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 износостойкость - исходный параметр - для конкретных температур продолжительностей резания и нагревания (окисления), 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 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;

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

V(текущее), м/с - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из текущей контролируемой партии, отличающийся тем, что в качестве исходного параметра используют величину скорости звука, измеренную у полиоксидных структур - пленок, сформировавшихся 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 - износостойкость”, построенному для эталонного образца, определяют величину износостойкости материала [SU А.С. 268720, МПК G 01 N 3/58, БИ №14, 1970].

Одним из недостатков известного способа является то, что при измерении не учитывается влияние массы и размагничивающего фактора изделий, имеющих различные формы и 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, 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 от коэффициента температуропроводности, а режущие свойства инструментов всей партии определяют, используя полученную зависимость [SU А.с. 1651155, МПК G 01 N 3/58, БИ №19, 1991]. 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, сформированной в процессе специального нагревания при температуре, равной средней температуре в зоне резания, 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_{(эталонное)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, равных, соответственно, температуре резания и продолжительности функционирования этого инструмента до заданного критерия затупления [SU А.с. 2209413, МПК G 01 N 3/58, БИ №29, 2003]. 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, теплопроводность, соотношения в коэффициентах линейного термического расширения у составляющих композицию компонентов и т.д. Процесс формирования канала пробоя, а следовательно, и электрической прочности в значительной степени зависит также и от последних факторов. Вследствие этого данный способ прогнозирования износостойкости не совсем точно характеризует эксплуатационные свойства, предопределяемые 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 эксплуатационное состояние поверхностной структуры инструментального материала, что важно для установления связи между данной характеристикой и основным видом разрушения режущего инструмента - адгезионным износом, в большой степени 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 износостойкости твердосплавных режущих инструментов, которое основано на тесной корреляционной зависимости между износостойкостью и скоростью звука, измеряемой у полиоксидных структур, формирующихся на поверхности твердых сплавов при их специальном нагревании - окислении. С увеличением скорости звука в полиоксидных структурах, сформированных на поверхности твердосплавных материалов (режущих пластинок), после их окисления в результате высокотемпературного нагревания происходит рост износостойкости режущих инструментов (режущих пластинок), при резании ими, в особенности, труднообрабатываемых материалов.

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 “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 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;

V_{(эталонное)м/с} - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

V_{(текущее)м/с} - 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 величину скорости звука у полиоксидной структуры - полиоксидной массы, сформированной на поверхности твердосплавного режущего инструмента при температуре и продолжительности нагревания его в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха, равных, соответственно, средней температуре резания и средней продолжительности функционирования этого инструмента до заданного критерия затупления.

Известно, что в зоне контакта трущихся тел и, в частности, инструментального и обрабатываемого материалов формируются полиоксидные структуры - полупроводниковые или диэлектрические пленки, существенным образом влияющие на эксплуатационные характеристики твердосплавных режущих инструментов, их износостойкость. Установлено, что между износостойкостью режущих инструментов и свойствами полиоксидных структур имеется связь. В свою очередь установлено, что величина скорости звука в значительной мере определяется физико-механическими свойствами тонких полиоксидных пленок, а именно: составом, плотностью, пористостью, степенью дефектности, упругостью, пластичностью, статической, динамической и циклической прочностью, надежностью (трещиностойкостью). На свойства формирующихся тонких полиоксидных пленок и соответственно величину скорости звука большое влияние оказывают также величина разброса напряженного и деформированного состояний в составляющих твердый сплав компонентах, зависящие от вида прессования, технологии проведения процесса спекания, наличия примесей, избытка или недостатка содержания углерода, регулирующего уровень проявления твердофазных реакций на границах компонентов при спекании и последующем окислении, степени исходной стехиометрии карбидных зерен и др. Активность проявления в процессе резания абразивного, адгезионного и диффузионного механизмов износа, как и величина скорости звука тесным образом связаны с механическими свойствами полиоксидных структур, принадлежащих участвующим в трении объектам, такими как нормальный модуль упругости (модуль Юнга), модуль сдвига, коэффициент Пуассона, ударная вязкость, коэффициенты относительного сужения и удлинения, вязкость разрушения и т.д. Проведенные измерения и контроль указывают на тесную корреляционную связь, переходящую в функциональную между износостойкостью режущих инструментов и скоростью звука, распространяющегося в полиоксидных структурах - пленках, полученных при выбранной температуре окисления. Скорость звука в полиоксидной пленке объективно отражает вклад всех структурных компонентов твердого сплава (из которых она была получена) в изменение износостойкости режущих инструментов. Твердосплавная композиция состоит как правило из карбидов вольфрама и кобальта или карбидов вольфрама, титана и кобальта или карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта и т.д. Оценка механических свойств полиоксидных структур с помощью измерения скорости звука (модуля Юнга, модуля сдвига, коэффициента Пуассона) позволяет более точно осуществлять прогнозирование 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 уровня общей износостойкости режущих инструментов, - вследствие оперативного анализа и сопоставления текущих контролируемых и эталонных параметров, полученных в широком диапазоне режимов резания, температур резания и температур специального окисления (как правило 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 также износостойкие покрытия и различные поверхностные упрочнения, тем не менее, и в данном случае между износостойкостью и скоростью звука в поверхностных (в данном случае - многослойных) полиоксидных структурах, как показали испытания, наблюдается устойчивая взаимосвязь.

