способ прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов

Формула изобретения

Способ прогнозирования износостойкости твердосплавных 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 полиоксидной структуры, сформированной в процессе нагревания на поверхности твердосплавного режущего инструмента при температуре, равной средней температуре в зоне резания, 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 Т(текущее), мин - износостойкость, среднее прогнозируемое время безаварийной работы твердосплавных режущих инструментов, подвергающихся испытаниям, из текущей партии образцов;

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

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

(текущее), пс - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из текущей контролируемой партии, отличающийся тем, что, с целью повышения точности прогнозирования износостойкости, в качестве исходного параметра используют величину времени жизни позитронов, внедренных в поверхностную полиоксидную структуру - пленку, сформировавшуюся на поверхности твердосплавных режущих инструментов при температуре и продолжительности окислительного нагревания их, равным температуре резания и продолжительности функционирования этих инструментов до заданного критерия затупления.

Описание изобретения к патенту

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 эрстед, измеряют магнитную проницаемость материала и по градировочному графику “магнитная проницаемость - стойкость”, построенному для эталонного образца, определяют величину износостойкости материала [SU А.С. 268720, МПК G 01 N 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 G 01 N 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 малоперспективным для использования как в лабораторных, так и в производственных условиях.

Известен способ определения износостойкости режущего инструмента, выбранный в качестве прототипа и заключающийся в следующем. Проводят эталонные испытания режущих инструментов на износостойкость при оптимальной или близкой к ней скорости резания, проводят испытания на изменение величины исходного параметра от свойств, поверхностной полиоксидной структуры, сформированной в процессе нагревания при температуре, равной средней температуре в зоне резания и продолжительности нагревания, равной времени резания до заданного критерия затупления, строят эталонную корреляционную зависимость "исходный параметр - износостойкость для конкретных температур, 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;

Е(эталоное), кВ/см - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

Е(текущее), кВ/см - 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 напряженности электрического поля, необходимую для электрического пробоя полиоксидной структуры (пленки), сформировавшейся на поверхности твердосплавного режущего инструмента при температуре и продолжительности окислительного нагревания его, равным соответственно температуре резания и продолжительности функционирования этого инструмента до заданного критерия затупления [SU А.С. 2209413 МПК G 01 N 3/58 БИ 2003, №29]. Основным недостатком данного способа является низкая точность в оценке диэлектрических свойств полиоксидных структур с помощью измерения электрической прочности. Это объясняется тем, что электрическая прочность при данном способе контроля (прогнозировании) зависит не только от чисто электрических характеристик, таких как относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь, но и от механических и тепловых, к которым в первую очередь относятся прочность, температуропроводность, соотношения в коэффициентах линейного термического расширения у составляющих композицию компонентов. Процесс формирования канала пробоя, а следовательно, и электрической прочности в значительной степени зависит от последних факторов. Вследствие этого данный способ прогнозирования износостойкости не совсем точно характеризует изоляционные свойства поликсидной пленки, что в итоге снижает степень тесноты корреляционной связи между исходным параметром и износостойкостью режущих инструментов. Тем не менее, данный способ контроля информативно отражает диэлектрическое состояние поверхностной структуры инструментального материала, что важно для установления связи между данной характеристикой и основным видом разрушения режущего инструмента - адгезионным износом, напрямую зависящим от электрических параметров полиоксидного слоя, и мы выбираем его в качестве прототипа.

Задачей предлагаемого способа - прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов - является повышение точности и снижение трудоемкости при прогнозировании-определении вероятной износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Прогнозирование основано на тесной корреляционной зависимости между износостойкостью и временем жизни позитронов, инжектированных (внедренных) в поверхностную полиоксидную структуру твердых сплавов, сформировавшуюся при их нагревании в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха при температуре и времени выдержки, равной температуре, действующей в зоне резания инструментальный - обрабатывемый материал, и продолжительности, равной времени резания до заданного критерия затупления. С увеличением времени жизни позитронов, внедренных в полиоксидную структуру износостойкость режущих инструментов (режущих пластинок) при резании ими сталей и сплавов возрастает.

Поставленная задача при прогнозировании износостойкости 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 “исходный параметр - износостойкость” и статистический контроль исключительно только величины исходного параметра у текущей контролируемой партии твердосплавных режущих инструментов (или отдельных 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;

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

(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 используют время жизни позитронов, внедренных в поверхностную полиоксидную структуру, сформированную на поверхности твердосплавного режущего инструмента при температуре и продолжительности нагревания его в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха, равным, соответственно средней температуре резания и средней продолжительности функционирования этого инструмента до заданного критерия затупления.

