Підвищення надійності важконавантажених твердосплавних різців с поверхневою обробкою на основі вивчення кінетики їх затуплення і механізму відказу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донецький державний технічний університет

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ НАДІЙНОСТІ ВАЖКОНАВАНТАЖЕНИХ ТВЕРДОСПЛАВНИХ РІЗЦІВ З ПОВЕРХНЕВОЮ ОБРОБКОЮ НА ОСНОВІ ВИВЧЕННЯ КІНЕТИКИ ЇХ ЗАТУПЛЕННЯ І МЕХАНІЗМУ ВІДКАЗУ

Шевчик Галина Петрівна

УДК 621.9.025

Спеціальність 05.03.01 - процеси механічної обробки,

верстати та інструменти

Донецьк - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі промислових технологій Слов'янського державного педагогічного інституту Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент

Хаєт Леонід Григорович,

Слов'янський державний педагогічний

інститут, доцент кафедри промислових

технологій

Офіційні опоненти - Заслужений діяч науки і техніки

України, доктор технічних наук, професор

Розенберг Олег Олександрович,

Інститут надтвердих матеріалів

ім. В.М. Бакуля НАН України, завідувач

відділа "Обробка матеріалів різанням і

пластичним деформуванням"

- кандидат технічних наук, доцент

Гусєв Володимир Владиленович,

Донецький державний технічний

університет, докторант кафедри

"Металорізальні верстати і інструменти"

Провідна установа - Національний технічний університет

України "Київський політехнічний

інститут", кафедра "Інструментальне

виробництво" Міністерства освіти

і науки України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться 17 травня 2001 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.04 Донецького державного технічного університету (83000, м. Донецьк, ДонДТУ, вул. Артема, 58, нав. кор. 6, ауд. 6202).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького державного технічного університету.

Автореферат розіслано "16 " квітня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради,

кандидат технічних наук, доцент Івченко Т.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

твердосплавний різець затуплення

Актуальність теми. Автоматизація і інтеграція машинобудівельного виробництва, інтернаціоналізація ринку і посилення конкурентного тиску в галузі, необхідність суттєвого підвищення якості продукції і продуктивності праці зумовлюють, з одного боку, зростання навантажень на різальний інструмент, а з другого - більш високі вимоги щодо його надійності. Розв'язання цього протиріччя вимагає проведення комплексу спеціальних конструкторсько-технологічних заходів. З удосконаленням організації виробництва, підвищенням якості обладнання та програмного забезпечення надійність технологічних систем все більше зумовлюється саме надійністю різального інструмента. Недостатня надійність інструменту знижує ефективність впровадження високопродуктивних технологій, заважає автоматизації виробництва.

Ці проблеми особливо загострюються при використанні важконавантаженого інструмента. Значна частина досліджених у роботі особливостей надійності інструмента пов'язана зі специфікою роботи та втратою працездатності такого инструмента, що потребує уточнення змісту цого терміна. Іноді важконавантаженим називають ріжучий інструмент великих розмірів, який працює із великою товщиною або великим перерізом шару, що зрізається. Однак у різних роботах вказані межі цієї області вельми розрізняються .

У теорії надійності навантаженість виступає не як абсолютна, а як відносна характеристика, як співвідношення узагальненого навантаження та узагальненої міцності об'єкту. Оскільки безпосередня оцінка цих параметрів інструмента складна, доцільно враховувати її через ймовірність руйнування. Якщо ймовірність руйнування ріжучого леза достатньо велика, наприклад, частка руйнування перевищує 2-10%, то при розрахунках потреби кількості інструмента та режимів різання нею не можна зневажати й урахування складної структури відказів стає необхідним. Тому в межах завдань роботи, що постали, важконавантаженим вважаємо ріжучий інструмент із складною структурою відказів, що витримує як знос, так і руйнування. Складна структура відказів виникала і при відносно невеликих параметрах зрізу внаслідок, наприклад, низької жорсткості заготовки та зниження вібростійкості системи, використання покриття у неоптимальній області режимів та його відшарування, пошкодження ріжучих лез збігаючою стружкою та інших технологічних факторів.

Область технологічних умов, у яких ріжучий інструмент має складну структуру відказів, співвідношення ймовірності зносу та руйнування, на сьогодні постіно поширюються під впливом таких базових тенденцій технології машинобудування:

- зросту частки та зниження оброблюваності важкооброблюваних матеріалів та їх поверхневого шару (різання таких матеріалів, особливо, по корці, що пов'язано з частими викрошуваннями, зколами, пластичним деформуванням леза);

зниження жорсткості та вібростійкості технологічної системи внаслідок підвищення питомої ваги деталей складної форми, малої жорсткості, тонкостінних, великогабаритних, а також кількості та сумарної довжини ріжучих кромок інструмента, що працюють одночасно;

зниження пластичності інструментальних матеріалів внаслідок витіснення швидкоріжучих сталей твердими сплавами, а останніх - інструментальною керамікою, а також нанесення на частину інструмента, що все більш зростається, високотвердих зносостійких покриттів;

підвищення загального рівня режимів різання у зв'язку із зниженням періодів стійкості на підставі економічних міркувань (зростання співвідношення вартості верстата до вартості інструмента, зростання співвідношення основного часу до допоміжного), а також пошкоджуючої дії збігаючої стружки (викрошування працюючих і непрацюючих лез);

збільшення частки інструмента, що працює з змінними умовами протягом періоду стійкості (властивость матеріалу, жорсткість заготовки, величина припуску, режими різання), що підвищує ймовірності випадкових відказів.

