовой связке. Это происходит потому, что карбид вольфрама - парамагнетик - и вклад его от намагниченности в общую относительную магнитную проницаемость небольшой. Поэтому с помощью данного способа производится, по существу, оценка относительной магнитной проницаемости кобальта, его количество и деформационное состояние. При этом совершенно не учитываются другие свойства поверхности и объема твердого сплава, в том числе когезионное и адгезионное состояние на границах фаз и в объеме компонентов твердого сплава и т.д. Вследствие рассмотренных причин этот способ отличается низкой точностью при оценке износостойкости твердых сплавов.

Известен способ контроля режущих свойств партии твердосплавных инструментов, согласно которому сначала воздействуют на каждый инструмент (твердосплавную пластинку) из партии, регистрируют параметр контроля, затем выборочно подвергают механическому износу несколько инструментов из партии и определяют режущие свойства инструментов всей партии. Воздействие на каждый инструмент осуществляют путем равномерно распределенного импульсного нагрева, регистрируют хронологическую термограмму, в качестве параметра контроля определяют коэффициент температуропроводности каждого инструмента по результатам выборочного механизма износа в зависимости от коэффициента температуропроводности, а режущие свойства инструментов всей партии определяют, используя полученную зависимость [SU А.С. 1651155, МПК G01N 3/58, БИ 1991 №19]. Выбранным исходным параметром в данном способе является величина температуропроводности. Основным недостатком данного способа является то, что очень трудно более или менее точно определить скорость распространения тепла в материалах, в которых носителями тепла являются свободные электроны. Твердые сплавы являются такими материалами, и теплопередача у них обеспечивается за счет движения электронов. Температуропроводность всех твердых сплавов отличается на незначительную величину. Поэтому очень сложно определить флуктуации (изменяющие износостойкость) температуропроводности для одной конкретной марки твердого сплава (они практически незаметны). Последнее сопряжено с большими техническими трудностями. Должное обеспечение в этой ситуации операций контроля точными - воздействующими, регистрирующими и вспомогательными приборами и устройствами, гарантирующими необходимую точность, повлечет за собой значительное повышение себестоимости контрольных операций. Вследствие этого данный способ контроля является мало перспективным для использования как в лабораторных, так и в производственных условиях.

Известен способ прогнозирования износостойкости режущего инструмента, выбранный в качестве прототипа и заключающийся в следующем. Проводят эталонные испытания режущих инструментов при оптимальной или близкой к ней скорости резания, проводят испытания на изменение величины исходного параметра от свойств поверхностной полиоксидной структуры твердого сплава, сформированной в процессе его нагревания, строят эталонную корреляционную зависимость "исходный параметр - износостойкость", выполняют статистический контроль только величины исходного параметра для текущей партии твердосплавных режущих инструментов. После этого прогнозируют износостойкость для текущей партии инструментов на основании зависимости:

где Т(текущее), мин - износостойкость в минутах - среднее прогнозируемое время безаварийной работы твердосплавных режущих инструментов, подвергающихся испытаниям, из текущей партии образцов;

Т(эталонное), мин - средняя износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

τ(эталонное), пс - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

τ(текущее), пс - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из текущей - контролируемой партии. В качестве исходного параметра при этом используют величину времени жизни позитронов, внедренных в поверхность и приповерхностные слои твердых сплавов и производящих оценку электронной плотности их структуры. По величине электронной плотности прогнозируют износостойкость изготовленных режущих инструментов. [SU А.С. 2251095, МПК G01N 3/58, БИ 2005 №12]. Основным недостатком данного способа является высокая организационная сложность в его осуществлении. Для реализации этого способа необходим радиоактивный источник. В соответствии с нормами для его обслуживания существуют высокие требования. Необходимо иметь специальное помещение для его хранения. Измерение соответствующих параметров и обработку полученных результатов может производить только специально подготовленный и обученный персонал. С помощью данного способа производится оценка структуры на атомном уровне и не всегда сопоставление данных результатов с результатами, получаемыми по износостойкости, приводит к точному прогнозу. Данный способ позволяет проводить разбраковку - прогнозировать износостойкость твердых сплавов близких по виду и степени дефектности структуры. Сравнение структур, сильно различающихся по виду и степени дефектности, дает достаточно заметные погрешности в прогнозе износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Вследствие этого данный способ прогнозирования износостойкости не совсем точно характеризует эксплуатационные свойства, предопределяемые степенью дефектности структуры, что в итоге снижает степень тесноты корреляционной связи между исходным параметром и износостойкостью режущих инструментов. Тем не менее, данный способ контроля информативно отражает эксплуатационное состояние поверхностной структуры инструментального материала, что важно для установления связи между данной характеристикой и адгезионным износом, в большой степени зависящим от вида и степени дефектности поверхностного слоя, и мы выбираем его в качестве прототипа.

