Изучение влияния электронно-пучкового облучения на параметры процесса резания

© A.A. Моховиков, A.C. Игнатьев, 2012

А.А. Моховиков, A.C. Игнатьев

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

Повышение работоспособности металлокерамических сплавов, используемых в горном и металлорежущем инструменте, является актуальной задачей. В работе представлены результаты изучения механизма кратного увеличения стойкости металлокерамического сплава в условиях резания металла, выявленного при электронно-пучковом облучении рабочих поверхностей режущих пластин. Обнаружено наличие взаимосвязи между условиями электронно-пучкового облучения, осевой и радиальной составляющими силы резания, а также толщиной прирезцового слоя стружки. Ключевые слова: металлокерамический сплав, импульсное электронно-пучковое облучение, резание, сила резания, стружкообразование.

Наибольшее применение в современной промышленности получил инструмент, режущая часть которого выполнена из твердых сплавов — буровой, горный, металлорежущий, деревообрабатывающий инструмент, режущий инструмент для производства пластических масс и переработки пищевых продуктов. Указанные виды инструмента эксплуатируются, как правило, в экстремальных условиях: при высоких механических и ударных нагрузках, высоких температурах нагрева режущей кромки, вызванных высокой скоростью резания, возникающими силой трения и деформациями. В связи с чем, к эксплуатационным свойствам металлокерамических сплавов предъявляются повышенные требования. Основными причинами износа и разрушения металлокерамических (твердых) сплавов в процессе работы являются высокие термомеханические нагрузки на режущие кромки, недостаточно высокая износостойкость и склонность к хрупкому разрушению твердых сплавов. Сравнительно высокая остаточная пористость, значительный разброс в размерах неравноосных частиц высокотвердой фазы металлокерами-ческой композиции и неравномерность распределения компонентов в объеме твердого сплава приводят к формированию концентраторов напряжения, инициирующих преждевременный износ и разрушение режущей пластины.

Повышение ресурса работы металлорежущего инструмента из твердых сплавов путем направленного изменения структур-

но-фазового состояния поверхностных слоев является одной из наиболее актуальных задач современного материаловедения. Указанная задача может быть решена путем формирования в поверхностном слое твердого сплава многоуровневой структуры. Физический смысл влияния многоуровневого структурно-фазового состояния на механические свойства материалов и изделий состоит в перераспределении упругой энергии как за счет взаимодействия упругих полей структурных элементов различного уровня, так и за счет снижения масштабного уровня локализации пластической деформации. Это приводит к более равномерному распределению упругих напряжений при внешнем механическом и/или температурном воздействии, что особенно важно при ударных механических и температурных внешних воздействиях. [1]

Одним из перспективных методов формирования субмик-ро- и нанокристаллических структурно-фазовых состояний в поверхностных слоях материалов является использование низкоэнергетических интенсивных электронных пучков субмилли-секундной длительности, позволяющее контролируемо модифицировать поверхностные слои толщиной в десятки микрометров, практически не изменяя структурно-фазового состояния основного объема материалов.

В настоящее время ведутся совместные исследования ИФПМ СО РАН (г. Томск), ИСЭ СО РАН (г. Томск), ЮТИ ТПУ (г. Юрга) направленные на разработку научных основ технологии упрочнения металлокерамических (твердых) инструментальных материалов, основанной на формировании в поверхностном слое металлокерамики многофазного состояния компонентов композиций при импульсной электронно-пучковой обработке их поверхности.