Время жизни позитронов - продолжительность независимой миграции этой частицы в полиоксидной структуре диагностируемого твердого сплава включает время с момента испускания радиоактивным источником позитрона и сопровождающего его первичного гамма-кванта, регистрацией этого события специальными сцинцилляционными датчиками, внедрением позитрона в структуру полиоксида, захватом позитрона отрицательно заряженным дефектом (вакансией или вакансионным комплексом), взаимодействием позитрона с электроном, находящимся вблизи указанного дефекта, аннигиляции позитрона с электроном до момента образования электромагнитного излучения - вторичных гамма-квантов, которые контролируются также сцинцилляционными датчиками. Разность во времени между образованием аннигиляционного электромагнитного излучения - вторичных гамма-квантов и испусканием в начале радиоактивным источником одновременно с позитронами первичных гамма-квантов фиксируется специальным временным датчиком-устройством и является собственно временем жизни позитронов. Время жизни позитронов зависит от электронной плотности, существующей в окрестности дефекта. Вероятность аннигиляции позитрона с увеличением электронной плотности вблизи вакансионного дефекта возрастает, а время жизни позитрона снижается. В данном случае увеличивается вероятность захвата позитрона электроном с образованием гамма-квантов, регистрируемых сцинцилляционными датчиками. Таким образом, с одной стороны, свойства твердых сплавов, их износостойкость является функцией свойств полиоксидного образования (пленки) на их поверхности. С другой стороны, время жизни позитронов также зависит от свойств полиоксидной пленки, наличием в ее структуре дефектов вакансионного типа и соответствующей электронной плотности в окрестности этих дефектов. При снижении степени вакансионной дефектности в полиоксидной структуре электронная плотность в окрестности дефектов увеличивается и соответственно возрастает время жизни позитронов. В соответствии с этим увеличивается и износостойкость изготовленных из диагностируемых твердых сплавов режущих инструментов. На время жизни позитронов существенное влияние оказывает структура твердых сплавов, свойства которой формируются в процессе спекания и охлаждения. Уровень взаимодействия металла и углерода в карбидных зернах, а следовательно, недостаток или избыток свободного углерода в твердом сплаве предопределяет характер твердофазных реакций на границах фаз, составляющих его компонентов, а также их окисляемость в процесс последующего нагревания (при трении в процессе резания или в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха). При недостатке углерода увеличивается степень растворения, например, карбида вольфрама в кобальте или титане. Это приводит к образованию сложных соединений - двойных или тройных карбидов, имеющих высокую хрупкость и снижающих износостойкость твердосплавных режущих инструментов, особенно в условиях интенсивного адгезионного износа. Избыток углерода на границах фаз, наоборот, создает препятствия для реакций между карбидными зернами и металлической связкой, консолидирующих композиционную систему за счет образования коогезионных связей. Последнее также приводит к снижению износостойкости режущих инструментов. Вследствие вероятной флуктуации содержания углерода, вызванное недостатками в точности проведения технологического процесса приготовления карбидных зерен, свойства соединений, формирующихся на границах фаз, значительно различаются. После окисления твердых сплавов различия в структуре и свойствах сформированных полиоксидных композиций только возрастают. Так, например, разброс электропроводности у твердых сплавов составляет 20-30%, а их оксидов 50-80%. Состав полиоксидной композиции - наличие, например, в том или ином количестве простых или сложных полиоксидных образований с различной степенью стехиометрии - определяется уровнем взаимодействия углерода с металлом в исходном составе твердых сплавов и оказывает большое влияние на износостойкость, изготовленных из этих твердых сплавов режущих инструментов. Это определяется ролью полиоксидной структуры как твердой смазки и фактора, ограничивающего уровень межмолекулярного взаимодействия в зоне контакта инструментального и обрабатываемого материалов. Установлено, что на износостойкость режущих инструментов оказывают существенное влияние состав и свойства полиоксидной структуры - пленки. В связи с этим контроль структуры полиоксидных образований - выявление вакансий, мелких и крупных пор в кристаллической решетке, определяющий комплекс ее важнейших физико-химических свойств, является надежным методом прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов.

