Патент на изобретение №2189887

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области обработки сталей и сплавов резанием, определению рабочего параметра твердосплавных режущих инструментов – оптимальной скорости резания для непосредственного их использования на металлорежущем оборудовании, а также для аттестации и сертификации этих инструментов. Способ включает проведение измерения температуры в зоне контакта инструментальный – обрабатываемый материал при различных скоростях резания с построением графической зависимости и предварительный нагрев образцов твердосплавных инструментов. Для повышения точности и снижения трудоемкости в качестве исходного параметра выбирают температуру предварительного нагрева твердосплавного инструмента, при которой в его формирующейся полиоксидной полупроводниковой поверхностной структуре – пленке достигается наибольшее значение величины относительной диэлектрической проницаемости, соответствующее образованию в полиоксидном комплексе максимальной электрической емкости. Затем по построенной графической зависимости назначают в качестве оптимальной скорость резания, при которой температура нагрева в зоне контакта соответствует выбранной температуре предварительного нагрева твердосплавного инструмента. 3 ил.

Изобретение относится к области обработки сталей и сплавов резанием и может быть использовано для определения рабочего параметра твердосплавных режущих инструментов – оптимальной скорости резания для непосредственного их использования на металлорежущем оборудовании, а также при аттестации и сертификации этой твердосплавной продукции.

Известен способ определения оптимальной скорости резания, основанный на нахождении последней по выбранному исходному параметру, связанному с изменениями характеристик кристаллической решетки. В качестве исходного параметра для определения оптимальной скорости резания выбирают период кристаллической решетки, определяют его при различных скоростях резания (температурах), а оптимальную скорость принимают равной наибольшей скорости, при которой период решетки будет максимальным (SU 1028427, МПК 3 В 23 В 1/00, БИ 26, 1983). Процесс определения параметров кристаллической решетки с помощью дифрактометров является сложным и трудоемким. Исследование изменений в кристаллической решетке производится после прекращения опытов по резанию. Вследствие разной скорости охлаждения различных областей инструментального материала после очередного нагревания в процессе резания, осуществляемого в диапазоне 400-800^oС за счет изменения скорости резания, снижается вероятность точного определения происходящих изменений. Неточности возникают и вследствие того, что исследованию подвергается локальная – случайная зона износа твердого сплава, структурные параметры которой значительно отличаются от других смежных областей ввиду неодинакового характера распределения температурного поля при различных скоростях резания. Поэтому получаемые результаты изменений параметров кристаллической решетки являются весьма приближенными и имеют недостаточную степень статистической значимости.

Известен способ определения оптимальной скорости резания, основанный на том, что наибольшей скорости режущего инструмента соответствует минимальная длина участка упрочения. Выбор в качестве исходного параметра длины участка упрочения объясняется тем, что его размеры характеризуют деформационное состояние металла в контактной зоне, характер и градиент действующих температурных полей, условия взаимодействия металла контактной зоны с передней поверхностью инструмента и оказывают большое влияние на интенсивность износа режущей части инструмента (SU 841779, МПК 3 В 23 В 1/00, БИ 24, 1981). Измерение размеров участка упрочнения осуществляют с помощью микроскопа: строят график зависимости длины участка упрочнения от скорости резания. По минимальной длине участка упрочнения на графике определяют оптимальную скорость резания. Основным недостатком рассмотренного способа является высокая трудоемкость и низкая надежность в точном определении длины участка упрочнения вследствие его небольшой величины, составляющей в среднем 0,1-1,0 мм и значительной неопределенности положения границ. Кроме того, определение длины участка упрочнения на рабочих поверхностях режущего клина с помощью микроскопа отличается недостатками методического характера, основным из которых является то, что упрочненный слой является весьма неоднородным по длине и глубине залегания вследствие флуктуационного характера действующих на поверхностях контактных напряжений, изменяющихся от максимальных значений, действующих у режущей кромки, до нуля в точках выхода трибологической пары из контакта. Вследствие этого длины участков упрочнения на контактных поверхностях режущего инструмента, отражающих количественные и качественные изменения структуры материала, измеренные с помощью микроскопа, а также другими методами, например, измерением микротвердости, часто не совпадают и даже имеют различный характер изменения. Ввиду рассмотренных причин возможны большие погрешности и в определении оптимальной скорости резания.

