СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ
METHOD OF ACCELERATED DETERMINATION OF OPTIMUM CUTTING SPEED

Изобретение относится к области обработки сталей и сплавов резанием и может быть использовано для определения рабочего параметра твердосплавных режущих инструментов - оптимальной скорости резания при непосредственном их использования на металлорежущем оборудовании, а также при аттестации и сертификации этой твердосплавной продукции.
3
Известен способ определения оптимальной скорости резания (А.С. №1028427, МПК B23B 1/00, БИ №26, 1983), 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.
Процесс определения параметров кристаллической решетки с помощью дифрактометров является сложным и трудоемким. Исследование изменений в кристаллической решетке твердосплавной режущей пластинки производится после прекращения опытов по резанию и после специальной подготовки, включающей ее очистку, возможное разрушение и выбор места контроля. Вследствие разной скорости охлаждения различных областей инструментального материала, после очередного нагревания в процессе резания, осуществляемого в диапазоне 400-800°C 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.
3
Известен способ определения оптимальной скорости резания (А.С. №841779, МПК B23B 1/00, БИ №24, 1981), основанный на том, что оптимальной скорости режущего инструмента соответствует минимальная длина участка упрочения на контактной поверхности режущего инструмента. 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. Измерение размеров участка упрочнения осуществляют с помощью микроскопа; строят график зависимости длины участка упрочнения от скорости резания. Оптимальную скорость резания определяют по графику по минимальной длине участка упрочнения.
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 из твердых сплавов (А.С. №1227339, B23B 1/00, БИ №16, 1986), выбранный в качестве прототипа 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 определяют оптимальную температуру и, соответственно, оптимальную скорость резания как наибольшую температуру, при которой в структуре устанавливается минимальное значение уровня вакансионной дефектности.
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 (см., например, Ван Бюрен. Дефекты в кристаллах. М., И.Л., 1961, 584 с.). Вследствие этого минимальная интенсивность износа режущего инструмента может происходить выше или ниже установленной оптимальной температуры - скорости резания. Отсюда следует, что точность данного способа будет недостаточно высокой. Кроме того, для проведения измерений 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 оптимальных режимов резания (оптимальной скорости резания) для режущих инструментов, оснащенных твердыми сплавами вольфрам - титан - кобальтовой группы - группы применяемости Р.
Решение поставленной задачи в предлагаемом способе - определение оптимальной скорости резания твердосплавными режущими инструментами группы применяемости Р в виде режущих пластин включает сначала проведение измерения температуры в зоне контакта инструментальный - обрабатываемый материал при различных скоростях резания с построением графической зависимости, а затем по построенной графической зависимости «скорость резания - температура резания» устанавливают в качестве оптимальной скорости резания скорость, при которой температура нагрева в зоне рабочего контакта инструментальный - обрабатываемый материал соответствует температуре предварительного нагрева твердосплавной режущей пластины в ячейке дилатометра, при которой коэффициент термического расширения достигает максимального значения и проявляется эффект внутреннего окисления, сопровождающийся формированием диссипативной приповерхностной структуры, обеспечивающей наибольшее повышение износостойкости режущей пластины.
При температуре, соответствующей достижению максимального значения коэффициента термического расширения на поверхности и в приповерхностной структуре твердосплавного режущего инструмента группы применяемости Р формируется диссипативная приповерхностная структура, обеспечивающая наибольшее снижение диффузионного проникновения элементов обрабатываемого материала в структуру.
В этом случае снижается интенсивность взаимного растворения элементов инструментального и обрабатываемого материалов и снижается интегральный износ инструмента. Внутреннее окисление приводит к снижению свободной энергии всего объема или только отдельной его части, например поверхности или приповерхностной области, сопровождается диффузией кислорода окружающей газовой среды во внутреннюю структуру твердого сплава и образованием в приповерхностной области объема устойчивой к внешнему механическому и тепловому воздействию диссипативной структуры (Данелия Е.П., Розенберг В.М. Внутреннеокисленные сплавы. М.: Металлургия. 1978. 232 с.).