Задачей предлагаемого способа - прогнозирования износостойкости твердосплавных вольфрам - титан - кобальтовой, группы применяемости Р, режущих инструментов - является повышение точности и снижение трудоемкости при прогнозировании износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Прогнозирование основано на тесной корреляционной зависимости между износостойкостью и показателем кислотно-основных свойств - рН у поверхностной измельченной структуры твердых сплавов группы применяемости Р. С уменьшением комплексного показателя кислотно-основных свойств у измельченной поверхностной структуры - рН износостойкость твердосплавных (группа Р) режущих инструментов (режущих пластинок) при резании ими сталей и сплавов возрастает.

Поставленная задача при прогнозировании износостойкости твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р в предлагаемом способе решается путем использования выбранного исходного параметра и включает: проведение эталонных статистических испытаний на износостойкость в процессе резания машиностроительных материалов на металлорежущем станке, измерение - контроль исходного параметра, построение корреляционной - эталонной зависимости «износостойкость - исходный параметр» и последующий статистический контроль исключительно только величины исходного параметра у текущей контролируемой партии твердосплавных режущих инструментов (или отдельных инструментов) на основании зависимости:

где аЭ и вЭ - постоянные коэффициенты:

,

где Тпт (мин) - текущая юносостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов (пластин), подвергшихся испытаниям, из прогнозируемой текущей партии твердосплавной продукции;

рНпт (б/в) - текущее значение (безразмерная величина) выбранного исходного параметра, полученное при контроле измельченной твердосплавной массы (структуры) из твердосплавных режущих инструментов (пластин), из текущей контролируемой партии твердосплавной продукции;

(мин) - износостойкость в минутах для двух выборок сменных твердосплавных режущих инструментов (пластин) из эталонной партии твердосплавной продукции;

pHэ1 и pHэ2 (б/в) - безразмерные величины выбранного исходного параметра, полученные при контроле измельченной твердосплавной массы из двух выборок образцов твердосплавных режущих инструментов (пластин), из эталонной партии принимаемой (отправляемой) продукции, отличающийся тем, что с целью повышения точности прогнозирования износостойкости в качестве исходного параметра используют величину комплексного показателя силы и концентрации кислотно-основных активных центров у поверхностной измельченной твердосплавной массы (структуры) режущих инструментов (пластин) - рН, с уменьшением которого износостойкость возрастает.