Известен способ определения оптимальной скорости резания для инструментов, взятый в качестве ближайшего аналога и заключающийся в том, что в качестве исходного параметра выбирают уровень вакансионной дефектности в структуре твердого сплава. Сначала последовательно измеряют степень вакансионной дефектности при различных температурах нагревания. Затем оптимальную температуру – скорость резания определяют как наибольшую температуру – скорость, при которой устанавливается в структуре минимальное значение уровня вакансионной дефектности (SU 1227339, В 23 В 1/00, 1986).

Недостатком данного способа является то, что степень минимальной вакансионной дефектности не всегда отвечает равновесному термодинамическому состоянию структуры, при котором устанавливается наименьшее значение уровня свободной энергии твердого тела как консолидирующей системы, состоящей из отдельных микрообъемов, и при которой будет, вероятно, наблюдаться минимальная интенсивность адгезионного износа (с.м., например, Ван Бюрен. Дефекты в кристаллах. – М.: И.Л., 1962, 584 с.). Вследствие этого минимальная интенсивность износа режущего инструмента может происходить выше или ниже установленной оптимальной температуры – скорости резания. Отсюда следует, что точность способа по ближайшему аналогу будет недостаточно высокой. Кроме того, для проведения измерений по ближайшему аналогу необходимо иметь специальное помещение, оборудованное защитой от радиационного излучения, а обслуживающему оператору требуется пройти специальную подготовку для работы с радиоактивными источниками, каковым в данном случае является Na-22. Следствием изложенного может быть низкий уровень экономической целесообразности для использования способа по ближайшему аналогу.

Задачей предлагаемого способа является повышение точности и снижение трудоемкости в определении оптимальной скорости резания.

Поставленная задача определения оптимальной скорости резания в предлагаемом способе решается путем использования выбранного исходного параметра и включает проведение измерения температуры в зоне контакта инструментальный – обрабатываемый материал при различных скоростях резания с построением графической зависимости и предварительный нагрев образцов твердосплавных инструментов, согласно изобретению в качестве исходного параметра выбирают температуру предварительного нагрева твердосплавного инструмента, при которой в его формирующейся полиоксидной полупроводниковой поверхностной структуре достигается наибольшее значение относительной диэлектрической проницаемости (), соответствующее образованию в полиоксидном комплексе максимальной электрической емкости. Достижение наибольшей величины относительной диэлектрической проницаемости в формирующемся при нагревании на поверхности композиционного твердого сплава оксидном слое – пленке происходит при некоторой, определенной для конкретного сплава (типа, промышленной марки) температуре или в узком температурном диапазоне. Ниже и выше указанной температуры (диапазона) существует полиоксидная структура с меньшими емкостными свойствами, а следовательно, значениями величины относительной диэлектрической проницаемости. Образование оксидного соединения на контактных поверхностях режущего инструмента с наибольшей величиной сопровождается значительной диссипацией (рассеиванием) электрической, а следовательно, и тепловой энергии. Последнее подтверждается существенным снижением в рассматриваемом температурном диапазоне уровня адгезионного взаимодействия между инструментальным и обрабатываемым материалами.

В области оптимальной температуры (температурного диапазона) наблюдается качественное изменение кинетики окисления поверхности твердого сплава и образования вследствие этого полиоксидных соединений – пленок с наиболее подходящей в целях снижения интегрального износа структурой. Процесс достижения оптимального структурного состояния у полиоксидных пленок с увеличением температуры происходит в результате последовательного характера образования и разрушения нестабильных промежуточных соединений. В оксидном образовании, полученном с наиболее высокой величиной относительной диэлектрической проницаемости, концентрация электрических зарядов вследствие действия различных механизмов поляризации, сопровождающих процесс трения – резания, может достигать минимальной величины. Причем последующая диссипация электрической энергии и аннигиляция зарядов происходят постепенно в течение длительного времени. Поэтому в данном случае исключаются спонтанные (внезапные) электрические разряды, которые могли бы усиливать адгезионные процессы – основные факторы разрушения режущего инструмента.