Установлено, что для различных марок твердых сплавов группы применяемости Р коэффициент термического расширения (α) достигает наибольшего значения при разных температурах. При температуре, когда α достигает максимального значения, в наибольшей степени проявляется эффект внутреннего окисления приповерхностной области твердых сплавов. Разброс состава и свойств твердых сплавов одной марки, но принадлежащих к общей группе применяемости Р, также приводит к разбросу значений α, относительно некоторого оптимального значения, при котором он принимает максимальное значение. При внутреннем окислении в приповерхностной области твердого сплава формируется диссипативная структура, обеспечивающая наибольшее снижение диффузионного взаимодействия элементов обрабатываемого и инструментального материалов. Максимальное снижение интегрального износа режущего инструмента происходит при некоторой, оптимальной для конкретного твердого сплава температуре эксплуатации, соответствующей наиболее интенсивному проявлению эффекта внутреннего окисления. Ниже и выше указанной температуры (или некоторого узкого диапазона температур) эффект внутреннего окисления проявляется в меньшей мере, а структуры, формирующиеся на поверхности и в приповерхностной области режущего клина при резании материалов, не обеспечивают наиболее высокую износостойкость режущего инструмента. Образование в приповерхностной области диссипативной оксикарбогидридной структуры, в результате проявления эффекта внутреннего окисления, сопровождается повышением ее теплоемкости и снижением теплопроводности и, соответственно, снижением вероятности разрушения режущего инструмента вследствие диффузионного (высокотемпературного) взаимодействия его с обрабатываемым материалом. Реализация благоприятной ситуации (с точки зрения снижения интенсивности износа) для режущего инструмента, связанная с проявлением эффекта внутреннего окисления, является следствием адсорбции вещества из окружающей газовой среды контактными поверхностями режущего инструмента, роста поверхностной оксидной структуры (пленки) до критических размеров, окисления приповерхностной области за счет диффузии свободного и слабосвязанного кислорода, входящего в состав формирующейся поверхностной структуры, перераспределения кислорода в приповерхностной области, образования твердых растворов с участием кислорода и элементов, входящих в состав объемной структуры твердых сплавов и диффундирующих, в свою очередь, к поверхности, происходит при температуре, наиболее оптимальной для протекания указанных процессов. Эта температура соответствует значению коэффициента термического расширения, когда он достигает максимального значения. Большое влияние на процесс внутреннего окисления оказывает наличие в объемной структуре твердых сплавов группы применяемости Р высокой концентрации атомов и молекул водорода. Водород при диффузии из объема к поверхности, при нагревании твердого сплава, вызывает интенсивную встречную диффузию кислорода со стороны поверхности. Этому способствует также значительный химический потенциал, возникающий на границе газообразной и твердой фаз. Образование приповерхностных оксикарбогидридных структур сопровождается повышением химической стабильности поверхности и приповерхностной области, а также ростом их способности сопротивляться высокотемпературному абразивному износу (механическому воздействию). Снижение реакционной способности поверхности режущего инструмента, вследствие структурных трансформаций, приводит также и к снижению диффузионной активности элементов в зоне трибологического контакта. В итоге происходит снижение концентрации внедряемых в структуру твердых сплавов чужеродных атомов, снижается уровень разрыхления структуры, а следовательно, уменьшается и износ твердосплавного режущего инструмента. Образующаяся в результате внутреннего окисления приповерхностная структура предопределяет анизотропный характер фононных колебаний кристаллической решетки и неодинаковый по мощности и скорости распространения в различных направлениях тепловой поток. Так, моды низкочастотных колебаний кристаллической решетки становятся преобладающими над высокочастотными, а скорость теплопередачи в направлении распространения тепла (теплового градиента) становится сопоставимой с распространением тепла в направлении, перпендикулярном ему. Вследствие этого тепловая диффузия собственных элементов происходит преимущественно в плоскости поверхности и значительно понижена в направлении объема твердого сплава. Представленное обстоятельство способствует эффективному залечиванию дефектов