Поверхностная и приповерхностная структура твердосплавного режущего инструмента, образующаяся при изготовлении (спекании) твердого сплава, оказывает большое влияние на его износостойкость. Одним из важнейших свойств поверхностной структуры твердых сплавов, определяющим важнейшие физико-химические и эксплуатационные характеристики твердосплавных режущих инструментов, является комплексный показатель концентрации и силы активных центров (степень кислотности или основности). Поверхностная структура твердосплавных, группы применяемости Р, режущих инструментов имеет, преимущественно активные центры кислотного типа, которые создает, в основном, карбид титана. При участии в химических реакциях с другими объектами (обрабатываемый материал, окружающая газовая среда и т.д.), кислотные активные центры, принадлежащие поверхности, являются эффективными акцепторами электронов и донорами протонов. Вид активных центров и степень их кислотности или основности (зависящая в том числе от насыщенности структуры вакансиями или примесными атомами и т.д) значительным образом оказывает влияние на химическую активность поверхностных атомов твердосплавной структуры по отношению к атомам и молекулам окружающей газовой среды. С ростом в твердосплавной структуре концентрации кислотных активных центров с низкой электронной плотностью интенсивность взаимодействия поверхности с атомами кислорода снижается, а с атомами водорода возрастает. Адсорбция рабочей поверхностью твердых сплавов в процессе их эксплуатации молекул воды приводит к разложению ее на протоны и гидроксильные группы. Ионы водорода при взаимодействии с карбидом титана образуют гидриды титана. Гидраксильные группы предварительно диссоцируют на атомы кислорода и водорода, встраиваются в кристаллическую решетку карбида титана и образуют твердые растворы. Водород при относительно низких температурах отдает электрон и легко ионизируется, образуя карбогидриды и гидриды титана. Кислород только при более высоких температурах замещает в карбидном соединении атомы углерода и образует поверхностную оксикарбогидридную структуру титана, имеющую высокие теплоизолирующие свойства. Интенсивность захвата электронов активным центром, созданным атомами титана и углерода, и образование гидрида, карбогидрида или оксикарбогидрида титана зависит от стехиометрического состава карбидных зерен, вида и степени дефектности кристаллической решетки карбида титана, от уровня химического взаимодействия между титаном и углеродом и характера гибридизации установившихся связей. При высокой концентрации в составе твердого сплава карбидных соединений нестехиометрического состава, имеющих повышенную электронную плотность и низкую вероятность захвата электронов с целью образования электронной пары, энергия, необходимая для разрушения имеющихся химических связей (металл-углерод) и образования новых (металл-водород), в первую очередь в области сосредоточения активных центров, является относительно высокой. У образующихся карбогидридов титана углерод находится в двухвалентном состоянии. При высокой концентрации в составе твердого сплава карбидных соединений стехиометрического состава, имеющих пониженную электронную плотность и высокую вероятность захвата электронов, энергия, необходимая для разрушения имеющихся химических связей и образования новых в области сосредоточения активных центров, является относительно низкой. В этом случае в процессе реакций карбида титана с водородом образуются карбогидридные соединения титана, у которых углерод находится в четырехвалентном состоянии. Соединения карбогидридов титана с четырехвалентным углеродом имеют преимущественно гексагональное кристаллографическое строение. Причем основная базисная плоскость располагается параллельно поверхностной плоскости, образуя слоистую конструкцию. Межслойное пространство является эффективной областью для диссипации тепловой энергии и снижения ее напряженности в результате уменьшения концентрационных градиентов. Вследствие этого поверхностная и приповерхностная структура твердосплавных группы применяемости Р режущих инструментов является эффективным барьером против диффузии и распространения тепла, что способствует снижению высокотемпературного износа. Поверхность твердого сплава тем в большей степени будет трансформироваться при первоначальном насыщении ее водородом и при последующем окислении за счет атмосферного кислорода в благоприятную для приобретения теплоизоляционных свойств структуру, чем в большей степени она являлась изначально твердой кислотой. Концентрация и сила кислотных и основных центров на поверхности и в приповерхностных слоях твердых сплавов зависит от состава шихты, из которой изготавливают твердые сплавы, от степени механического воздействия на порошок карбида титана при размоле, от уровня насыщения карбида титана углеродом, от температурных режимов спекания, среды спекания (вакуум, восстанавливающий газ) и т.д. На концентрацию состояний с повышенной или пониженной кислотностью или основностью (с повышенной или пониженной электронной плотностью в области расположения активных центров как на поверхности, так и в приповерхностных слоях твердых сплавов) оказывает влияние характер распределения карбидных зерен по фракциям, вид и уровень стехиометрии карбидных соединений (соединения с избытком или недостатком углерода или титана), степени взаимодействия между титаном и углеродом, характером и видом образования электронных связей, в том числе и гибридных, зависящих от наличия различных примесей, стабилизирующих, в свою очередь, кислотный или основной характер структуры твердого сплава.

На эффективную степень кислотности или основности активных центров влияет характер их распределения на поверхности и в объеме твердого сплава. При одной и той же концентрации различных активных центров на поверхности и в объеме, но при различных их размещениях результирующая кислотность или основность будут сильно различаться. Это приводит, в свою очередь к неравномерному размещению атомов водорода в карбидных зернах и, соответственно, в межплоскостном пространстве. Последнее является причиной снижения прочности химической связи между титаном, углеродом и водородом как в базисных плоскостях, так и между отдельными слоями. Не оптимальный характер размещения активных центров приводит также к снижению эффективности формирования оксикарбогидридного теплозащитного слоя в процессе эксплуатации твердосплавных режущих инструментов. Осуществлять регулирование уровня концентрации активных центров и их распределение по силе в приповерхностной структуре твердого сплава возможно, в том числе, за счет введения в шихту легирующих элементов, усиливающих или ослабляющих степень кислотности или основности активных центров, менее или более активных по отношению как к кислороду, так и к водороду. В результате целенаправленного легирования может повыситься уровень кислотности приповерхностной структуры. Последнее приведет к увеличению ее активности по отношению к элементам - акцепторам электронов, усилению адсорбции отрицательно заряженных анионов - гидраксильных групп, к диссоциации их на атомы и к насыщению приповерхностной области водородом, образующим с титаном и углеродом твердые растворы. Вследствие охлаждения твердых сплавов после спекания в водородной среде происходит частичный распад твердых растворов, и в приповерхностной области формируется слоистая структура с чередованием отдельных слоев с повышенным и пониженным содержанием водорода. В результате формирования у твердого сплава поверхностной и приповерхностной структуры с высокой концентрацией акцепторных центров степень окисляемости поверхности снижается. Взаимодействие с кислородом при высоких температурах сопровождается только частичным окислением поверхностных слоев и формированием стабильной структуры. На поверхности и в приповерхностной области образуется комплекс упорядоченных оксикарбидных слоистых образований, имеющих высокую плотность и высокую способность сопротивляться высокотемпературному - диффузионному износу. Повышение концентрации и силы кислотных центров (при увеличении в составе карбида титана) связано с формированием на поверхности и в приповерхностной области стехиометрических карбидов. Последние более эффективно взаимодействуют с водородом, что сопровождается формированием теплоизолирующих и противодиффузионных слоистых структур. Концентрация и сила кислотных активных центров в поверхностной структуре зависит от исходного состава твердых сплавов и условий их получения. Состояние с повышенной или пониженной концентрацией кислотных активных центров в структуре твердых сплавов возникает из-за различного состава и свойств исходных образцов из твердых сплавов, наличия в составе карбида титана, недостатка или избытка углерода в карбидных соединениях, степени дефектности кобальтовой компоненты вследствие особенностей протекания твердофазных реакций между карбидами вольфрама, титана и кобальтом на этапах приготовления компонентов и окончательного спекания композитов. При увеличении концентрации кислотных активных центров снижается интенсивность химического взаимодействия контактной поверхности твердосплавного режущего инструмента с атмосферными газовыми элементами и с обрабатываемым материалом и, соответственно, повышается его износостойкость.