В работах [2,3] установлено, что в результате импульсного электронно-пучкового облучения металлокерамики, в поверхностном слое облучаемых материалов создаются условия образования неравновесных структурно-фазовых состояний, которые характеризуются более высокими значениями плотности распределения и дисперсности элементов внутренней структуры материала по сравнению с его исходным состоянием, значительным градиентом концентраций легирующих элементов в поверхностном слое материала, более высокой адгезией на поверхностях раздела компонентов металлокерамической компо-

зиции, наблюдается плавление металлической связки, растворение и микрорастрескивание частиц карбидной фазы. Фазовые изменения структуры твердого сплава, происходящие в результате облучения электронным пучком, зависят от режимов электронно-пучкового облучения, т.е. плотности энергии, длительности и количества импульсов. Такие изменения структуры поверхностного слоя, оказывают положительное влияние на эксплуатационные характеристики металлокерамических сплавов, значительно снижая коэффициент трения и кратно повышая износостойкость металлокерамического сплава.

В связи свыше указанными достижениями, в настоящей работе рассмотрено влияние условий импульсного электронно-пучкового облучения образцов режущих пластин из металло-керамического сплава, в основе которого карбид титана с никель-хромовой связкой (TiC 50 % об., NiCr 50 % об.), на параметры процесса резания металла (сталь 45).

Экспериментальная часть работы была выполнена на установке для измерения технологических составляющих силы резания построенной на базе токарно-винторезного станка 1К62 и состоящей из токарного динамометра, тензоусилителя, аналого-цифрового преобразователя, персонального компьютера. Измерения проводились при следующих технологических условиях: скорость резания V=80 м/мин, глубина резания t=1 мм, подача s=0,1 мм/об. Электронно-пучковая обработка образцов проводилась в Институте сильноточной электроники (г. Томск) при следующих условиях: длительность импульса облучения т = 100, 150, 200 мкс, плотность энергии облучения Es = 40, 50, 60 Дж/см2, плазмообразующий газ — аргон, азот. Регистрация и обработка экспериментальных значений осуществлялись с помощь программного обеспечения PowerGraph 3.0.

По полученным средним экспериментальным значениям был проведен корреляционный анализ по критерию согласия Пирсона на наличие взаимосвязи между условиями электронно-пучкового облучения образцов и технологическими составляющими силы резания. На рис. 1 — 3 представлены графики изменения составляющих силы резания от плотности мощности электронно-пучкового облучения WS Вт/см2, которая представляет собой отношение плотности энергии к длительности импульса облучения и характеризует изменение режимов облучения.

1 1 1 1 1 Ws, Ет.см-

0 МО5 2№ JIO1 4№

а

РН 400 -

350 - ф

300 - ♦

150 -

100 -50 -

0 1 1 1 1 Ws, Вт.'ен1

О 4-10-* S 103

б

Рис. 1. Зависимость составляющей силы резания PZ от плотности мощности облучения аргонсодержащей (а) и азотсодержащей (б) атмосфер

Коэффициент корреляции, для зависимости представленной на рис. 1, а, полученный с помощью программы Microsoft Excel равен 0,298. При сравнении полученного значения коэффициента корреляции с допустимым [r]=0,9, можно сделать вывод о том, что составляющая силы резания PZ не зависит от плотности мощности облучения, а следовательно и импульсного электронно-пучкового облучения в целом. Проведенный корреляционный анализ, для рис. 1, б, позволил установить

следующий коэффициент корреляции г=0,271, при этом допустимое значение [г]=0,549. Это позволяет сделать вывод о том, что связь между значениями составляющей силы резания Рг так же не зависит то плотности мощности облучения и среды облучения.

Проанализировав полученные экспериментальные зависимости составляющей силы резания Рх от плотности мощности облучения в аргонсодержащей атмосфере по критерию Пирсона, установли следующий коэффициент корреляции г=0,978,

р:н

600 -1

500 400 -300 -200 -

100 -

1 1 1 1 1 Ет.™;

О ма> 210-' !№ 4-10* МО1

Рис. 2. Зависимость составляющей силы резания Рх от плотности мощности облучения аргонсодержащей (а) и азотсодержащей (б) атмосфер

а

»Е, ВТ.™*

Рис. 3. Зависимость составляющей силы резания Ру от плотности мощности облучения аргонсодержащей (а) и азотсодержащей (б) атмосфер

допустимое значение [г]=0,9 (рис. 2). А для зависимости Рх, полученных при резании пластинами облученных в азотсодержащей атмосфере от плотности мощности облучения, г=0,692, при допустимом значение [г]=0,549. Это показывает наличие взаимосвязи между режимами электронно-пучкового облучения и измеряемой величиной составляющей силы резания Рх. С увеличением плотности мощности облучения, значения Рх в рассматриваемом диапазоне снижаются.

