Патент на изобретение №2260786

(54) СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области машиностроения и касается прогнозирования и контроля износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Способ осуществляется по выбранному исходному параметру – величине интенсивности электромагнитного излучения, генерируемой полиоксидными структурами – пленками, сформировавшимися на поверхности твердосплавных режущих инструментов при температуре и продолжительности окислительного нагревания их, равными температуре резания и продолжительности функционирования этих инструментов до выбранного критерия затупления, после облучения их импульсным лазером. Способ включает в себя: 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 полиоксидной структуры, построение эталонной – корреляционной зависимости, включающей “износостойкость – исходный параметр” – для конкретных температур продолжительностей резания и нагревания, текущий – статистический контроль только величины исходного параметра у текущей партии твердосплавных режущих инструментов и прогнозирование износостойкости для текущей партии инструментов на его основании. Технический результат – повышение точности, снижение трудоемкости. 2 ил.

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

Известен способ определения эксплуатационных характеристик твердосплавных режущих инструментов, заключающийся в нагружении образцов и определении прочности по их реакции на нагрузку. В качестве нагрузки используют импульсы лазерного излучения с плотностью 10⁶·10⁸ Вт/см². При этом измеряют амплитуду электромагнитного излучения (ЭМИ), возникающего под воздействием лазерного излучения, и по ней определяют прочность образцов [SU А.С. 1226156, МПК G 01 N 3/58, БИ 1986, № 15].

Одним из недостатков известного способа является то, что в соответствии с данным способом можно определять только одну составляющую показателя эксплуатационной характеристики режущих инструментов – прочность и весьма трудно прогнозировать другую составляющую – износостойкость. Это происходит вследствие того, что износостойкость, при резании сталей и сплавов, в основном, зависит от действия адгезионного износа. Последний же, в свою очередь, в большей степени определяется не механическими свойствами карбидов и металлической связки, а способностью их формировать на своей поверхности полиоксидные структуры, экранирующие межмолекулярное взаимодействие контактирующих поверхностей, заключающееся в микросварке и разрушительном разъединении образовавшегося соединения. Вследствие этого способ определения износостойкости режущих инструментов, по результатам импульсного облучения, свободной от оксидных пленок поверхности твердосплавных инструментальных материалов является неточным.

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, физико-химические свойства карбидных зерен, когезионное и адгезионное взаимодействие компонентов на границах фаз, электронное состояние поверхности 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 мало перспективным для использования, как в лабораторных, так и в производственных условиях.

Известен способ определения стойкости 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 нагревания при температуре, равной средней температуре в зоне резания, строят эталонную корреляционную зависимость “исходный параметр – износостойкость” для конкретной температуры, 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, равными, 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 то, что процесс прогнозирования износостойкости режущих инструментов по исходному параметру осуществляется без учета механических и теплофизических свойств полиоксидных структур. Вместе с тем, такие механические и тепофизические свойства поверхностных полиоксидных структур, как трещиностойкость, вязкость разрушения, пределы прочности на сжатие и сдвиг, теплоемкость, теплопроводность, термоупругость и термопластичность являются важными для них эксплуатационными характеристиками. Кроме того, в процессе реализации способа не отражается связь между степенью дефектности структуры поверхностных пленок, а также механическими и электрическими свойствами. Таким образом, информация, получаемая с помощью данного способа об относительной диэлектрической проницаемости и тангенсе угла диэлектрических потерь, ввиду отсутствия прямой связи с механическими характеристиками полиоксидных пленок, является важной, но не достаточной, с целью точного прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Вследствие этого данный способ прогнозирования износостойкости не совсем точно отражает связь между электрическими свойствами поликсидных пленок и их эксплуатационными характеристиками, что в итоге снижает степень тесноты корреляционной связи между исходным параметром и износостойкостью режущих инструментов. Тем не менее, данный способ контроля информативно отражает электрическое 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 износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Прогнозирование основано на тесной корреляционной зависимости между износостойкостью и интенсивностью электромагнитного излучения (в дальнейшем будем использовать сокращенное обозначение – ЭМИ), генерируемого полиоксидными структурами, при их разрушении в результате облучения импульсным лазером. Интенсивность ЭМИ это число разрядов (величина амплитуды импульса), образующихся в единицу времени при раскрытии и смыкании трещин. С увеличением интенсивности ЭМИ, образующегося в результате хрупкого разрушения полиоксидных структур, происходит рост износостойкости режущих инструментов (режущих пластинок), при резании ими, машиностроительных сталей и сплавов. Полиоксидные структуры получают, предварительно, на поверхности твердосплавных режущих пластинок в процессе их высокотемпературной обработки (окислительного нагревания) в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха.