Процесс регулирования концентрации активных центров в поверхностной структуре можно осуществлять, прежде всего, за счет легирования состава твердых сплавов донорными или акцепторными примесями или иными элементами, оказывающими влияние на формирование структуры с повышенной или пониженной кислотностью (с пониженной или повышенной электронной плотностью в локальных точках). В результате повышения уровня кислотности поверхности и снижения ее активности по отношению к кислороду уровень диффузионного взаимодействия трущихся поверхностей в зоне контакта будет уменьшаться вследствие образования плотной и теплостойкой приповерхностной структуры (на основе оксикарбогидридов титана) с достаточно высокими механическими свойствами. Повышение силы кислотных центров, принадлежащих поверхности твердого сплава, происходит в результате перераспределения электронной плотности в карбидном соединении и изменения соотношения во взаимодействии между атомами металла и углерода. Вследствие указанных причин насыщаемость поверхности твердого сплава атомами и молекулами окружающей газовой среды (в том числе кислородом), а также элементами обрабатываемого материала уменьшается и, соответственно, снижается активность разрыхляющих поверхность режущего инструмента твердофазных реакций, инициируемых высокотемпературным диффузионным износом. Разрушению поверхности препятствует также существенное снижение химического потенциала слоистой структуры. Из данного обстоятельства следует, что именно кислотный характер поверхности и, соответственно, достаточная концентрация на поверхности кислотных активных центров и их сила предопределяют формирование упорядоченной слоистой оксикарбогидридной приповерхностной структуры с достаточно высокими теплоизоляционным и жаропрочными свойствами. Такое строение поверхностной структуры приводит к снижению коэффициента трения, сил резания и, как следствие, снижению интенсивности диффузионного износа. Степень кислотности структуры поверхности тесным образом связана с электронной плотностью вещества и, соответственно, с его дефектностью. С переходом от дефектности, вызывающей повышение электронной плотности, к дефектности, которая приводит к снижению электронной плотности в локальных точках, кислотность локальных активных центров возрастает. Кислотность поверхности носит не сплошной характер. Кислотные активные области это центры с пониженной электронной плотностью, располагающиеся в локальных точках - центрах. Причем сила кислотных центров и место их дислокации (расположения) принимают определенный вероятностный закон своего распределения на поверхности, характерный для каждой конкретной структуры, сформированной на поверхности конкретного твердого сплава. Определенную степень кислотности структуры твердого сплава формируют также мелкие и крупные поры. С ростом их концентрации возрастает концентрация кислотных активных центров и их сила. Это приводит к росту общей поверхностной кислотности. Поверхность приобретает склонность к менее активному и более упорядоченному образованию соединений с атомами и молекулами окружающей газовой среды. Формируемая и регенерируемая за счет присутствия на поверхности активных кислотных центров поверхностная и приповерхностная структура является эффективным теплоизолирующим и противодифузионным экраном, что в итоге снижает износ и приводит к повышению износостойкости твердосплавного режущего инструмента, его эксплуатационной эффективности. Таким образом, чем ниже рН поверхностной структуры твердосплавного режущего инструмента (чем больше кислотность поверхности), тем ниже интенсивность взаимодействия поверхности с атомами и молекулами окружающей газовой среды и обрабатываемого материала, а следовательно и проявление диффузионного износа. Интегральный износ твердосплавного режущего инструмента при этом снижается, а эксплуатационные показатели возрастают. Кислотность поверхности увеличивается с повышением степени стехиометрии формирующихся карбидов, что, в свою очередь, предопределяется составом, строением и свойствами исходных компонентов. Изменять кислотно-основные свойства поверхностных твердых кислот или оснований (применительно к инструментальным материалам) можно также термической обработкой, облучением или путем легирования различными элементами, вызывающими у активных центров способность быть эффективными акцепторами или донорами электронов. На характер рН влияет химический состав карбидных зерен, вид химической связи между металлом и углеродом, дисперсность карбидных частиц, вид и степень дефектности карбидных соединений, температура и продолжительность спекания, условия спекания (вакуум, защитная атмосфера, продолжительность спекания и т.д.).