Нанесення зносостійких покриттів значно підвищує зносостійкість та теплостійкість інструмента, однак часто поєднується з виникненням крихких шарів, остатніх напружень, мікротріщин та інших поверхневих дефектів. Це знижує міцність та надійність інструмента, особливо важконавантаженого, підвищує розсіювання його стійкості, що потребує проведення зміцнюючих обробок. Для раціонального використання поєднання зміцнюючих технологій та зносостійких покриттів необхідно дослідити особливості кінетики зношування і механізму відказів важконавантаженого твердосплавного інструмента з різними зміцнюючими обробками та зносостійкими покриттями.

Фізично обгрунтований і статистично адекватний опис процесу затуплення дозволяє вдосконалити методику оцінки зносостійкості інструмента. Виробники інструмента стикаються з необхідністю оптимізації технології його поверхневої обробки, його споживачі - оптимального вибору інструмента для певних умов експлуатаціі. Оптимізація визначається наявністю адекватної системи критеріїв, що достатньо повно характеризують зносостійкість інструмента. На сьогодні зносостійкість характеризують, у більшості випадків, величиною періоду стійкості при фіксованих режимах різання, що не дозволяє достатньо повно розкрити потенційні можливості технологічних методів підвищення якості інструмента.

Одним з перспективних шляхів підвищення надійності технологічних систем є діагностика стану інструменту. Однак зростання вібростікості верстатів та нанесення покриттів на ріжучий інструмент, з одного боку, підвищують надійність технологічної системи, з другого - знижують їх діагнозування за рахунок стертості ознак затуплення. Потужні апаратні засоби діагностики, що зосновані на широкому спектрі фізичних ефектів, не забезпечують адекватного зростання надійності технологічних систем внаслідок недостатньо точного опису затуплення інструмента, що не дозволяє уточнити критерій відказу, удосконалити алгоритми діагностики інструмента.

Зв'язок з науковими програмами інституту. Дисертаційна робота є складовою частиною наукових досліджень, що проведені за планом Слов'янського державного пеадгогічного інституту в 1995-1996 р.р. "Дослідження надійності важконавантаженого інструменту із сучасних матеріалів вітчизняного виробництва".

Метою роботи є підвищення надійності твердосплавних токарних різців з поверхневою обробкою за рахунок розробки системи рекомендацій з області їх використання, режимів різання, критерію затуплення та діагностики їх стану на основі адекватного опису процесу затуплення.

Для досягнення мети роботи були поставлені та розв'язані такі завдання:

- розробити більш точні моделі зношування та затуплення твердосплавного інструмента і систему показників його зносостійкості;

- з використанням розроблених моделей дослідити особливості процесів зношування та затуплення твердосплавних різців із зміцнюючими обробками та зносостійкими покриттями при точінні сталі і чавуну у широкому діапазоні режимів різання та величини зносу;

- дослідити особливості впливу зміцнюючих обробок та зносостійких покриттів твердосплавних токарних різців на характеристики їх надійності при точінні сталі та чавуну у виробничих умовах;

- розробити нові діагностичні ознаки та способи діагностики стану твердосплавного інструмента під час різання.

Загальна методика досліджень. Об'єктом дослідження є надійність важконавантажених твердосплавних різців з поверхневою обробкою, предметом дослідження - процес затуплення твердосплавних різців при точінні сталі та чавуну. Лабораторні випробування інструмента проводили на верстаті 1К625, величину термоЕДС вимірювали гальванометром М907, струм головного приводу - амперметром ДЕ59, силу різання - динамометром УДМ-600 у ланцюзі із підсилювачем УТЧ-1, віброприскорення - прибором ВШВ-003. Комплекс параметрів зносу визначали з точністю 0,01 мм на інструментальному мікроскопі ММИ-2, параметри шорсткості - на профілометрі-профілографі "Talysurf" та подвійному мікроскопі МІС-11, параметри структури поверхневого шару твердих сплавів - на полуавтоматичному рентгенівському дифрактометрі ДРОН-3М.

При моделюванні затуплення та зношування інструмента, обробці результатів фізичних експериментів, лабораторних та експлуатаційних випробувань використовували планування експерименту, Фур'є-аналіз випадкових процесів, лінійний та нелінійний кореляційно-регресійний аналіз, метод Монте-Карло, визначення характеристик надійності. Статистичну обробку результатів експериментів здійснювали за допомогою електронних таблиць Excel 7.0 та програмного пакета Statistica 5.0 у операційній системі Windows 98.