структуры кристаллической решетки компонентов твердого сплава на передней и задней гранях режущего клина, возникающих в результате проявления различных видов механического и теплового воздействия со стороны обрабатываемого материала. Формированию диссипативных оксикарбогидридных структур в приповерхностной области твердых сплавов в диапазоне температур, сопровождающихся внутренним окислением, способствует наличие в структуре примесных элементов, имеющих более высокое сродство к кислороду по сравнению с основными компонентами, а также высокая активность основных компонентов твердого сплава группы применяемости Р (карбид титана) по отношению к водороду. Оксидные, оксикарбидные, оксикарбогидридные приповерхностные образования, участвующие в создании приповерхностного слоя при внутреннем окислении, являются эффективным препятствием для проникающей диффузии в твердый сплав элементов, входящих в состав обрабатываемого материала. Формирование значительной поверхностной и приповерхностной структурной деградации является вместе с тем необходимым условием для достижения коэффициентом термического расширения максимального значения. Разрушение (износ) поверхностной оксикарбогидридной структуры в процессе резания материалов происходит периодически, отдельными слоями, в виде сдвига элементарных пластинок, что, в общем, приводит к снижению касательной составляющей силы резания и коэффициента трения. Таким образом, при оптимальных скоростях резания и соответствующим этим скоростям температурам эксплуатации твердых сплавов, сопровождающимся эффектом внутреннего окисления, формируется такая диссипативная структура, которая предохраняет их от высокотемпературного и механического износа, а процесс, в общем, саморегулируется оптимальными условиями, возникающими при достижении α максимального значения. Это способствует повышению ресурса работы режущих инструментов.
В итоге, в качестве оптимальной скорости резания принимают скорость, при которой температура нагрева в зоне рабочего контакта соответствует выбранной температуре предварительного нагрева твердосплавного инструмента, а именно - температуре, когда коэффициент термического расширения достигает максимального значения, а проявление эффекта внутреннего окисления становится оптимальным.
Полигон изменения коэффициента термического расширения (α) для твердых сплавов группы применяемости Р состоит из двух ярко выраженных участков. Первый участок включает диапазон, в пределах которого наблюдается незначительное монотонное увеличение α от температуры. Такой характер поведения α связан с расширением структуры за счет роста интенсивности электронных колебаний. На данном участке происходят процессы преимущественно внешнего окисления. Второй участок включает диапазон, в приделах которого наблюдается резкое увеличение коэффициент линейного термического расширения от температуры и достижение области, где он становится максимальным. Такой характер изменения α связан с переходом в режим, при котором интенсифицируются процессы внутреннего окисления. На данном участке адсорбция кислорода поверхностью и скорость диффузии кислорода в объемную структуру твердого сплава контролируется химическими процессами и свойствами соединений, образующимися в приповерхностной области. В состав приповерхностной области входят оксидные, гидридные и карбидные соединения с различным соотношением между металлическими и не металлическими компонентами. Они имеют форму сфер, дисков или пластин. Данная структура в наибольшей степени обеспечивает повышение износостойкости твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р. На этом участке формируется поверхностная и приповерхностная структуры, обеспечивающие надежную защиту твердосплавного режущего инструмента группы применяемости Р от высокотемпературного и абразивного внешнего воздействия. При некоторой температуре этого участка, при которой достигается максимальное значение α, разной для различных марок твердых сплавов группы применяемости Р, процесс образования в приповерхностной области оптимальной структуры становится наиболее эффективным. Дальнейшее повышение температуры приводит к снижению коэффициента термического расширения. Это происходит за счет интенсивного плавления локальных участков полиоксидной структуры твердого сплава и сублимации оксидного вещества. Такой характер поведения α связан со значительной внутренней и внешней трансформацией структуры твердого сплава. При этом происходит разрушение межзеренных границ, катастрофическое окисление кобальтовой связки и карбидных зерен, общая деградация структуры.