Существенно важной особенностью предлагаемого способа является то, что в соответствии с его приемами без дополнительных затрат и технических трудностей представляется возможным проводить более объективную и точную оценку износостойкости вследствие оперативного анализа и сопоставления текущих контролируемых и эталонных параметров, полученных в широком диапазоне режимов резания. На свойства твердосплавных структур, образующихся при спекании твердых сплавов и трансформируемых в зоне контакта, значительное влияние оказывают защитные покрытия и различные поверхностные упрочнения, тем не менее, и в данном случае между износостойкостью и комплексным показателем кислотно-основных свойств поверхности твердых сплавов, как показали испытания, наблюдается также устойчивая корреляционная взаимосвязь.

Реализация способа осуществляется последовательно, проходя несколько этапов. Сначала проводят эталонные испытания. Для этого производят достаточно представительную выборку твердосплавных (группа Р) режущих инструментов (режущих пластин) из имеющейся партии твердосплавной продукции и проводят испытания их на износостойкость в процессе резания на металлорежущем станке, как правило, стали, вызывающей интенсивный диффузионный износ. Резание проводят на оптимальной или близкой к ней скорости резания [См., например, RU 2168394 С2 7В23В 1/00 от 10.06.01. Бюл. №16]. Определяют величину износостойкости как продолжительность безотказной работы до заданного критерия затупления - фаски износа на задней поверхности (как правило, 0,2-0,8 мм). Затем испытанные в процессе резания твердосплавные режущие инструменты подвергают измельчению. После завершения операций измельчения производят отбор фракций с габаритными размерами до 1,0 мм. У полученной измельченной и отобранной порошковой массы измеряют комплексный показатель силы и концентрации кислотно-основных активных центров - рН. Измерения проводят на приборе - универсальном иономере мод. ЭВ-74. Для этого берут навеску приготовленной измельченной твердосплавной структуры массой 0,4 г и помещают в потенциометрическую ячейку с дистиллированной водой объемом 25 мл. Ее рН должна равняться 6,9-7,0 ед. Потенциометрическая ячейка оснащается магнитной мешалкой. В ячейке располагают также электроды: например, хлорид - серебряный ЭВЛ-1М3 и стеклянный ЭСЛ-43-07. Иономер соединен с компьютером, а непрерывно регистрируемые в ячейке данные электродвижущей силы (эдс) выводятся на дисплей. В итоге, при измерении получают зависимость рН раствора в ячейке от времени и концентрации адсорбируемых электродом протонов, образующихся в результате диссоциации молекул воды на протоны и гидроксильные группы. Диссоциация происходит на поверхности измельченной твердосплавной массы (структуры) и инициируется активными центрами. Концентрация образующихся протонов зависит от свойств поверхностной твердосплавной структуры у измельченных образцов. Величина эдс, а следовательно и рН зависят от концентрации протонов, адсорбируемых поверхностью полиоксидных порошков, и концентрации гидроксильных групп, остающихся в составе воды. Чем больше концентрация протонов адсорбируется полиоксидной поверхностью и чем больше в составе воды остается гидроксильных групп, тем меньше эдс и, соответственно, выше концентрация и сила кислотных активных центров в поверхностной полиоксидной массе и, наоборот.