Наукова новизна роботи:

- у процесі зношування твердосплавих токарних різців істотну роль відіграє технологічна та експлуатаційна спадковість, формалізація якої, запропонованою просторово-часовою моделлю зношування зі зворотним зв'язком, дозволяє уточнити кінетику затуплення інструмента;

- вперше встановлено, що кінетика затуплення твердосплавних токарних різців визначається взаємодією "дискретних" і "безупинних" процессів, що формалізується кусково-експоненційною моделлю процесу затуплення, у 2...3 рази більш точною, ніж диференційовані функції, що застосовуються всюди;

- величина приробочного зносу твердосплавних токарних різців визначається процесом мікровикришування леза під дією вібрацій, про що говорить схожий характер залежностей приробочного зносу та рівня вібрацій від товщини зрізу, швидкості різання та наявності зносостійкого покриття.

Практична цінність роботи полягає у:

- використанні коефіцієнтів кусково-експоненційної моделі процесу затуплення леза в якості показників зносостійкості інструмента, що дозволяє диференційовано оцінити низку ріжучих властивостей твердосплавних різців з різною поверхневою обробкою у широкому діапазоні умов експлуатаціі;

- уточненні рекомендацій щодо області раціонального використання, режимів різання та критеріїв затуплення твердосплавних різців з термодифузійним покриттям TiCN при точінні чавуну;

- розробці нових діагностичних ознак і способів діагностики твердосплавного інструмента в процесі різання.

Реалізація результатів роботи. Рекомендаціі щодо області раціонального використання, режимів різання та критерію затуплення твердосплавних різців з термодифузійним покриттям упроваджені на ВАТ "Артемівський машинобудівний завод "Перемоги праці" з фактичним економічним ефектом 18 тис. грн в цінах 1996 р. Методику оцінки зносостійкості інструмента прийнято до використання Українським державним хіміко-технологічним університетом.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи одержані автором самостійно, розроблени більш точні моделі зношування та затуплення твердосплавного інструмента; досліджени особливості затуплення твердосплавних різців з поверхневою обробкою; досліджени особливості впливу поверхневої обробки твердосплавних токарних різців на характеристики їх надійності; розроблен спосіб діагностики стану твердосплавного інструмента.

Апробація роботи. Основні положення та результати роботи виголошені, обговорені та схвалені на 6 науково-технічніх конференціях у м. Севастополі 1994-1996 р.р. та м. Краматорську 1995 р., міжвузівській науково-технічній конференції молодих вчених "Проблеми техніки, технології та економіки машинобудівного виробництва" (Краматорськ, 1996), науковому семінарі відділу № 20 Інституту надтвердих матеріалів НАН України (Київ, 1997), науковому семінарі кафедри "Різання матеріалів та ріжучі інструменти" Харківського державного технічного університету (Харків, 1997), спільному науковому семінарі кафедр "Металорізальні верстати та інструменти" і "Технологія машинобудування" Донбаської державної машинобудівної академії (Краматорськ, 1997).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 наукових публікацій, а саме: 1 монографія у співавторстві, 4 статті та 11 тез доповідей на конференціях, а також отриман 1 патент на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складаєтся з вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури, що містить 134 джерела і додатків. Роботу викладено на 144 сторінках машинописного тексту, вона містить 72 рисунка (на 68 сторінках), 19 таблиць (на 20 сторінках) і 4 додатки (на 24 сторінках).

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовані напрямки досліджень.

Перша глава - "Сучасні уявлення про кінетику зношування та механізм відказу інструмента" - присвячена аналізу літератури з надійності та зносостійкості твердосплавного інструмента. Процес зношування твердосплавного інструмента досліджений А.Д. Макаровим, В.М. Каширіним, М.М. Зорєвим, Б.І. Костецьким, Г.І. Грановським, Т.М. Лоладзе, П.Г. Кацевим, В.А. Сінопальніковим, Г.Л. Хаєтом та іншими. Встановлено, що наявні моделі недостатньо точно описують кінетику зношування важконавантаженого інструмента та розвиток зносу в просторі.. Коефіцієнти моделей затуплення або не мають чіткої фізичної суті, або складні у визначенні. Певні протиріччя містять рекомендації з величин критерію затуплення, відомості про місце викришування у його механізмі.

Особливості зносостійкості та надійності твердосплавного інструмента з покриттям досліджені Е.Ф. Ейхманс, М.В. Талантовим, А.С. Верещакою, Ю.М. Кабалдіним, Є.М. Трентом. Велике розмаїття технологій для нанесення покриттів ускладнює оптимізацію їх вибору та умов використання. Оцінка ефективності покриттів як підвищення періоду стійкості відбиває вплив поверхневої обробки лише в усередненій, інтегральній формі, що не дозволяє визначити шляхи впливу покриттів на зносостійкість.

У другій главі - “Методика експериментального дослідження кінетики затуплення та механізму відказу інструмента” - викладено особливості методики роботи. Об'єктом роботи є різці середніх розмірів з механічним кріпленням трьохгранних та чотирьохгранних пластин для напівчистового та чорнового точіння. Пластини твердих сплавів ВК8 та Т5К10 піддавали віброабразивній обробці за технологією Донбаської державної машинобудівної академії, обробно-зміцнюючій обробці за технологією Слов'янського державного педагогічного інституту, нанесенню термодифузійного покриття за технологією Українського державного хіміко-технологічного університету та іонно-плазмених покриттів за виробничою технологією. У лабораторних та виробничих умовах на токарних верстатах середніх розмірів випробовували твердосплавні різці при точінні сірого чавуну СЧ25 та конструкційних сталей 45, 20Х, 40Х та 30ХГСА з коркою та без неї, без СОТЗ та з охолодженням емульсією з глибиною різання 0,5...5,0 мм, подачею 0,07...0,78 мм/об та швидкістю різання 1...15 м/с.