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;

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

А(текущее), (мм) – 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 интенсивности электромагнитного излучения. ЭМИ является результатом создания и релаксации в структуре высоких механических и теплофизических напряжений. Напряженное состояние в полиоксидной композиции создается в результате обработки поверхности образцов, например, твердотельным или любым другим лазером, работающим в импульсном режиме. На первом этапе облучения, в результате роста термического воздействия (температуры), происходит увеличение механических напряжений и, как следствие, образование и распространение трещин. Одновременно с ростом трещин на их берегах, вследствие разрыва атомных связей у полиоксидных материалов формируются электрические заряды. На втором этапе действия лазерного импульса, когда происходит падение интенсивности теплового воздействия (снижение температуры) и его релаксация, часть образовавшихся трещин, под действием сжимающих напряжений, смыкаются. Процесс сопровождается рекомбинацией, образовавшейся на бортах трещин положительных и отрицательных зарядов и генерацией ЭМИ. Полиоксидную структуру, при этом, получают в результате высокотемпературного окислительного нагревания твердосплавных пластинок в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха при температуре и продолжительности нагревания, равных, соответственно, средней температуре резания и средней продолжительности функционирования этих режущих инструментов до выбранного 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. В свою очередь установлено, что величина интенсивности ЭМИ в значительной мере определяется физико-химическими свойствами тонких полиоксидных пленок, а именно: составом, степенью завершенности твердофазных окислительных реакций, дефектностью – пористостью, адсорбционной активностью по отношению к атомам и молекулам атмосферного воздуха, электропроводностью, емкостью, индуктивностью, механической прочностью и прочностью соединения с подложкой. На свойства формирующихся тонких полиоксидных пленок и, соответственно, величину интенсивности электромагнитного излучения большое влияние оказывают также флуктуации 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 нуглероженности карбидных зерен и др. Активность проявления в процессе резания абразивного, адгезионного и диффузионного механизмов износа, как и величина интенсивности ЭМИ связаны с механическими, теплофизическими и электрическими свойствами полиоксидных структур, принадлежащих участвующим в трении объектам. Основными из них являются: работа выхода, ионизационные потенциалы, степень сродства с электроном, степень вакансионной дефектности, трещиностойкость, вязкость разрушения, пределы прочности на сжатие и сдвиг, термоупругость и термопластичность и т.д. Интенсивность ЭМИ по сравнению с определением электрической прочности (в соответствии с прототипом) дает при этом комплексную, а следовательно, более объективную информацию о механических, теплофизических и электрических свойствах полиоксидной структуры в локальных (в наибольшей степени, представляющих интерес) точках исследуемого объекта (полиоксидной пленки), а следовательно, и более точно представляет информацию о состоянии подложки – твердосплавном инструментальном материале. Проведенные измерения и контроль указывают на тесную корреляционную связь, переходящую в функциональную между износостойкостью и интенсивностью ЭМИ, генерируемого в локальных областях тонких полиоксидных пленках, при выбранной плотности мощности лазерных импульсов. Средний диаметр пятна лазерного импульса составлял 3±0,2 мм, при расстоянии между структурными составляющими на поверхности контролируемых образцов, равном 10-20 мкм. Вследствие этого интенсивность импульсов ЭМИ, генерируемых в результате лазерного воздействия, объективно отражает вклад всех компонентов полиоксидной структуры, а следовательно, и конкретной партии твердого сплава в изменение износостойкости режущих инструментов (твердосплавная структура – 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 электрофизических свойств полиоксидных структур с помощью измерения ЭМИ 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 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 ЭМИ, генерируемых поверхностными (в данном случае – комбинированными) полиоксидными структурами, как показали испытания, наблюдается также устойчивая взаимосвязь.