Таким образом, скорость резания, при которой на контактных поверхностях режущего клина устанавливается температурный режим с температурой, при которой достигается наибольшее значение коэффициента термического расширения, является оптимальной.
При оптимальной скорости (температуре) резания устанавливается некоторая эффективная глубина и степень деградации (внутреннего окисления) структуры, которые в итоге обеспечивают надежную защиту твердого сплава от проникающей диффузии элементов обрабатываемого материала и, соответственно, от возможного катастрофического износа или хрупкого разрушения режущего клина, вследствие, например, внезапного возрастания некоторой составляющей от общей силы резания. В последнем случае повышение коэффициента трения ограничивается за счет контролируемого структурой отделения элементарной пластинки деградированного слоя от контактной поверхности твердого сплава.
Снижение интенсивности диффузии элементов обрабатываемого материала в твердый сплав происходит за счет непрерывной регенерации в приповерхностной области более стабильных в термодинамическом отношении структур по сравнению с карбидной. Вследствие снижения интенсивности диффузионных процессов в контактной зоне, и сопутствующих этим процессам разрушительных последствий, износ твердосплавного режущего инструмента группы применяемости Р снижается.
Изменение коэффициента термического расширения тесным образом связано с изменением теплоемкости твердого сплава. Теплоемкость, в свою очередь, зависит от уровня внешней энергии, возбуждающей у кристаллической решетки движение электронов, а также фононные и магнонные колебания. На первом участке повышение α от температуры связано с ростом энергии электронов. На втором участке увеличение α связано с ростом интенсивности фононных и магнонных колебаний, деградацией поверхностной и приповерхностной структуры твердых сплавов и снижением общего уровня силового взаимодействия между атомами в объеме. Вследствие этого внешняя энергия (нагревание), подводимая к системе (образцу), расходуется на снижение внутренней энергии и увеличение структурной упорядоченности. Причем за счет диффузии атомов кислорода из непрерывно формирующихся и непрерывно деградирующих поверхностных структур в приповерхностную область, происходящих на этом этапе, α возрастает. Спектр преимущественных высокочастотных колебаний кристаллической решетки в начале второго участка, с ростом температуры, к концу участка сменяется на преимущественно низкочастотный. При достижении максимального значения α, и соответственно теплоемкости, в спектр колебаний кристаллической решетки максимальный вклад вносят магнонные и фононные колебания и в меньшей степени колебания, вызванные движением электронов.
Процесс поверхностной деградации, сопровождаемый эффектами внутреннего окисления, происходит за счет взаимодействия структуры как с элементами окружающей газовой среды, так и с газовыми элементами, входящими в состав твердого сплава и диффундирующими из объема к поверхности в направлении действия высоких температур. Вследствие этого эффективная глубина распространения деградированного поверхностного слоя определяется факторами движения газовых элементов как со стороны поверхности, так и из объема твердого сплава и является функцией температуры, определяющей, в свою очередь, протекание эффектов внутреннего окисления. На величину температуры, соответствующей достижению коэффициентом термического расширения максимального значения и обеспечению протекания на поверхности и в приповерхностной области твердофазных реакций в оптимальной форме, большое влияние оказывают исходный состав твердых сплавов (концентрация в твердом сплаве карбида титана и его стехиометрический состав, морфологическое строение, наличие графита, дефектность и кинетические характеристики соединений приповерхностной области и объема твердого сплава, электрические свойства образующихся поверхностных структур, вероятность распада перенасыщенной примесями решетки карбида титана и т.д.).