Реализация способа осуществляется поэтапно, сначала проводят эталонные проверки. Для этого делают достаточно представительную выборку твердосплавных режущих инструментов (режущих пластинок) из имеющейся партии твердосплавной продукции и производят испытания на износостойкость в процессе резания на металлорежущем станке, как правило, стали 45, стали Х18Н10Т 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 показаниям термо-эдс и, на основании тарировочных графиков или по показаниям пирометра, определяют величину износостойкости, как продолжительность безотказной работы до заданного критерия затупления - фаски износа (свидетельствующей о потере режущих свойств) на задней поверхности (как правило 0,2-0,8 мм). Затем испытанные в процессе резания твердосплавные режущие инструменты подвергают специальному окислению в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха. Температура и продолжительность нагревания в электрической печи равняется температуре и продолжительности резания инструмента до заданного критерия затупления. Полученную в результате окисления полиоксидную массу удаляют с твердосплавной пластинки, помещают в специальное устройство и подвергают измельчению. Как показали дополнительные измерения, распределение получаемого порошка по фракциям не влияет на окончательные результаты при определении скорости звука. Вероятно это связано с тем, что завершающее разрушение-распределение порошков по размерам происходит в процессе их прессования. Последующий процесс прессования порошков производится в специальных формах, полых цилиндрах - с наружным диаметром 32 мм, внутренним диаметром 30 мм и высотой 12 мм. Для удобства, при проведении дальнейших измерений, вес прессуемого порошка должен быть, как правило, одинаков для всех исследуемых образцов. Давление при прессовании может составлять 1-2 кг/мм², но должно быть строго одинаковым при получении всех образцов. После этого спрессованные полиоксидные образцы вместе с пресс-формой (металлической обоймой) помещаются между звукопроводами установки для измерения скорости звука. Измерение скорости звука производится на универсальной установке мод. УЗИС - 76 импульсным методом.

После определения скорости звука строится график эталонной зависимости “износостойкость - скорость звука” для одинаковых температуры и продолжительности резания и температуры и продолжительности получения полиоксидной структуры в электрической печи. Последующий контроль твердосплавных режущих инструментов текущей партии поставляемой (получаемой) продукции производится на основании измерения только выбранного исходного параметра, а именно: скорости звука у полиоксидной структуры, полученной при конкретной, чаще оптимальной температуре, соответствующей оптимальной скорости резания. На основании полученной эталонной зависимости “износостойкость - скорость звука” 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. Данное обстоятельство расширяет границы применяемости предлагаемого способа, делает его универсальным.

На фиг.1 представлена схема размещения образца в приборе для определения скорости звука у полиоксидных материалов, где:

1 - образец, 2 – пресс-форма, 3 – звукопроводы.

На фиг.2 представлена графическая корреляционная зависимость изменения величины износостойкости от величины скорости звука у полиоксидной структуры.

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 инструментальная сталь 5ХГМ. Скорость резания при испытаниях принималась - 120 м/мин. Подача и глубина резания были постоянными, 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 120 м/мин - по показаниям естественной термопары и, на основании тарировочной таблицы, составляла, примерно, 900°С. Стойкость режущих пластинок для образцов в партии из 10 штук составила: 46,4; 47,3; 48,5; 49,6; 50,2; 51,6; 52,5; 53,4; 53,6; 54,8 мин. Затем использованные твердосплавные пластинки помещались в электрическую печь с открытым доступом атмосферного воздуха и выдерживались в печи при температуре, равной средней температуре резания - 900°С, полученной при соответствующих режимах резания в течение времени, равного средней стойкости, полученной при резании до установленного критерия затупления - 50,79 мин. После этого, из образовавшейся при окислении на поверхности каждой твердосплавной пластинки полиоксидной структуры (пленки) в результате ее измельчения и последующего прессования подготавливали образцы и осуществляли измерение величины скорости звука. Средняя (из четырех измерений) величина скорости звука для партии образцов из 10 штук составила: 1579,6; 1585,5; 1590,8; 1594,4; 1599,2; 1604,6; 1608,1; 1613,7; 1617,2; 1621,6 м/с. Среднее значение величины скорости звука (для десяти пластинок) из эталонной партии образцов (полиоксидной структурой) составило 1601,47 м/с. Толщину полиоксидного слоя, необходимую для вычисления скорости звука для каждого образца, измеряют с помощью длинномера или микрометра. По данным износостойкости твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии проконтролированной продукции и величине скорости звука у полиоксидных пленок, полученных при одинаковой средней температуре и продолжительности резания и соответствующей ей температуре и продолжительности окисления, строили график эталонной корреляционной зависимости “износостойкость - скорость звука”. На фиг.2 представлена корреляционная зависимость изменения:

Для осуществления прогнозирования износостойкости у твердосплавных режущих пластинок в последующей текущей, предназначенной для экспертизы - контроля, партии образцов, проводят выборочный отбор твердосплавных инструментов для проведения необходимых измерений. После этого помещают их в электрическую печь, окисляют при температуре и продолжительности, которые соответствуют средним температурам и времени резания до установленного критерия затупления, ранее полученным при испытании эталонных образцов, извлекают их из печи, приготавливают из них образцы, производят определение у образцов только скорости звука 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 скорости звука для партии образцов также из 10 штук составило 1642,64 м/с. При осуществлении прогнозирования износостойкости для данной - текущей партии твердосплавных инструментов отпадает необходимость в проведении дорогостоящих и трудоемких испытаний на износостойкость, проводимой на металлорежущих станках. В итоге прогнозируемое - текущее значение износостойкости (мин) из расчетов для контролируемой партии составило 52,10 мин, что является выше стойкости относительно эталонной партии резцов примерно на 4%.

Способ обладает высокой точностью прогноза. Это происходит вследствие тесной связи между механическими свойствами твердых сплавов (износостойкостью) и скоростью звука в полиоксидных структурах - свойствами полиоксидных структур, отражающими свойства твердых сплавов.

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 конструкционной стали, выявлено, что результаты, полученные в соответствии с прототипом, отличаются от контрольных испытаний на 10-15%, 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.