Анализ полиоксидной структуры длится от нескольких секунд до несколько минут (как правило 2-3 мин). Контроль рН (прогнозирование износостойкости твердосплавных режущих инструментов, режущих пластин) производится по выборке из поставляемой партии в количестве не менее 4-10 образцов. После этого строится график эталонной зависимости «износостойкость - величина комплексного показателя силы и концентрации кислотно-основных центров на поверхности измельченной твердосплавной массы (структуры) режущих инструментов (пластин) - рН». Данная, экспериментально полученная зависимость достаточно хорошо аппроксимируется линейной зависимостью с высокой степенью тесноты корреляционной связи:

,

где аЭ и вЭ - постоянные коэффициенты:

,

где Тэт (мин) - текущая износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов (пластин), подвергшихся испытаниям, из прогнозируемой эталонной партии образцов;

рНэт (б/в) - текущее значение (безразмерная величина) выбранного исходного параметра, полученное при контроле измельченной твердосплавной массы (структуры) из твердосплавных режущих инструментов (пластин) из эталонной (контролируемой партии);

Тэ1 и Тэ2 (мин) - износостойкость в минутах для двух выборок твердосплавных режущих инструментов (пластин) из эталонной партии твердосплавной продукции;

э1 и рHэ2 (б/в) - безразмерные величины выбранного исходного параметра, полученные при контроле измельченной твердосплавной массы из двух выборок образцов твердосплавных режущих инструментов (пластин) из эталонной партии принимаемой (отправляемой) продукции,

Последующий контроль твердосплавных режущих инструментов текущей партии поставляемой продукции производится на основании измерения только выбранного исходного параметра, а именно: величины комплексного показателя силы и концентрации кислотно-основных центров у измельченной поверхностной твердосплавной массы (структуры) режущих инструментов (пластин) - рН. На основании полученной эталонной зависимости «износостойкость - рН» и формулы (1), приведенной выше, осуществляется прогноз износостойкости текущей партии твердосплавной продукции. Прогнозируемая износостойкость может быть выше или ниже полученной при эталонных испытаниях. С увеличением кислотности у измельченной поверхностной твердосплавной массы (повышения комплексного показателя силы и концентрации кислотных центров - рН) износостойкость возрастает.

Предлагаемый способ позволяет прогнозировать с высокой точностью износостойкость твердосплавных (группа Р) режущих инструментов при обработке сталей и сплавов, вызывающих интенсивный высокотемпературный диффузионный износ. Избирательность способа (контроль по доминирующему износу) существенно повышает его точность.

На чертеже представлена графическая корреляционная зависимость изменения величины износостойкости от величины рН.

Пример осуществления способа прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Сначала проводятся измерения на износостойкость сменных твердосплавных режущих пластин марки Т15К6, полученных из эталонной - предыдущей партии поставляемой продукции. В качестве обрабатываемого материала использовалась углеродистая сталь 55. Скорость резания при испытаниях выбиралась равной 180 м/мин. Подача и глубина резания были приняты соответственно 0,23 мм/об и 1,5 мм. Резание осуществлялось без охлаждения. За критерий затупления принимался износ режущей пластины по задней поверхности, равный 0,6 мм. Стойкость для образцов из 10 штук первой эталонной партии составила: 40,0; 40,5; 40,75; 41,5; 41,75; 42,0; 42,5; 43,0; 43,25; 44,0 мин. Среднее значение составило 41,925 мин. Стойкость для образцов из 10 штук второй эталонной партии составила: 36,5; 36,75; 37,25; 37,5; 38,0; 38,5; 39,0; 39,5; 40,0; 40,5 мин. Среднее значение составило 38,350 мин. Затем использованные твердосплавные пластины подвергаются измельчению и разделению на фракции. Для проведения измерений выбирается фракция с размерами менее 1,0 мм. После этого из порошка приготавливали навески массой 0,4 г, помещали их последовательно в ячейку иономера и производили измерение рН. Время измерения рН у измельченной массы, полученной из каждой режущей пластины, составляло 2 мин. Из измеренного, для каждого, образца массива данных определяли среднеарифметическое значение и брали его в качестве характеристики силы и концентрации кислотно-основных центров на поверхности измельченной твердосплавной структуры и, соответственно, за показатель износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Значения рН для первой партии образцов из 10 штук составило: 8,55; 8,50; 8,45; 8,40; 8,35; 8,30; 8,25; 8,20; 8,15; 8,10 ед. Среднее значение оказалось равным 8,325 ед. Значения рН для второй партии образцов из 10 штук составило: 9,00; 8,95; 8,90; 8,865; 8,80; 8,735; 8,675; 8,60; 8,55; 8,50 ед. Среднее значение оказалось равным 8,760 ед. По данным износостойкости твердосплавных режущих инструментов и величине рН на поверхности измельченной твердосплавной структуры образцов из эталонной партии образцов строили график эталонной, корреляционной зависимости «износостойкость - рН».