В процессе резания различных сталей и сплавов твердосплавные режущие инструменты (группы Р) подвергаются интенсивному высокотемпературному износу. Наиболее низкая интенсивность износа у твердосплавных режущих инструментов была установлена при их эксплуатации в диапазоне оптимальных режимов резания - оптимальных температур, соответствующих достижению коэффициентом термического расширения максимального значения, когда при этой температуре в наибольшей степени проявляется эффект оптимального внутреннего окисления, способствующий образованию в приповерхностной области эффективных диссипативных структур. Уровень трансформации структуры снижается по мере увеличения расстояния от поверхности в направлении объема твердого сплава. В процессе поверхностных твердофазных реакций достигается некоторая эффективная глубина измененной по свойствам структуры и некоторая степень ее трансформации (деградации) по глубине - оптимальные, с позиции снижения износа, и характерные для конкретного твердого сплава и определенной температуры проявления оптимального внутреннего окисления. Таким образом, температура проявления оптимального внутреннего окисления определяет также некоторые оптимальные параметры измененного (деградированного) слоя и, соответственно, эксплуатационные характеристики твердосплавного группы применяемости Р режущего инструмента. Наиболее высокие результаты, с точки зрения создания оптимальных условий для трущихся пар, выражающемся в максимальном снижении интенсивности износа, достигаются при эксплуатации твердосплавных режущих инструментов при оптимальных скоростях резания (температурах) соответствующих оптимальному проявлению эффекта внутреннего окисления. При температурах эксплуатации ниже и выше температуры проявления оптимального внутреннего окисления - деградированный поверхностный слой не достигает необходимых геометрических и физико-химических параметров и свойств. При температурах ниже температуры проявления эффекта внутреннего окисления в поверхностном слое не достигается необходимая степень деградации и создания оптимальной диссипативной структуры, и соответственно, не обеспечивается снижения интенсивности диффузионных процессов до достаточного уровня. При температурах выше температуры проявления эффекта внутреннего окисления создаются условия для разрушения формирующегося деградированного противодиффузионного слоя, вследствие его интенсивного окисления и сублимации. Эксплуатация твердосплавных режущих инструментов в обоих случаях отклонения от оптимальных скоростей резания (температур) приводит к интенсификации их износа.
Как показывают эксперименты, на скорость резания (температуру нагрева), при которой проявляется эффект внутреннего окисления, влияют различные виды упрочняющих воздействий, направленные на продление срока службы режущего инструмента. Среди них наиболее широкое распространение получили газофазные и ионноплазменные покрытия, имплантация, модифицирование поверхности высокоэнергетическими потоками ионов или электронов, радиационная обработка. Однако и после упрочняющей обработки соблюдается найденная закономерность: наиболее низкая интенсивность износа проявляется при скоростях резания (температурах), которые обеспечивают в структуре твердого сплава группы применяемости Р наибольшее проявление эффекта внутреннего окисления.
Реализация способа выполняется в такой последовательности. Сначала производят выборку твердосплавных режущих пластинок (группа применяемости - Р). Затем конкретную пластину помещают в рабочую ячейку высокотемпературного дилатометра DIL-402PC, предназначенного для измерения термического расширения, и программируют режим работы установки для выполнения конкретных задач (регистрация изменения длины в зависимости от температуры нагревания). Нагрев осуществляют в условиях открытой атмосферы до температуры 1000°C. Скорость нагревания составляет 3-15°C/мин. При температурах 800-900°C изменение термического расширения для различных твердых сплавов группы применяемости Р достигает максимальной величины и при дальнейшем повышении температуры снижается. При этих температурах реализуется процесс оптимального внутреннего окисления. Максимальную для конкретной марки твердого сплава группы применяемости Р температуру, при которой происходит процесс оптимального внутреннего окисления, выбирают в качестве оптимальной. Для повышения значимости результатов измерения производят на нескольких образцах, а за оптимальную температуру принимают ее среднеарифметическое значение. На фиг.1 представлена картина достижения коэффициентом термического расширения максимальной величины, при котором в оптимальной форме проявляется эффект внутреннего окисления приповерхностной области твердого сплава группы применяемости Р.