У третій главі - “Аналітічне дослідження зношування і затуплення інструмента” - розроблені математичні моделі зношування та затуплення інструмента.

Величина періоду стійкості (наробки на відказ до критерія затуплення) визначаєтся кінетикою як середньої величини зносу, так і форми його контуру вздовж ріжучої кромки. З початку процесу різання контур зносу набуває певної "ізрізаності". Ця експлуатаційна спадковість через зворотні зв'язки впливає на інтенсивність та характер зношування. Пропонована просторово-часова модель кінетики контуру зносу припускає, що лінійний знос j-го мікровідрізку кромки у i-й момент часу:

hij = h (i-1)j + ijaij / c, h0j = 0, c > 0, ij 0,

(1)

де с - показник зносостійкості інструмента; - випадкова величина навантаження на j-й мікровідрізок леза у i-й момент часу; b - коефіцієнт просторово-часового зворотнього зв'язку. При від'ємному, нульовому та додатньому зворотньому зв'язку отримано моделі зношування із зменшенням та збільшенням коефіцієнта варіації зносу вздовж ріжучої кромки, сталість та змінність форми його розподілу.

За допомогою гармонічного аналізу криву затуплення леза подано як суму складових низької, середньої та високої частоти. Подання затуплення сумой гармонік дозволяє урахувати наявність процесів різної фізичної природита гармоніч.

Опрацювання літературних даних і численні експерименти виявили протягом періоду стійкості наявність кількох циклів прискорення та уповільнення зношування. Це дозволило виділити середньочастотну складову з періодом, у 1...4 рази меншим періоду стійкості.

Кусково-експоненційна модель кінетики зношування одержана інтегруванням диференційного рівняння на основі припущення про подвійний механізм затуплення:

, (2)

де - час різання, хв; h () - величина зносу у момент часу, мм; k = 1, 2, ..., р - кількість циклів; Е - швидкість усталеного зношування, мм / хв; Н - величина приробочного зносу, мм; С - період середньочастотної складової, хв; Q - постійна часу приробки, хв. Подання затуплення як суми гармонік дозволило урахувати наявність при зношуванні процесів різної фізичної природи та часового масштабу. Апроксимація даних, запозичених із літератури (П.Г. Кацев, Т.Н. Лоладзе, Є.М. Трент, Г.Л. Хаєт), виявила, що точність опису затуплення кусково-експоненційною залежністю (2) у 2…3 рази вище, ніж відомі всюди диференційовані функції.

У четвертій главі - “Експериментальне дослідження процесу затуплення твердосплавних різців” - досліджена фізічна природа параметрів кусково-експоненційної залежності.

Стрибкоподібна зміна параметрів зносу супроводжується падінням сили різання. Розподіл приростів зносу за період стійкості не може бути описано одним із відомих законів, а лише суперпозицією двох розподілів: експоненційного, що описує малі прирости на усталеному, лінійному етапі зношування, та нормального, що охоплює великі прирости на етапі неусталеного, нелінійного зношування. Аналіз коефіцієнтів парної кореляції та кореляційних відносин встановив відсутність як лінійних, так і нелінійних зв'язків між коефіцієнтами запропонованного рівняння кривої затуплення. Отже, ці коефіцієнти є взаємно незалежними величинами та можуть бути використані як системний комплекс показників зносостійкості, що віддзеркалюють різні механізми затуплення інструмента. На користь цього говорить й різноманітний характер впливу покриття, параметрів зносу, дільниць ріжучої кромки, режимів різання на ці показники.

Найбільш виразна циклічність кінетики ширини стрічки зносу по головній, перехідній та допоміжній кромках, слабіше - для розміреного зносу та опускання кромки, ще слабіше - для розмірів "вусика" на задній та особливо на передній поверхні.. Циклічність кінетики розмірів лунки на передній поверхні не виявлена. Це відповідає зниженню впливу викришувань на зміну параметрів зносу в зазначеному рядку. Лунка є результат дифузійного зношування, що не супроводжується викришуванням.

У ході періоду стійкості затуплення леза істотно уповільнює, тобто з точки зору зношування інструмент є зміцнюючим об'єктом. Ця закономірність носить досить загальний характер, вона спостерігаєтся для всіх лінійних параметрів зносу при різних товщинах зрізу та швидкостях різання. Різні зміцнюючі обробки та зносостійкі покриття твердосплавного інструмента дещо послаблюють, але не усувають сповільнення зношування. У випадках наявності декількох циклів зношування за період стійкості його уповільнення виявляється у зниженні величини приробочного зносу та швидкості усталеного зношування від одного цикла затуплення до другого.