Для осуществления прогнозирования износостойкости у твердосплавных режущих пластин в последующей текущей, предназначенной для потребления партии образцов производят испытание только величины комплексного показателя концентрации и силы кислотно-основных центров на поверхности измельченной твердосплавной структуры - рН. У образцов из измельченной твердосплавной структуры, полученных из 10 твердосплавных режущих пластин рН составил: 8,75 8,65; 8,60; 8,455; 8,45; 8,40; 8,35; 8,30; 8,25; 8,20 ед. Среднее значение данной величины составило 8,44 ед. На основании среднего значения величины рН у измельченной структуры, полученной из твердосплавных режущих пластин марки Т15К6 (рН ср) текущей партии и формулы (1) находят Тпт (ср) - среднепрогнозируемое значение износостойкости твердосплавных режущих пластин из Т15К6 у текущей партии поставляемой продукции. В итоге прогнозируемое - текущее значение износостойкости из расчетов для контролируемой партии продукции составило в среднем 40,821 мин, что

примерно соответствует стойкости эталонной партии резцов. При осуществлении прогнозирования износостойкости для текущей партии твердосплавных режущих инструментов отпадает необходимость в проведении дорогостоящих и трудоемких испытаний на износостойкость, проводимых на металлорежущих станках. Способ обладает высокой точностью прогноза. Это происходит вследствие тесной связи между свойствами твердых сплавов (износостойкостью), свойствами поверхностной твердосплавной структуры твердых сплавов и комплексным показателем концентрации и силы кислотно-основных активных центров в измельченной поверхностной твердосплавной структуре - рН. Вследствие сравнения данных прогноза износостойкости, полученных в соответствии с прототипом и по предлагаемому способу, а также в результате контрольных экспериментальных исследований износостойкости, выполненных в процессе резания углеродистой стали, выявлено, что результаты, полученные в соответствии с прототипом, отличаются от контрольных испытаний на 15-20%, в то время как результаты, полученные по предлагаемому способу отличаются лишь на 5-10%.

Таким образом, предлагаемый способ контроля - прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов может быть использован с достаточно высокой экономической эффективностью на предприятиях, изготавливающих и потребляющих твердосплавную продукцию.

Способ прогнозирования износостойкости твердосплавных (группа Р) режущих инструментов по выбранному исходному параметру, включающий проведение эталонных испытаний на износостойкость в процессе резания материалов при оптимальной или близкой к ней скорости резания, проведение испытания на изменение величины исходного параметра от свойств поверхностной измельченной твердосплавной массы режущих инструментов (пластин), построение эталонной корреляционной зависимости «исходный параметр - износостойкость» для конкретных температур резания и нагревания, текущий статистический контроль только величины исходного параметра у текущей партии твердосплавных режущих инструментов, прогнозирование износостойкости для текущей партии инструментов на основании зависимости:

где аэ и вэ - постоянные коэффициенты:

из них
Тпт (мин) - текущая износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов (пластин), подвергшихся испытаниям, из прогнозируемой текущей партии образцов;
рНпт (б/в) - текущее значение (безразмерная величина) выбранного исходного параметра, полученное при контроле измельченной твердосплавной массы (структуры) из твердосплавных режущих инструментов (пластин) из текущей контролируемой партии;
Тэ1 и Тэ2 (мин) - износостойкость в минутах для двух выборок твердосплавных режущих инструментов (пластин) из эталонной партии твердосплавной продукции;
рНэ1 и рНэ2 (б/в) - безразмерные величины выбранного исходного параметра, полученные при контроле измельченной твердосплавной массы из двух выборок образцов твердосплавных режущих инструментов (пластин), из эталонной партии принимаемой (отправляемой) продукции, отличающийся тем, что, с целью повышения точности прогнозирования износостойкости, в качестве исходного параметра используют величину комплексного показателя концентрации и силы кислотно-основных активных центров у измельченной поверхностной твердосплавной массы (структуры) - рН, с уменьшением которого износостойкость возрастает.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к обработке металлов резанием и может быть использовано для бесконтактного определения температуры в зоне резания при механической обработке.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при производстве и применении абразивных инструментов на операциях шлифования заготовок из различных материалов.

Изобретение относится к области испытания материалов и может использоваться при испытании алмазного камнерезного инструмента. .

Изобретение относится к области машиностроения и касается прогнозирования и контроля износостойкости твердосплавных (группа Р) режущих инструментов. .

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено для определения допустимой скорости резания при механической обработке стальных деталей твердосплавным инструментом в условиях многоинструментальной настройки на многошпиндельных токарных станках.

Изобретение относится к области обработки металлов резанием. .

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для контроля износа режущего инструмента. .

Изобретение относится к области машиностроения и касается прогнозирования и контроля износостойкости твердосплавных режущих инструментов. .