Стойкостные испытания проводят при резании стали или сплава, вызывающих интенсивный высокотемпературный диффузионный износ на различных режимах (скоростях) обработки. Одновременно с помощью специального высокочувствительного пирометра в процессе резания определяют среднюю температуру в зоне резания. Строится график зависимости температуры от скорости резания. Наконец, на основании ранее полученного значения оптимальной температуры резания по графику «скорость резания - температура резания» определяют оптимальную скорость резания. Для твердых сплавов группы применяемости Р (вольфрам-титан-кобальтовой группы) проявление оптимального эффекта внутреннего окисления начинается при температуре около 800°C. Причем с увеличением титановой компоненты в составе твердого сплава температурная область, при которой проявляется эффект внутреннего окисления, смещается в сторону более высоких температур, а при увеличении общего количества углерода в составе твердых сплавов - в сторону более низких температур. Оптимальные режимы обработки резанием сталей или сплавов выбирают на основании температуры нагревания твердого сплава, при которой коэффициент термического расширения достигает наибольшей величины, а в его структуре проявляется эффект оптимального внутреннего окисления.
Все действия по проведению измерений с целью выявления температуры, при которой проявляется эффект внутреннего окисления, носят несложный и нетрудоемкий характер. По сравнению с аналогами и прототипом имеют более высокую точность в определении оптимальной температуры и, соответственно, скорости резания.
Проявление эффекта внутреннего окисления в значительной степени зависит от интенсивности процесса диффузии кислорода в приповерхностную структуру твердого сплава. С ростом температуры активность диффузии и завершенность твердофазных реакций в приповерхностной области возрастает. Твердые сплавы группы применяемости Р имеют высокую степень вакансионной дефектности структуры, что является следствием формирования твердых растворов карбида вольфрама в карбиде титана, имеющих низкую степень стехиометрии. В итоге границы зерен кристаллов подвергаются сильной разориентации. При этом степень вакансионной дефектности зернограничной области существенно возрастает, а плотность зернограничного вещества снижается. Последнее обстоятельство предопределяет высокую интенсивность зернограничной диффузии. В результате диффузия кислорода в приповерхностную структуру осуществляется как по межфазным (сложный карбид - кобальтовая связка), так и по межзеренным (границы зерен сложного карбида) границам. Причем с ростом температуры интенсивность диффузии по межзеренным границам значительно возрастает и, при достижении коэффициентом термического расширения наибольшей величины, становится максимальной. Высокая механическая и термическая устойчивость приповерхностной твердосплавной структуры достигается вследствие диффузии кислорода по межзеренным границам в эту область и образование в ней сетки твердых растворов на основе карбидов, оксидов и гидридов. Слоистый характер приповерхностной структуры является результатом проникновения на различную глубину различной концентрации, диффундирующих со стороны поверхности и со стороны объема элементов. Вследствие этого по глубине в направлении объема формируется различный фазовый состав с разрывом в свойствах. Механическая прочность между слоями и термическая устойчивость приповерхностной области определяется когерентностью перехода от одного фазового состава к другому. С повышением степени когерентности между слоями механическая прочность возрастает, а термическая устойчивость снижается и наоборот. Достижение температуры, при которой достигается максимальное значение коэффициента термического расширения, обеспечивает получение оптимального сочетания механической и термической устойчивости у приповерхностной структуры твердых сплавов группы применяемости Р. Сформированная приповерхностная структура является надежным препятствием для диффузии в твердый сплав элементов обрабатываемого материала, что приводит к снижению износа режущего инструмента. Оптимальное проявление эффекта внутреннего окисления заключается в завершенности формирования эффективной приповерхностной диссипативной структуры. При температурах ниже точки достижения максимального значения α твердофазные реакции на поверхности и в приповерхностной области не получают своего полного развития. При увеличении температуры сверх оптимальной начинают протекать эффекты, приводящие к разрушению сформированной слоистой диссипативной структуры. Вследствие этого возрастает активность диффузии элементов обрабатываемого материала в структуру твердого сплава и интенсифицируется износ режущего инструмента. Выбор температуры - скорости резания, при которой коэффициент термического расширения достигает максимальной величины, обеспечивает формирование в приповерхностной области эффективных диссипативных структур, значительное снижение величины их диффузионного разрыхления и снижение общей интенсивности износа.