Реализация способа осуществляется поэтапно, сначала проводят эталонные испытания. Для этого делают 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, стали Х18Н10Т или наиболее используемых на предприятии материалов. Резание проводят на оптимальной или близкой к ней скорости резания [см., например, RU 2230630 C1, 7 B 23 B 1/00 от 20.06.2004. Бюл. № 17]. При этом одновременно регистрируют среднюю температуру резания – по показаниям термоЭДС и на основании тарировочных графиков или по показаниям пирометра. Определяют величину износостойкости, как продолжительность безотказной работы до выбранного 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 ночи примерно равняется температуре и продолжительности резания инструмента до выбранного критерия затупления. После завершения операций окисления, извлечения образцов из печи и остывания, выбирают поверхности с полиоксидными образованиями, представляющие наибольший интерес для контроля. Как правило это задняя поверхность, передняя поверхность или вспомогательная задняя поверхность, износ которых существенно оказывает влияние на эксплуатационные характеристики режущего инструмента в целом.

Выбранные по установленному признаку (фиг.1) твердосплавные режущие пластинки (2) с полиоксидной структурой при соответствующей ориентации (по направлению к лучу лазера) устанавливают в специальное приспособление – кольцевую антенну (5), изготовленную в виде полого цилиндра, и подвергают обработке лазерным импульсом. Образующаяся в результате раскрытия и смыкания множества трещин ЭМИ передается антенной на усилитель сигналов (6), а затем на запоминающий осциллограф (7). Импульсный лазер (1) оснащается устройствами для фокусирования луча и измерения мощности лазерного излучения (3, 4). Величина мощности лазерного импульса, при котором начинается процесс стабильного генерирования ЭМИ, составляет 10⁴ Вт/см². Это связано с началом интенсивного образования и последующего смыкания трещин. При мощности лазерного излучения, равном 10⁶ Вт/см² процесс интенсивной генерации ЭМИ замедляется, что связано с началом процесса плавления структурных компонентов полиоксида. Таким образом, величина плотности мощности лазерных импульсов, при которых наблюдается устойчивый процесс генерирования электромагнитного излучения при облучении полиоксидных материалов, находится в пределах от 10⁴ до 10⁶ Вт/см²

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 установки для контроля интенсивности ЭМИ у полиоксидных образцов, где: 1 – импульсный лазер, 2 – режущая пластинка с полиоксидной структурой, 3 – фокусирующее устройство, изменяющее плотность потока излучения, 4 – измеритель энергии лазерного излучения, 5 – антена емкостного типа, 6 – уселитель сигнала ЭМИ, 7 – осциллограф.

На фиг.2 представлена графическая корреляционная зависимость изменения величины износостойкости от интенсивности ЭМИ, генерируемых полиоксидной структурой.

Т(эталонное), мин=К×f(A) эталонное, (мин).

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 равного средней продолжительности времени резания до установленного критерия затупления, ранее полученного для эталонных образцов, извлекают их из печи, проводят испытания только на интенсивность генерирования ЭМИ 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 интенсивности ЭМИ (мм) для текущей партии образцов из 10 штук составило 22,32 мм. Прогнозируемое – текущее значение износостойкости (мин) из расчетов для контролируемой партии составило 45,46 мин, что является выше стойкости относительно эталонной партии резцов примерно на 8%. При осуществлении прогнозирования износостойкости для текущей партии твердосплавных инструментов отпадает необходимость в проведении дорогостоящих и трудоемких испытаний на износостойкость, проводимой на металлорежущих станках.

Способ обладает высокой точностью прогноза. Это происходит вследствие тесной связи между свойствами твердых сплавов (износостойкостью), свойствами полиоксидных структур твердых сплавов и интенсивностью ЭМИ, генерируемых в результате облучения полиоксидной структуры с помощью лазера с заданной величиной плотности мощности импульса, находящегося в установленном диапазоне.

Вследствие сравнения данных прогноза износостойкости, полученных в соответствии с прототипом и по предлагаемому способу, а также в результате контрольных исследований износостойкости, выполненных в процессе резания хромоникелевой 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.

Формула изобретения

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;

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

А(текущее), (мм) – 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 интенсивности электромагнитного излучения, генерируемой полиоксидными структурами – пленками, сформировавшимися на поверхности твердосплавных режущих инструментов при температуре и продолжительности окислительного нагревания их, равными температуре резания и продолжительности функционирования этих инструментов до выбранного критерия затупления после облучения их импульсным лазером.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 14.08.2006

Извещение опубликовано: 10.04.2008 БИ: 10/2008