Показники, що характеризують усталене зношування, мають менше розсіювання, ніж показники неусталеного зношування, що свідчить про домінування на цьому етапі випадкових факторів та крихких механізмів руйнування. За період стійкості розсіювання параметрів зносу пластин без покриття збільшується, що є наслідком накладу на первісну неоднорідність інструментального матеріалу нерівномірності процесу його зношування. Для пластин з покриттям розсіювання параметрів зносу за період стійкості зменшуєтся, що є наслідком охрупченості його поверхневого шару, що визначає більш високе розсіювання на початку.

“Безперервне” зношування монотонно інтенсіфікується із збільшенням товщини зрізу, а особливо, швидкості різання, що відповідає добре вивченим залежностям періоду стійкості від режимів різання. Інтенсивність “дискретного” зношування із збільшенням товщини зрізу змінюється монотоно, а при зміні швидкості різання має максимум, відповідний до резонансу технологічної системи при збільшенні частоти обертання заготовки. Залежності ймовірності актів дискретного зношування від режимів різання та жорсткості технологічної системи стверджують гіпотезу про їх крихку природу.

По залежностям величини та частоти “стрибків” зносу від товщини зрізу та швидкості різання встановлено, що чим більші стрибки за величиною, тим вони рідші, тобто більший за величиною стрибок позв'язаний з більшим часом його "підготовки". Це свідчить про зв'язки стрибків з інкубаційними процесами у поверхневому шарі інструментального матеріалу - нагромадженням дислокацій та розвитком мікротріщин. Збільшення товщини зрізу для інструмента як з покриттям, так і без нього приводить до зменшення та прискорення стрибків зносу. Це пов'язано із зменшенням максимального контактного напруження на задній поверхні та віддаленням його від ріжучої кромки.

Адекватність кусково-експоненційної залежності експериментальним даним, взаємна незалежність її коефіцієнтів, форма розподілу приростів зносу у вигляді суперпозиції, залежність швидкості усталеного зношування від швидкості різання, а величини приробочного зносу - від частотних характеристик свідчать про те, що затуплення твердосплавних різців є результатом взаємодії двох процесів - повільного, “безперервного” та швидкого, "дискретного". Як правило, “безперервний” процесс має пластичну природу, а “дискретний” - крихку. Акти "дискретного" зношування можуть виникати при злитті лунки та стрічки зносу, мікровикрошуваннях ріжучої кромки та локалізації пластичної деформації у поверхньому шарі інструментального матеріалу.

У п'ятій главі - “Дослідження механізму затуплення і його вплив на надійність твердосплавних різців” - зроблено аналіз долі викришування ріжучого ліза в механізм затуплення, встановлені характеристики надійності леза у лабораторії та на виробництві

Порівняльний аналі імовірності викришувань та актів дискретного зношування підтвердив вплив жорсткості технологічної системи на інтенсивність дискретного зношування.

Дослідження форми контуру поверхні зносу різців, експлуатації при точінні сталі та чавуну, виявили можливість реалізації всіх п'яти випадків, теоретично отриманих на основі просторо-часової моделі зношування ріжучого леза.

При низьких швидкостях різання долі неусталеного (припущено, адгезійного) зношування вище у інструмента без покриття. При високих швидкостях адгезійні явища виражені значно слабіше, однак вібростійкість технологічної системи істотно падає. Звісно, що вібрації істотно прискорюють зношування твердосплавного інструмента за рахунок інтенсифікації крихких явищ. Ідентичність областей "дискретного" зношування та викришування говорить на користь блиизькості їх механізмів - крихкого контактного мікроруйнування. Підвищення долі безперервне (припущено, крихкого) зношування при високих швидкостях різання в інструмента з покриттям підтвержує вплив рівня вібрації технологічної системи на ефективність покриття.

Дослідження поверхні зносу дозволили представити процес затуплення інструмента як результат взаємодії безперервного зношування та окремих актів мікровикрошувань. Зношування доводить до появи нового ріжучого леза з низькою міцностю, що тягне за собою крихке руйнування. Викришування леза, що з'явилося, в свою чергу, викликає його “переприробку”, інтенсіфікує зношування та міграцію максимума зносу.

Дослідження форми зносу різців, що відказали в експлуатації, за допомогою просторово-часової моделі підтвердили значний вплив експлуатаційної спадковості, тобто вплив форми обрису поверхні зносу на інтенсивність зношування. Так, при точінні чавуну для різців з поверхневим зміцнюючим зворотний зв'язок від'ємна: нерівномірність величини зносу уздовж ріжучої кромки знижується. Аналогічними є результати зношування інструменту з деякими покриттями при малйї ступені затуплення.

Дослідження поверхні зносу різців, шо відказали при точінні сталі та чавуну на 2 виробництвах, виявили, що у практиці обробки різанням зустрічаються всі п'ять варіантів зміни форми обрису зносу, що отримані теоретичним аналізом просторово-часової моделі зношування ріжучого леза.

Частіше за все для інструмента без покриття, а також з покриттям при великих критеріях затуплення нерівномірність зносу зростає, а для інструмента з покриттям при малому критерії затуплення - зменшується; при точінні сталі, а також чавуну по корці нерівномірність зносу зростає, чавуну без корки падає. Це є доповнений та недостатньо вивчений резерв ефективності інструмента з поверхневою обробкою.