Предлагаемый способ обладает высокой точностью в определении оптимальных режимов резания (скорости резания), а следовательно, и эффективностью в определении оптимальных условий эксплуатации твердосплавных режущих инструментов. Это, как показано, достигается за счет использования в качестве информативного исходного параметра температуры, при которой коэффициент термического расширения достигает максимальной величины. Данная температура способствует наиболее интенсивному проявлению эффекта оптимального внутреннего окисления приповерхностной структуры.
Интенсивность проявления эффекта внутреннего окисления полностью зависит от электронного строения формируемой приповерхностной структуры, ее состава, а также характера и степени дефектности. Наиболее важной причиной большой точности в определении оптимальной температуры резания является тесная связь между величиной коэффициента термического расширения, интенсивностью проникновения в структуру твердого сплава кислорода и внутренним окислением приповерхностных слоев.
С увеличением уровня оптимальности проявления эффекта внутреннего окисления (соответствия температуре достижения наибольшего значения α) диссипативные свойства приповерхностной структуры и ее износостойкость возрастают. Недостаточно эффективное проявление эффекта внутреннего окисления при температурах более низких, чем оптимальные, объясняется недостаточной энергетической активацией, необходимой для обеспечения достаточно интенсивной диффузии кислорода во внутреннюю структуру твердого сплава и протекания твердофазных реакций в приповерхностной области твердых сплавов. Снижение эффективности проявления внутреннего окисления при температурах больших, чем оптимальные, объясняется потерей структурной устойчивости твердого сплава, вызванной процессами десорбции, локального плавления и сублимации элементов поверхностной структуры.
С помощью предлагаемого способа представляется возможным по результатам оценки проявления эффекта внутреннего окисления от температуры по результатам измерения коэффициента термического расширения производить расчет наиболее экономически обоснованных режимов обработки при резании углеродистых, инструментальных и др. материалов, обрабатываемых с высокими скоростями резания и вызывающими интенсивный диффузионный износ режущего инструмента.
На фиг.1 представлена графическая зависимость изменения коэффициента термического расширения в зависимости от температуры.
На фиг.2 представлена графическая зависимость изменения коэффициента термического расширения в зависимости от температуры для твердых сплавов группы применяемости Р.
Кривая 1 - для твердосплавной пластины из первой партии образцов, кривая 2 - для твердосплавной пластины из второй партии образцов.
На фиг.3 представлена графическая зависимость изменения средней температуры в зоне резания от скорости резания:
кривая 1 - для твердосплавных режущих пластин из первой партии образцов,
кривая 2 - для твердосплавной режущих пластин из второй партии образцов.
Твердосплавные режущие пластины были получены от двух разных предприятий-изготовителей.
Пример осуществления способа "Определение оптимальной скорости резания". Реализация способа выполняется в такой последовательности. Сначала производят выборку твердосплавных режущих пластин из сплава Т15К6 (группа применяемости - Р). Затем помещают конкретную пластину в рабочую ячейку высокотемпературного дилатометра DIL-402PC и производят измерение α от температуры. Нагревание производят от 25 до 1000°С в условиях открытой атмосферы. Скорость нагревания выбирают 5K/мин. Получают зависимость изменения коэффициента термического расширения от температуры. При некоторой температуре для конкретного образца изменение относительного расширения от температуры достигает максимальной величины и при дальнейшем повышении температуры снижается. Температуру, при которой достигается максимальное значение коэффициента термического расширения, выбираем в качестве оптимальной. При этой температуре в оптимальной форме проявляется и эффект внутреннего окисления твердых сплавов. Для повышения значимости результатов измерения производят на нескольких образцах, а за оптимальную температуру принимают ее среднеарифметическое значение. Было установлено, что наиболее высокая интенсивность проявления эффекта внутреннего окисления для всех (4 штук) образцов из первой партии твердосплавных пластинок происходит при средней температуре 889°С, а для всех (4 штук) образца из второй партии твердосплавных пластинок при средней температуре 883°С. На фиг.2 представлена картина достижения коэффициентом термического расширения максимальной величины (достижения оптимального проявления эффекта внутреннего окисления) для образцов из первой и второй партии твердосплавных пластин из сплава Т15К6.