В ходе анализа полученных экспериментальных зависимостей составляющей силы резания Ру от плотности мощности

облучения в аргонсодержа-щей атмосфере по критерию Пирсона был установлен следующий коэффициент корреляции г=0,987, допустимое значение [г]=0,9 (рис. 3). А для зависимости Ру, полученных при резании пластинами облученных в азотсодержащей атмосфере от плотности мощности облучения, г=0,978, при допустимом значение [г]=0,549. Это

показывает наличие прямой линейной корреляционной связи между режимами электронно-пучкового облучения и измеряемой величиной составляющей силы резания Ру. С увеличением плотности мощности облучения, значения Ру в рассматриваемом диапазоне снижаются.

Параллельно проводилось изучение стружки при непосредственном наблюдении за процессом резания, при визуальном исследовании стружки, на микрошлифах стружек. Стружка предварительно получалась при наружном продольном точении на указанных выше режимах резания.

Наблюдения за процессом резания показывают, что при точении как исходным, так и облученным инструментом получается сливная стружка, т.е. стружка в процессе обработки сходит сплошной лентой. Более детальное изучение стружки производилось металлографическим методом. Стружка для шлифов бралась при скорости резания 83м/мин. Наблюдение за внутренним строением стружки производилось на металлографическом микроскопе Ёабмет-1 с увеличением в 630 раз. Фотографии шлифов стружек представлены на рис. 4 и в таблице 1 в зависимости от режимов электронно-пучкового облучения. Все это еще раз говорит о сливном характере стружко-образования при обработке стали исходным инструментом и инструментом, обработанным электронным пучком при разных режимах облучения.

По полученным экспериментальным данным были измерены: угол текстуры — Т; толщины прирезцового слоя — 1 и длины контакта стружки с передней поверхностью.

Рис. 4. Фотография шлифа стружки исходной (необлученной) пла-стины

Таблица 1

Фотографии шлифов стружек

Длительность импульса г, мкс

Среда облучения 100 мкс 150мкс 200 мкс

аргонсодержащая атмосфера ИР ж я

йлительность импульса т, мкс

Среда облучения и плотность знерж 100 мкс 150мкс 200 мкс

азотсодержащая атмосфера £=40 йж/см2 ¡¡¡Ц

азотсодержащая атмосфера £=50 йж/см2 ЁШ

азотсодержащая атмосфера £=60 йж/см2 шш __ Щ|

По полученным средним экспериментальным значениям, так же был проведен корреляционный анализ по критерию согласия Пирсона на наличие взаимосвязи между условиями электронно-пучкового облучения образцов и основными параметрами стружкообразования.

На рис. 5 — 7 представлены зависимости угла текстуры и толщины прирезцового слоя стружки от плотности мощности импульсного электронно-пучкового облучения.

Рис. 5. Зависимость угла текстуры стружки от плотности мощности электронного пучка

При сравнении полученного значения коэффициента корреляции для зависимости, представленной на рис. 5, с допустимым [г]=0,549, можно сделать вывод о том, что угол текстуры стружки не зависит от плотности мощности облучения, а, следовательно, и импульсного электронно-пучкового облучения в целом. Проведенный корреляционный анализ, для рисунка 6а, позволил установить следующий коэффициент корреляции г=0,922, при этом допустимое значение [г]=0,9. Полученный коэффициент корреляции, для зависимости, представленной на рис. 6б, составляет г=0,59, при этом допустимое значение [г]=0,549. Это говорит о наличии взаимосвязи между режимами электронно-пучкового облучения и значениями толщины прирезцового слоя стружки. С увеличением плотности мощности облучения, значения толщины прирезцового слоя в рассматриваемом диапазоне снижаются. Для зависимости, показанной на рис. 7, коэффициент корреляции г=0,174 ([г]=0,549). В результате, наличие взаимосвязи между режимами электронно-пучкового облучения и длиной контакта стружки не установлено.