Вивчення кінетики зношування дозволило рекомендувати для напівчистових та чорнових твердосплавних різців технологічний критерій затуплення, що використовується зараз тільки для чистового інструменту. Для важконавантаженних різців граничний знос пов'язаний, як правило, з різким ростом сил різання та рівня вібрацій. Підвищення періоду стійкості інструменту в результаті нанесення покриття істотно залежить від величини критерия затуплення.

Дослідженням затуплення різців доведенний фізічний зміст параметрів моделі затуплення, що дозволило використовувати їх при оцінці ефективності покриття. Термодифузійне карбонітридне покриття збільшує період стійкості різців ВК8 при точінні чавуну у 1,2…6,3 рази за рахунок зменшення швидкті усталеного зношування у 1,2…4,0 рази та величини приробочного зносу у 1,2…6,0 разів. Переріз залежностей різних показників зносостійкості від режимів різання представляють собою еліпси, розподіл центрів та напрям головних осей яких не співпадають. Отже, у різних областях режимів різання покриття діє на різні механізми зношування по-різному. Області ефективності інструмента з покриттям за різними показниками не збігаються, що доводить необхідність їх спільного використання при оптимізації покриття та режимів різання їх експлуатації.

Методика оцінки зносостійкості за допомогою комплексу показників припускає випробування інструмента на зносостійкість у визначених умовах різання; побудова кривих зношування та апроксимація їх кусково-експоненційною залежністю; розрахунок показників зносостійкості і ефективності інструмента. Вибір раціональної області застосування твердосплавних різців з термодифузійним карбонітридним покриттям, а також уточнення режимів різання та критерію затуплення дозволило за рахунок підвищення швидкості різання на 22% та збільшення періоду стійкості у 1,4 рази забезпечити річний економічний ефект 18 тис. грв на одному підприємстві в цінах 1996 року.

Встановлено, що по мірі зношування твердосплавних різців, особливо без покриття, кут між напрямками подачі та льоту стружки зростає та може бути використаний як діагностична ознака стану інструмента.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Аналізом літературних даних встановлено, що найбільш розповсюджена оцінка зносостійкості інструмента періодом стійкості неповна, запропоновані моделі кривої зношування інструмента 3 мають недостатню точність внаслідок неурахування взаємозв'язку викришування та зношування, величини зносу в різних перерізах.

2. Кінетика форми контуру зносу ріжучого леза протягом періоду стійкості визначається статистичною нерівномірністю його зносостійкості та рівня навантаження, експлуатаційною спадковістю та краєвими ефектами, що відбивається запропонованою просторово-часовою моделлю зношуваня з поворотним зв'язком, яка дозволяє методом Монте-Карло прогнозувати рівень та розсіювання стійкості інструмента.

3. При точінні конструкційних сталей та сірих чавунів твердосплавними різцями зміцнюючі обробки, а також ефективні покриття значно знижують нерівномірність їх зносу вздовж ріжучої кромки, що віддзеркалюється у змінах знаку зворотнього зв'язку в просторово-часовій моделі і становить додатковий резерв ефективності поверхневої обробки.

4. Кінетика затуплення важконавантажених твердосплавних токарних різців визначається взаємодією безперервного процесу зношування та окремих актов викрошування, що формалізується кусково-експоненційною моделлю процесу затуплення, у 2...3 рази більш точною, ніж уживані всюди диференційовані функції;

5. Використання коефіцієнтів запропонованої моделі процесу затуплення твердосплавних різців забезпечує більш повну оцінку його ріжучих властивостей, диференцювати їх опірність різним механізмам затуплення, створити основу для оптимізації технологічних параметрів інструмента та режимів його експлуатаціі.

6. Викришування ріжучого леза твердосплавних токарних різців є результатом як взаємодіі випадкових факторів (локальне зростання навантаження), так і накопичення пошкоджень (дислокацій, мікротріщин) у поверхневому шарі інструментального матеріалу, на що вказує зворотня залежність між величиною і частотою викришувань.

7. При точінні конструкційних сталей та сірих чавунів твердосплавними різцями їх затуплення протягом періоду стійкості сповільнюється, що проявляється у знижуванні від цикла затуплення до наступного цикла швидкості усталеного зношування в 2 рази і величини приробочного зносу в 2,5 рази.

8. Величина приробочного зносу важконавантажених твердосплавних токарних різців визначаєтся мікровикрошуванням леза під дією вібрацій, за що говорить схожий характер залежностей приробочного зносу і рівня вібрацій від товщини зрізу, швидкості різання та існування покриття.

9. При точінні сірого чавуну різцями ВК8 термодифузійне карбонітридне покриття підвищує середній період стійкості у 6 разів за рахунок знижування швидкості усталеного зношування у 4 рази та величини приробочного зносу у 8 разів і гама-відсотковий період стійкості у 10 разів за рахунок зростання рівномірності зносу вздовж ріжучої кромки, що підтверджено актом промислового втілення.

10. Способ діагностики стану інструменту, що розроблений та захищен патентом, дозволяє оцінити рівень його зносу шляхом реєстраціі кута між напрямком подачі та льоту стружки, який змінюється протягом періода стійкості.

ПРОВІДНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНІ У ТАКИХ ДРУКОВАНИХ РОБОТАХ.