Изобретение относится к обработке материалов резанием и может быть использовано для диагностической оценки режущих свойств твердосплавного инструмента. .

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам для испытания шлифовальных кругов на механическую прочность, и может быть использовано в инструментальном производстве.

Изобретение относится к области машиностроения и касается прогнозирования и контроля износостойкости твердосплавных группы применяемости К режущих инструментов

Изобретение относится к области обработки металлов резанием и может быть использовано для прогнозирования - контроля износостойкости твердосплавных режущих инструментов при их изготовлении, использовании или сертификации

Изобретение относится к области обработки металлов резанием и может быть использовано для прогнозирования - контроля износостойкости твердосплавных режущих инструментов при их изготовлении, использовании или сертификации

Изобретение относится к области металлообработки и может быть использовано при изучении процесса стружкообразования пластичных материалов

Изобретение относится к технике измерений сопротивлений грунтов и снежно-ледяных образований резанию

Изобретение относится к алмазно-абразивной обработке и может быть использовано для определения функции распределения вершин абразивных зерен в поверхностном слое шлифовального круга после его правки

Изобретение относится к области металлообрабатывающей промышленности и может быть использовано для определения износа режущего инструмента станков с ЧПУ, функционирующих в условиях автоматизированного производства

Изобретение относится к устройствам для исследования или анализа свойств материалов. Устройство измерения сопротивления сверлению, состоящее из электрического двигателя привода вращения бурового сверла; каретки, установленной на направляющих и приводимой в движение от электрического двигателя привода подачи, например, постоянного тока через винтовую передачу; ограничителей смещения бурового сверла в поперечном направлении. При этом регулирование скорости подачи бурового сверла осуществляется автоматически путем замера величины тока, и/или напряжения питания, и/или частоты вращения вала электрического двигателя привода вращения бурового сверла, анализа и преобразования замеренных данных, например, с помощью электронной вычислительной машины, создания управляющего сигнала и изменения частоты вращения вала электрического двигателя привода подачи, например, с помощью тиристорного ключа при импульсном регулировании напряжения питания электрического двигателя привода подачи. Технический результат заключается в повышении точности измерений сопротивления просверливанию (плотности) исследуемых материалов сверлением, снижении износа режущей части бурового сверла и повышении надежности привода, узлов и конструкции устройства в целом. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для исследования или анализа свойств материалов путем определения величины сопротивления их просверливанию (плотности) и может быть использовано для определения физико-механических характеристик древесины растущих деревьев, пиломатериалов, деревянных строительных конструкций различного назначения и т.п. Устройство состоит из бурового сверла, каретки, установленной на направляющих и приводимой в движение винтовой передачей, ограничителей смещения бурового сверла в поперечном направлении, измерительных датчиков тока, устройства обработки и передачи данных энергосиловых параметров электрического двигателя на электронную вычислительную машину. Вращение и подача бурового сверла осуществляются одним электрическим двигателем постоянного тока, установленным неподвижно на раме устройства. Крутящий момент от электрического двигателя передается через зубчатую передачу на ходовой вал квадратной формы в поперечном сечении, затем через зубчатую передачу, установленную на каретке устройства, буровому сверлу. Движение каретки по направляющим и ходовому валу, а также подача бурового сверла осуществляются через автоматический вариатор, например клиноременный или его эквивалент, входной вал которого соединен с электрическим двигателем, а выходной через редуктор с винтовой передачей. Ограничители смещения бурового сверла в поперечном направлении соединены последовательно друг с другом, рамой и кареткой гибкими тросами. Технический результат: повышение точности измерения величины сопротивления просверливанию (плотности) исследуемых материалов, снижение износа режущей части бурового сверла и повышение надежности привода, узлов и конструкции устройства в целом. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для изучения деформированного состояния обрабатываемого материала в зоне пластического деформирования при механической обработке с помощью делительных сеток. Сущность: осуществляют нанесение системы координатных меток на поверхности образца с помощью прижима к этой поверхности инструмента, твердость которого превышает твердость материала детали. В качестве инструмента используют клише с острыми выступающими элементами, имеющими форму четырехгранных пирамид, образующими заданную систему координатных (реперных) точек, являющихся точками пересечения плоскости исследуемого образца с гранями индентора. Образованные углубления заполняют нетвердеющей люминесцентной краской, сохраняющей свои свойства при пластическом деформировании, после чего производят механическую обработку образца, а затем измеряют параметры измененного рисунка сетки, по которым вычисляют параметры пластического деформирования. Технический результат: повышение качества картины поля деформации и увеличение точности измерения параметров пластического деформирования материала образца за счет более точного определения расположения меток сетки. 3 ил.
Наверх