Существенно важной особенностью предлагаемого способа является то, что в соответствии с его приемами, без дополнительных затрат и технических трудностей представляется возможным также проводить более объективную и точную оценку износостойкости, вследствие оперативного анализа и сопоставления текущих контролируемых и эталонных параметров, полученных в широком диапазоне режимов резания, температур резания и температур окисления в электрической печи. На свойства полиоксидных пленок, образующихся в зоне контакта, и на свойства полиоксидных структур, формирующихся на поверхности твердосплавных режущих инструментов при их нагревании в электрической печи, значительное влияние оказывают защитные покрытия и различные поверхностные упрочнения, тем не менее, и в данном случае между износостойкостью и интенсивностью частичных разрядов, генерируемых поверхностными (в данном случае - комбинированными) полиоксидными структурами, как показали испытания, наблюдается также устойчивая взаимосвязь.

Реализация способа осуществляется последовательно, проходя несколько этапов. Сначала проводят эталонные испытания. Для этого производят достаточно представительную выборку твердосплавных режущих инструментов (режущих пластинок) из имеющейся партии твердосплавной продукции и производят испытания на износостойкость в процессе резания ими на металлорежущем станке, как правило, стали 45, или наиболее используемых на предприятии материалов. Резание проводят на оптимальной или близкой к ней скорости резания [См., например, RU 2168394 С2 7 В 23 В 1/00 от 10.06.01. Бюл. №16]. При этом одновременно регистрируют среднюю температуру резания: по данным термо-эдс или по показаниям пирометра. 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 окислению в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха. Температура и продолжительность нагревания в электрической печи примерно равняется температуре и продолжительности резания инструмента до заданного критерия затупления. После завершения операций окисления, извлечения образцов из печи и остывания с их поверхностей, кроме одной, имеющей наибольшую площадь при достаточной длине и ширине, убирают ненужные полиоксидные образования.

Подготовленную (фиг.1) рассмотренным выше способом твердосплавную режущую пластинку - 1 с оставшейся на одной (или на нескольких) из поверхностей полиоксидной структурой - 2 устанавливают на измерительный столик электрон-позитронного спектрометра - 3. На образец устанавливают свинцовый измерительный стакан-цилиндр с радиоактивным источником натрий - 22-5, испускающий позитроные+ и первичные гамма-кванты, регистрируемые сцинциляционными датчиками-6 и анализируемые блоком сравнения - 8. Образующиеся в результате взаимодействия позитронов е+ и электронов е- анализируемой полиоксидной структуры вторичные гамма-кванты регистрируются сцинциляционными датчиками-7 и анализируются блоком сравнения - 9. Блок вычитания - 10 проводит расчет времени жизни позитронов. Время-амплитудный конвертор - 11 выдает данные о текущем значении времени жизни позитронов. Анализ полиоксидной структуры длится от нескольких секунд до несколько минут. С увеличением времени измерений (контроля времени жизни) эффективность прогноза сначала возрастает, а затем остается на одном и том же уровне. Вследствие этого измерение следует выполнять в течение определенного - оптимального времени. По опытным данным оно составляет от 2 до 3 мин.

Получаемый в результате экспериментов временной спектр включал три ярко выраженные диапазона продолжительности времени жизни позитронов. Между каждой из них и износостойкостью режущих инструментов наблюдается корреляционная связь. Однако наиболее высокая степень корреляции между износостойкостью и временем жизни позитронов наблюдается, когда при сравнении берется третья компонента во временном спектре, отражающая время жизни (процессы аннигиляции) в поверхностной структуре полиоксидов твердых сплавов, ответственной за адгезионное взаимодействие с обрабатываемым материалом. Контроль времени жизни производится, как правило, в 10-20 точках на поверхности образца. После этого строится график эталонной зависимости "износостойкость - время жизни позитронов" (например, третьей компоненты), полученный для одинаковых температуры резания и температуры, при которой были получены полиоксидные образования. Последующий контроль твердосплавных режущих инструментов текущей партии поставляемой продукции производится на основании измерения только выбранного исходного параметра, а именно: времени жизни позитронов у полиоксидной структуры, полученной при конкретной, чаще оптимальной температуре, соответствующей оптимальной скорости резания. На основании полученной эталонной зависимости “износостойкость - время жизни позитронов” и формулы (1), приведенной выше, осуществляется прогноз износостойкости текущей партии твердосплавной продукции. Прогнозируемая износостойкость может быть выше или ниже, полученной при эталонных испытаниях.