1. Теория проектирования инструмента и его информационное обеспечение: маркетинг, квалиметрия, надежность и оптимизация / Г.Л.Хает, В.С.Гузенко, Л.Г.Хает, В.Н.Черномаз, А.Л.Еськов, Е.В.Мироненко, Е.А.Подгора, Л.В.Краснокутская, В.А.Аносов, Г.П.Диденко. - Краматорск: ДГМА, 1994.- 370 с.

2. Диденко Г.П. Надежность упрочнения инструмента с покрытием в производственных условиях // Надежность режущего инструмента и оптимизация технологических систем. - Краматорск: ДГМА, 1996.- С. 211-215.

3. Шаповалов В.П., Хает Л.Г., Диденко Г.П., Мелешко Л.В. Дифференцированная оценка повышения надежности твердосплавного инструмента с покрытием // Надежность режущего инструмента и оптимизация технологических систем. - Краматорск: ДГМА, 1996.- С. 239-246.

4. Диденко Г.П. Исследование кинетики контура поверхности износа твердосплавных резцов // Надежность режущего инструмента и оптимизация технологических систем. - Краматорск: ДГМА, 1997. - С. 186-194.

5. Диденко Г.П. О механизме затупления тяжелонагруженного твердосплавного инструмента // Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века. Донецк: ДонГТУ, 1998.- С. 242-244.

6. Патент № 2098234 Российской Федерации, МКИ В23В 25/06. Способ диагностики состояния режущего инструмента / В.А. Гречишников, Л.Г. Хает, В.В. Жохова, Г.П. Диденко. - Опубл. 10.12.97, бюл. № 34.

7. Жохова В.В., Диденко Г.П., Хает Л.Г. Автоматизированное проектирование режущего инструмента с учетом надежности технологической системы // Актуальные проблемы качества, надежности, экологии и информатики. - Бердянск: Академия проблем качества РФ, 1994.- С. 55-57.

8. Лазаренко А.Я., Диденко Г.П., Хает Л.Г. Эффективность отделочно-упрочняющей обработки инструмента // Новые технологии и системы обработки в машиностроении. - Донецк: ДонГТУ, 1994.- С. 67-68.

9. Хает Л.Г., Диденко Г.П., Жохова В.В. Кинетика характеристик процесса резания прогрессивным инструментом // Прогрессивная техника и технологии машиностроения.- Донецк: ДонГТУ, 1995.- С. 251-252.

10. Диденко Г.П., Хает Л.Г. Кинетика изнашивания тяжелонагруженного твердосплавного инструмента при точении стали и чугуна // Надежность режущего инструмента и оптимизация технологических систем. - Краматорск: ДГМА, 1995.- С. 41-42.

11. Диденко Г.П., Жохова В.В., Хает Л.Г. Кинетика параметров стружки при точении твердосплавным инструментом // Надежность режущего инструмента и оптимизация технологических систем. - Краматорск: ДГМА, 1995.- С. 44-45.

12. Гречишников В.А., Диденко Г.П., Жохова В.В. Программное обеспечение экспериментальных лабораторных работ по курсу "Проектирование режущего инструмента" // Новые технологии обучения .- Краматорск: ДГМА, 1995.- С. 62-63.

13. Жохова В.В., Диденко Г.П., Шевляков Е.Е. Диагностика состояния тяжелонагруженного инструмента при резании // Проблемы техники, технологии и экономики машиностроительного производства. - Краматорск: ДГМА, 1996.- С. 46-47.

14. Диденко Г.П., Жохова В.В., Шнеер Д.Б. Статистическое моделирование отказов тяжелонагруженных технологических систем // Современные проблемы машиностроения и технический прогресс. - Донецк: ДонГТУ, 1996.- С. 73-74.

15. Нечволод Н.К., Диденко Г.П., Жохова В.В. Маркетинг режущего инструмента на основе системных моделей рыночного пространства // Маркетинг в системе управления предприятием. - Киев: КГЭУ, 1996.- С. 186-187.

16. Диденко Г.П., Нечволод Н.К. Система показателей эффективности поверхностной обработки инструмента // Новые экономические отношения и кадровое обеспечение производства. - Краматорск: ДГМА, 1996. - С. 28.

17. Диденко Г.П., Хает Л.Г., Шаповалов Р.В. Моделирование износа инструмента методом Монте-Карло // Прогрессивные технологии машиностроения и современность. - Донецк: ДонГТУ, 1997. - С. 85-86.

АНОТАЦІЯ

Шевчик Г.П. Підвищення надійності важконавантажених твердосплавних різців с поверхневою обробкою на основі вивчення кінетики їх затуплення і механізму відказу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - "Процеси механічної обробки, станки і інструменти". Донецький державний технічний університет, Донецьк, 2001.

Захищаються 17 наукових робіт, що містять теоретичні та експеріментальні дослідження кінетики зношування і механізму відказу твердосплавних різців. Встановлено, що технологічна і експлуатаційна спадкоємність процесу зношування інструмента може бути урахована просторово-часовою моделлю, кінетика затуплення важконавантажених твердосплавних різців має подвійний характер. Його було описано кусково-експоненційною залежністю.