Известно, что в процесс резания различных материалов твердосплавные режущие инструменты подвергаются интенсивному окислению и на их контактных поверхностях периодически образуются и разрушаются оксидные пленки. Наиболее низкая интенсивность износа у твердосплавных режущих инструментов нами была установлена при эксплуатации их в диапазоне так называемых оптимальных температур – режимов эксплуатации, при которых величина относительной диэлектрической проницаемости у полиоксидных поверхностных структур – пленок составляла наибольшее значение. Формирование на инструментальном материале полиоксидных соединений с таким состоянием осуществляется при температурах 600-1200^oС в зависимости от химического состава твердого сплава (промышленной марки), прочности взаимодействия карбидообразующих элементов с углеродом, характером их соединения со связующим материалом (например, кобальтом), наличием контролируемых и неконтролируемых примесей. На величину температурного перехода полиоксидной структуры в состоянии с наибольшей величиной относительной диэлектрической проницаемости, как показали эксперименты, оказывают различные виды упрочняющих воздействий, направленных на поверхность или на весь объем твердого сплава. К их числу относятся ионно-плазменные и газофазовое покрытия, имплантированные в поверхность ионные слои, ионно- или электроннолучевой переплав поверхности, термическая или объемная радиационная обработка твердых сплавов. Перечисленные технологии упрочнения достаточно заметным образом влияют на термодинамические и кинетические особенности процесса окисления твердых сплавов, а следовательно, и на формирование оксидной структуры, в том числе с экстремальными параметрами величины относительной диэлектрической проницаемости.

Сначала на первом этапе измерений твердосплавные пластинки подвергались при минимальных температурах – температурах начала активного взаимодействия с кислородом воздуха предварительному окислению в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха. Время выдержки в печи составляло 15 мин.

Затем, полученный оксидный материал – оксидная структура отделялась от поверхности твердого сплава, измельчалась и, наконец, размещалась в специальной цилиндрической ячейке из диэлектрического материала. Ячейка, в свою очередь, оснащалась электродами и помещалась в электрическую печь. При нагревании в печи изменялась электрическая емкость структуры в зависимости от температуры. Исследования проводили на специальном измерителе емкости, индуктивности и омического сопротивления в электрических цепях модели Е7-8. Измерения осуществляли при переменном напряжении 220 В с частотой 1000 Гц. Величина относительной диэлектрической проницаемости () оксидной структуры определялась по полученной в результате измерений электрической емкости материала, находящегося в специальной ячейке. По известной из физики формуле (см. , например, Ренне В.Т. Электрические конденсаторы. – Л.: Энергия, 1959, 590 с.)

где С – электрическая емкость исследуемой оксидной структуры, полученной с помощью прибора Е7-8 в пикофарадах;
h – толщина слоя оксидной структуры между электродами, мм;
₀ – электрическая постоянная;
S – площадь электродов, мм².

По результатам определения относительной диэлектрической проницаемости полиоксидных полупроводниковых структур, окончательно формирующихся при нагревании в печи, строится зависимость относительной диэлектрической проницаемости от температуры, при которой получались эти полиоксидные соединения на поверхности твердых сплавов. Все действия по приготовлению образцов и определению относительной диэлектрической проницаемости носят несложный и нетрудоемкий характер, непродолжительны во времени и по сравнению с аналогами и ближайшим аналогом имеют более высокую точность в определении оптимальной скорости резания.