Предлагаемый способ позволяет прогнозировать с высокой точностью износостойкость твердосплавных режущих инструментов как при обработке конструкционных сталей и чугунов, так и материалов, обладающих пониженной обрабатываемостью, например, хромоникелевых сталей и сплавов, титановых сплавов и т.д. Это обстоятельство расширяет границы применяемости предлагаемого способа, делает его универсальным.

На фиг.1 представлена блок-схема электрон-позитронного спектрометра для определения времени жизни позитронов.

На фиг.2 представлена графическая корреляционная зависимость изменения величины износостойкости от величины времени жизни позитронов.

Пример осуществления способа прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов

Сначала проводятся измерения на износостойкость сменных твердосплавных режущих пластинок марки Т15К6, полученных из эталонной - предыдущей партии поставляемой продукции. В качестве обрабатываемого материала использовалась углеродистая легированная сталь 50 ХФА. Скорость резания при испытаниях выбиралась равной - 150 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 пластинки по задней поверхности, равный 0,6 мм. Средняя температура резания в зоне контакта инструментальный - обрабатываемый материал при скорости резания 150 м/мин, по показаниям естественной термопары и на основании тарировочной таблицы составляла - примерно - 850°С. Стойкость для образцов из 20 штук составила: 60,1; 60,4; 60,7; 61,3; 61,6; 61,9; 62,2; 62,5; 62,8; 63,0; 63,3; 63,6; 63,9; 64,1; 64,4; 64,7; 65,0; 65,2; 65,5; 65,8 мин. Затем использованные твердосплавные пластинки помещались в электрическую печь с открытым доступом атмосферного воздуха и выдерживались в печи при температуре, равной средней температуре резания - 850°С, полученной при соответствующих режимах резания в течение времени, равного средней стойкости, полученной при резании до установленного критерия затупления - 63,09 мин. Образовавшуюся на поверхности каждой твердосплавной пластинки полиоксидную структуру (пленку) контролировали с помощью электрон-позитронного спектрометра. Определяли время жизни внедренных в полиоксидную структуру позитронов, которое составило для партии образцов из 20 штук: 910; 912; 913; 916; 918; 919; 922; 925; 926; 928; 931; 932; 934; 937; 939; 940; 943; 946; 947; 949 пс. Среднее значение интенсивности частичных разрядов (для двадцати пластинок) у эталонной партии образцов с полиоксидной пленкой составило 929,85 пс. По данным износостойкости твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии - проконтролированной продукции и величине времени жизни позитронов, внедренных в поверхностную полиоксидную структуру, строили график эталонной, корреляционной зависимости “износостойкость - время жизни позитронов” - для данной средней температуры (режимов резания). На фиг.2 представлена корреляционная зависимость изменения: Т(эталонное), мин=f(T)(эталонное)пс.

Для осуществления прогнозирования износостойкости у твердосплавных режущих пластинок в последующей текущей, предназначенной для контроля партии образцов проводят отбор твердосплавных инструментов для проведения необходимых измерений. Для этого помещают их в электрическую печь, окисляют при температурах, которые соответствуют средним температурам резания (температурам, равным, полученным при эталонных испытаниях) в течение времени, также равным средней продолжительности времени резания до установленного критерия затупления, ранее полученном для эталонных образцов, извлекают их из печи, проводят испытания только на измерение времени жизни инжектированных в полиоксидную структуру позитронов и на основании этих данных, а также на основании результатов, полученных при проведении эталонных испытаний в процессе резания, но теперь уже без дополнительных механических испытаний на износостойкость, прогнозируют износостойкость твердосплавных режущих инструментов для данной текущей партии образцов в соответствии с зависимостью:

Среднее текущее значение величины времени жизни позитронов (пс) для партии образцов составило 952,56. При осуществлении прогнозирования износостойкости для текущей партии твердосплавных инструментов отпадает необходимость в проведении дорогостоящих и трудоемких испытаний на износостойкость, проводимой на металлорежущих станках. Прогнозируемое - текущее значение износостойкости (мин) из расчетов для контролируемой партии составило 66,24 мин, что является выше стойкости относительно эталонной партии резцов примерно на 5%.

Способ обладает высокой точностью прогноза. Это происходит вследствие тесной связи между свойствами твердых сплавов (износостойкостью), свойствами полиоксидных структур твердых сплавов и временем жизни позитронов.

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.