Коефіцієнти розробленої моделі затуплення твердосплавних різців оцінюють опір інструмента різним механізмам затуплення. Термодифузійне карбонітридне покриття збільшує період стійкости різців ВК8 при точінні чавуну в 1,2...6,3 рази. Це відбувається за рахунок зменшення швидкості усталеного зношування в 1,2...4,0 рази та величини приробочного зносу в 1,2...6,0 разів.

Розроблені рекомендації щодо використання поверхневої обробки різців впроваджені у виробництво. Наведені дані щодо їх ефективністі.

Ключові слова: надійність інструмента, зносостійкість інструмента, зношування, твердосплавні різці, зносостійкі покриття.

АННОТАЦИЯ

Шевчик Г.П. Повышение надежности тяжелонагруженных твердосплавных резцов с поверхностной обработкой на основе изучения кинетики их затупления и механизма отказа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 - "Процессы механической обработки, станки и инструменты". Донецкий государственный технический университет, Донецк, 2001.

Защищается 17 научных работ, которые содержат теоретические и экспериментальные исследования кинетики затупления тяжелонагруженных твердосплавных резцов.

Предложена пространственно-временная модель процесса затупления, которая позволяет учесть влияние эксплуатационной наследственности процесса изнашивания инструмента на кинетику формы контура износа. Введенный коэффициент обратной связи отражает уменьшение (отрицательная обратная связь), постоянство (нулевая обратная связь) или увеличение (положительная обратная связь) неравномерности контура износа за период стойкости. Экспериментально установлено, что изнашивание инструмента с поверхностной обработкой чаще имеет отрицательную обратную связь.

Исходя из положения о случайном характере процесса изнашивания, кривую износа представили суммой гармоник низкой, средней и высокой частоты (Фурье-анализ). Среднечастотная составляющая представляет собой ряд циклов затупления лезвия, а плотность распределения приращений износа может быть описана только суперпозицией нормального и экспоненциального законов, что подтверждено многочисленными экспериментальными данными. Для описания среднечастотной составляющей предложена кусочно-экспоненциальная зависимость со следующими параметрами: скорость установившегося изнашивания, величина приработочного износа, период среднечастотной составляющей, постоянная времени приработки. Показано, что кусочно-экспоненциальной зависимость адекватна литературным и авторским экспериментальным данным, ее параметры независимы между собой.

Установлено, что скорость установившегося изнашивания и величина приработочного износа уменьшаются за период стойкости; скорость установившегося изнашивания зависит от скорости резания, а величины приработочного износа - от частотных характеристик. Это свидетельствуют о том, что затупление твердосплавных резцов является результатом взаимодействия двух процессов - медленного, "непрерывного" и быстрого, "дискретного". "Непрерывный" этап характеризуется скоростью установившегося изнашивания и имеет пластическую природу, "дискретный" характеризуется величиной приработочного износа и имеет хрупкую природу, а кинетика затупления тяжелонагруженных твердосплавных резцов, в целом, имеет двойственную природу: значительный вклад в затупление лезвия твёрдосплавного инструмента вносят выкрашивания.

Параметры предложенной модели затупления твердосплавных резцов дифференцировано оценивают сопротивляемость инструмента различным механизмам затупления и могут быть использованы для оценки области его эффективности. За счет уменьшения скорости установившегося изнашивания в 1,2...4,0 раза и величины приработочного износа в 1,2...6,0 раз термодиффузионное карбонитридное покрытие повышает период стойкости резцов ВК8 при точении чугуна в 1,2...6,3 раза. Осуществлено внедрение рекомендаций по использованию поверхностной обработки, приведены данные об их эффективности.

Повышение периода стойкости инструмента в результате нанесения покрытия существенно зависит от величины критерия затупления. Рекомендовано использовать для тяжелонагруженных получистовых и черновых твердосплавных резцов технологический критерий затупления.

Ключевые слова: надежность инструмента, износостойкость инструмента, изнашивание, твердосплавные резцы, износостойкие покрытия.

ABSTRACT

Shevchik G.P. The increasing of reliability hard-loading cemented-carbide single-point cutting tools with a surface treatment on a base of a study of the it's wearing kinetics and failure mechanism. - Manuscript.

The dissertation for the degree of the candidate of Technical Sciences on speciality 05.03.01. - "Processes of technical machining, lathes and tools" - Donezk State Technical University, Donezk, 2001.

The 17 papers which contain theoretical and experimental research of a wearing kinetics and of a failure mechanism of cemented carbide single-point cutting tools are represented. The operation heredity of an tool wear process can be taken into account by the space - time wear model. The blunting kinetics of a hard-loading cemented-carbide single-point cutting tools has dual nature. It was described with the lump-exponential dependence.

Parameters of elaborating blunt model of cemented carbide single-point tools appreciate different blunt mechanisms resistance of cutting tools. Termodiffusion carbonitrid coat increased a tool life of single-point tools ВК8 1.2…6.3 times when turning cast iron. It results from lowering establish wear speed 1.2…4.0 times and rubbing wear value 1.2…6.0 times.

The recommendations on use of cutting tools surface treatment is established. Data about their effectiveness are cited.

The keywords: tool reliability, wear resistance, wear, single-point cutting tools, coated tools.

Размещено на Allbest.ru

...