Зависимость изменения относительной диэлектрической проницаемости от температуры носит экстремальный характер. Сначала при повышении температуры за счет общей перестройки структуры, твердофазных реакций и промежуточных фазовых переходов относительная диэлектрическая проницаемость возрастает и достигает при некоторой температуре наибольшего значения. При дальнейшем повышении температуры вследствие разрушения оксидных структур и сублимации вещества относительная диэлектрическая проницаемость переходит в стадию снижения.

Увеличение относительной диэлектрической проницаемости сопровождается повышением электропроводности оксидной структуры, формированием полиоксидных соединений с высокой удельной поверхностью и каталитической активностью. Наиболее эффективной с целью снижения износа является полиокисдная структура – пленка с наибольшим значением относительной диэлектрической проницаемости, исключающей вероятность спонтанных электрических разрядов.

Предлагаемый способ обладает высокой точностью в определении оптимальной скорости резания, а следовательно, и качества твердосплавных режущих инструментов. Это достигается за счет использования в качестве информативного исходного параметра относительной диэлектрической проницаемости, характеризующего энергетическое состояние поверхностной полиоксидной структуры твердых сплавов, существенно влияющего на тепло- и массоперенос и определяющего интегральную интенсивность износа режущего инструмента. Важной причиной большой точности предлагаемого способа является также высокая чувствительность связи между электроэнергетическими свойствами полиоксидной структуры – поверхностной пленки, относительной диэлектрической проницаемостью и адгезионным микроразрушением режущего клина. С увеличением у полиоксидного соединения вероятность накопления критической величины электрических зарядов и пробоя полупроводниковой структуры – пленки снижается. Следовательно, электростатическое адгезионное взаимодействие контактирующих поверхностей, а в итоге и износ режущего инструмента снижается.

С помощью данного способа представляется возможным по результатам оценки относительной диэлектрической проницаемости прогнозировать интенсивность износа твердосплавных инструментальных материалов, давать оценку их качества, производить расчет наиболее обоснованных режимов резания для обработки материалов, в том числе и труднообрабатываемых.

На фиг. 1 представлена графическая зависимость изменения относительной диэлектрической проницаемости для полиоксидной полупроводниковой структуры, образованной на твердосплавной пластинке, от температуры, где:
Кривая 1 – для твердосплавной пластинки из первой партии образцов;
Кривая 2 – из твердосплавной пластинки из второй партии образцов.

Партии твердосплавных образцов были получены от двух разных производящих предприятий.

На фиг.2 представлена графическая зависимость температуры, возникающей в зоне контакта инструментальный – обрабатываемый материал, от скорости резания:
Кривая 1 – для твердосплавной пластинки из первой партии образцов;
Кривая 2 – из второй партии образцов.

На фиг. 3 представлена схема измерения электрической емкости в зависимости от температуры: 1 – исследуемая полиоксидная структура; 2, 3, 4 – изоляция; 5, 6 – электроды.

Пример осуществления способа “Определение оптимальной скорости резания”. Оптимальную скорость резания определяли для режущих инструментальных пластинок марки Т14К8 двух партий твердосплавных материалов. Определение оптимальной скорости резания по предлагаемому способу производили в условиях токарной обработки хромоникелевой стали Х6ВФ без применения СОЖ.

После предварительной окислительной обработки полученная оксидная структура подвергалась измельчению, помещалась в специальную ячейку (см.фиг.3) и размещалась в электрической печи. Диаметр используемых электродов равнялся 32 мм. Вес исследуемого полиоксидного порошка составлял 20 мг. Толщину оксидной структуры, помещенную в измерительную ячейку, определяли с помощью длинномера модели Д302, которая колебалась в диапазоне от 4 до 5 мм.

По экстремальным параметрам электрической емкости, полученным для образцов обоих вариантов твердых сплавов, определяли значения относительных диэлектрических проницаемостей для полиоксидных структур. Кроме того, определяли температуры, при которых устанавливаются рассматриваемые, максимально достигаемые . Для твердосплавных пластинок Т14К8 первой партии величина относительной диэлектрической проницаемости, определенной по вышепредставленной формуле, равняется 8150, для второй партии – 7850.