Затем определялась температура резания в зоне контакта инструментального и обрабатываемого материалов от скорости резания. Обрабатываемым материалом служила сталь 60. Резание производилось при скоростях от 150 до 230 м/мин без использования СОЖ. Глубина резания и подача были постоянными и равнялись соответственно 1,5 мм и 0,23 мм/об. При резании использовались твердосплавные режущие пластины марки Т15К6 из двух различных партий. По данным исследований строилась зависимость изменения температуры в зоне контакта от скорости резания, показанная на фиг.3. Температура определялась с помощью высокочувствительного пирометра. Одновременно с этим проводились стойкостные испытания. Было установлено, что наиболее низкая интенсивность износа режущих инструментов соответствовала эксплуатации их при скорости резания, соответствующей той температуре в зоне контакта, при которой коэффициент термического расширения достигает наибольшей величины и в наиболее оптимальной форме проявляется эффект внутреннего окисления при нагревании твердосплавных пластин.
Таким образом, последовательность в определении оптимальной скорости резания является следующей: сначала из графика зависимости «коэффициент термического расширения - температура нагревания твердосплавной режущей пластины» определяют температуру, при которой достигается наибольшее значение коэффициента термического расширения (наиболее оптимальное проявление эффекта внутреннего окисления), затем с помощью графика зависимости «скорость резания - температура резания» и на основании уже имеющейся температуры, при которой достигается максимальное значение коэффициента термического расширения (проявляется эффект внутреннего окисления), полученной из предыдущей зависимости, определяют оптимальную скорость резания.
Для первой партии резцов оптимальная скорость резания составила 179,5 м/мин, для второй - 183,5 м/мин. Стойкостные испытания, проведенные при различных скоростях резания, постоянной подаче, равной 0,23 мм/об и глубине резания 1,5 мм показали, что именно при скорости резания, равной 179,5 м/мин, соответствующей температуре 883°С в зоне контакта для первой партии режущих пластинок и при скорости резания, равной 183,5 м/мин - соответствующей температуре в зоне контакта, равной 889°С - для второй партии режущих пластинок наблюдается минимальная интенсивность износа. Оптимальные скорости резания, полученные для первой и второй партий твердосплавных режущих пластинок по способу, в соответствии с прототипом, равнялись, соответственно: 185 и 191 м/мин. Проведенные стойкостные испытания показали, что при этих скоростях резания наблюдается повышенная интенсивность износа твердосплавных режущих инструментов, по сравнению с их эксплуатацией при скоростях резания, полученных по предлагаемому способу. При этом в результате статистической обработки было получено, что коэффициент вариации износостойкости по предлагаемому способу для первой партии режущих пластинок составил 0,26; для второй - 0,29. По прототипу, соответственно, 0,31 и 0,35. Это указывает на больший разброс износостойкости режущих инструментов, эксплуатируемых на скорости резания, определяемой по прототипу, и на предпочтительный характер выбора оптимальной скорости резания по предлагаемому способу. В итоге износостойкость режущих инструментов обеих партий твердосплавных пластин, эксплуатируемых на режимах резания, определенных с помощью прототипа, оказалась ниже по сравнению с пластинами эксплуатируемыми на режимах резания в соответствии с предлагаемым способом.