На основании полученных результатов экспериментальных исследований и их анализа, можно сделать следующие выводы:

1. Экспериментально установлено наличие взаимосвязи между режимами импульсного электронно-пучкового облучения и

Рис. 6. Зависимость толщины прирезцового слоя от плотности мощности электронного пучка: а — аргонсодержащая атмосфера, б — азотсодержащая атмосфера

технологическими составляющими силы резания Рх и Ру и ее отсутствия для составляющей Рг. Замеренные значения составляющих силы резания Рх и Ру в рассматриваемом диапазоне режимов облучения снижаются по сравнению с замеренными значениями составляющих силы резания исходной (необлучен-ной) пластины на 30-40 %.

2. Предположительно снижение значений технологических составляющих силы резания Рх и Ру является следствием полировки передней поверхности пластины и снижения коэффициента

I, мм 0,7 и

0,6 - ♦ [г]=0.549

г=0.174

0,5 - ♦

0,3 -

0,2 -<

0,1 -

с Ws.Et.-cm1

О 2№ 4105 й№ !№

Рис. 7. Зависимость длины контакта стружки от плотности мощности электронного пучка

трения в результате импульсного электронно-пучкового облучения.

3. Среда облучения (аргонсодержащая, азотсодержащая) не оказывает влияния на изменение величины технологических составляющих силы резания.

4. Исследование основных параметров процесса стружкообразования (толщины прирезцового слоя, угла текстуры и длины контакта стружки) позволило установить наличие взаимосвязи между толщиной прирезцового слоя и режимами импульсного электронно-пучкового облучения. Данная взаимосвязь проявляется в виде уменьшения толщины прирезцового слоя стружки, при точении пластинами облученными, как в аргонсодержащей, так и в азотсодержащей среде. С увеличением плотности мощности облучения снижается толщина прирезцового слоя.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Овчаренко В.Е., Иванов Ю.Ф., Юй Баохай. Наноструктурное упрочнение инструментального металлокерамического сплава при электронно-пучковом облучении его поверхности//Перспективные материалы, специальный выпуск. — Сентябрь 2007. — С.450-455.

2. Овчаренко В.Е., Псахье С.Г., Иванов Ю.Ф. Модификация структуры поверхностных слоев, физических и прочностных свойств металлокерамиче-ского и интерметаллического сплавов при импульсном электронно-пучковом облучении их поверхности. — Томск.: ТПУ, 2011. — 34 с.

3. Овчаренко В.Е., Моховиков A.A., Ласуков A.A. Влияние электронно-пучкового облучения на стойкость металлокерамических пластин при резании металлов //Обработка металлов, 2008. — т. — № 2 (39). — с. 23-242

4. Овчаренко В.Е., Моховиков A.A., Игнатьев A.C., Корчуганов С.В. Комплексный анализ влияния режимов импульсного электронно-пучкового облучения металлокерамического сплава на ресурс его работы в условиях резания металла.// Породообразующий и металлообрабатывающий инструмент — техника и технология его изготовления и применения. — 2011. —

5. Игнатьев A.C. Исследование влияния условий электронно-пучкового облучения режущих пластин на силу резания. //Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении. — 2011. — 321 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Моховиков A.A. — кандидат технических наук, доцент, Игнатьев A.C. — аспирант, е-mail: reds-42@mail.ru,

Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета.

630 с.