По результатам измерения строилась зависимость величины относительной диэлектрической проницаемости от температуры формирования полиоксидной структуры. Данная зависимость представлена на фиг.1. Из построенного графика следует, что для полиоксидной пленки, принадлежащей твердосплавной инструментальной пластинке из первой партии образцов, наибольшее значение относительной диэлектрической проницаемости достигается при температуре 88010^oС, для второй – при 89010^oС.

По полученньм температурным значениям Tо₁ и То₂, определяющим наибольшие значения величины относительной диэлектрической проницаемости для полупроводниковых пленок, устанавливали оптимальные скорости резания соответственно Vo₁ и Vo₂. Для этого определялись зависимости изменения термоЭДС от скорости резания, также для твердосплавных пластинок обеих партий инструментальных образцов. Перевод показаний термоЭДС в значение температуры в градусах Цельсия осуществляли на основании тарирования термопары: исследуемый инструментальный материал – (Т14К8 соответствующей партии) – обрабатываемый материал (Х6ВФ), с использованием контрольной термопары и на основании ее показаний. По результатам проведенных измерений строится график зависимости: температура резания – скорость резания, представленный на фиг.2. По температурам To₁ и То₂ наибольших значений относительных диэлектрических проницаемостей для оксидов твердосплавных пластинок из обеих партий инструментальных образцов находят оптимальные скорости Vo₁ и Vo₂. Стойкостные испытания, проведенные при постоянной подаче, равной 0,23 мм/об, и глубине резания 1,5 мм и при различных скоростях резания, показали, что именно при скорости резания, равной 142 м/мин, соответствующей температуре в зоне контакта для первой партии режущих пластинок 880^oС и при скорости резания, равной 147 м/мин, – соответствующей температуре в зоне контакта, равной 890^oС, – для второй партии режущих пластинок наблюдаются минимальные значения интенсивностей износа.

Оптимальные скорости резания, полученные для первой и второй партий твердосплавных режущих пластинок по способу в соответствии с ближайшим аналогом, равнялись соответственно 148 и 154 м/мин. Проведенные стойкостные испытания показали, что при этих скоростях резания наблюдается повышенная интенсивность износа режущих инструментов по сравнению с определением оптимальной скорости резания по предлагаемому способу. При этом коэффициент вариации износостойкости по предлагаемому способу для первой партии режущих пластинок составил 0,19; для второй – 0,23. По “ближайшему аналогу” соответственно 0,26 и 0,29. Это указывает на больший разброс износостойкости режущих инструментов, эксплуатируемых на скорости резания, определяемой по ближайшему аналогу.

В результате износостойкость режущих инструментов обеих партий твердосплавных пластин, эксплуатируемых на режимах резания, определенных с помощью ближайшего аналога, оказалось ниже по сравнению с пластинками, эксплуатируемыми на режимах резания в соответствии с предлагаемым способом.

Формула изобретения

Способ определения оптимальной скорости резания твердосплавными инструментами по выбранному исходному параметру, включающий проведение измерения температуры в зоне контакта инструментальный – обрабатываемый материал при различных скоростях резания с построением графической зависимости и предварительный нагрев образцов твердосплавных инструментов, отличающийся тем, что в качестве исходного параметра выбирают температуру предварительного нагрева твердосплавного инструмента, при которой в его формирующейся полиоксидной полупроводниковой поверхностной структуре – пленке достигается наибольшее значение величины относительной диэлектрической проницаемости, соответствующее образованию в полиоксидном комплексе максимальной электрической емкости, затем по построенной графической зависимости назначают в качестве оптимальной скорость резания, при которой температура нагрева в зоне контакта соответствует выбранной температуре предварительного нагрева твердосплавного инструмента.

РИСУНКИ

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

Дата прекращения действия патента: 11.04.2003

Извещение опубликовано: 20.12.2004 БИ: 35/2004