Повышение эффективности использования инструментальных твердых сплавов на основе прогнозирования их режущих свойств

Актуальность работы. Технологическое освоение производства часто задерживается из-за несвоевременной разработки научно-обоснованных рекомендаций по выбору. лучшей марки инструментального материала-. особенно при изготовлении деталей из, сталей и сплавов^ обладающих повышенными прочностными, пластическими, жаропрочными? и антикоррозионными свойствами. Задачу правильного выбора рациональных марок инструментальных материалов, невозможно решить без научного прогнозирования их поведения в условиях тренши при резании, изучения механотфизико-химических процессов в контактной зоне, разработки аналитических методов расчета показателей износостойкости.

В последнее время для описания физико-механических свойствинструментальных материалов и механики фрикционных, контактных процессов' поиска способов' повышения' работоспособности режущего1 инструмента используютсяметодысинергетикии неравновеснойтермодинамики, как теории, самоорганизации" системдалеких от термодинамического равновесия. 1. Несмотря? на значительную общность термодинамического подхода к оценке трения, разрушения и изнашиванияполученныеотечественными и зарубежнымиучеными, зависимостиописывающие: процессы^ контактного взаимодействия и изнашиванияинструмента, не учитывают особенностей динамики протекания и взаимосвязи^ термомеханическихи триботехнических процессов в приконтактных слоях изнашиваемого, материала, включают ряд параметров, которые не могут быть определены! экспериментально или расчетным путем, не содержат показателей структурно-фазовогосостава и физико-механических свойств контактирующих материалов.

Приведенные данные свидетельствуют о необходимости поиска надежных расчетно-экспериментальных методов выбора рациональной марки инструментального материала, основанных на использовании термодинамических критериев, устанавливающих количественную взаимосвязь между интенсивностью износа, физико-механическими характеристиками инструментального ^ и обрабатываемого материалов и основными параметрами их контактного взаимодействия с учетом усталостных изменений в приконтактном слое режущего инструмента.

Актуальность решаемой задачи подтверждена выполнением ее в рамках плановых НИР УГАТУ и по гранту АН РБ РФФИ 08−897 043-р.

Цель работы: Повышение эффективности выбора рациональных марок инструментальных твердых сплавов на основе прогнозирования их режущих свойств по критериям формоустойчивости при изнашивании.

Для достижения установленной цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать математические зависимости для расчетного1 определения показателей режущей способности’инструментальных материалов^ на. основе' термодинамического описания формоизменений приконтактных слоев инструментального1 материала. Предложить" термодинамическийкритерий^ для количественной оценки режущей способности инструментального материала.

2. Провести комплексные исследования влияниямарки инструментального и обрабатываемого материалов, на основные показатели режущей способности инструментальных материаловдинамику разупрочнения инструментального материала и процессы, локализации1 пластической деформации режущего клина, микроструктурный и структурно-фазовый состав приконтактных слоев инструментального и обрабатываемого материалов.

3. • Выполнить анализ влияния химического состава, физико-механических характеристик инструментального и обрабатываемого материалов, основных параметров их контактного взаимодействия на критерий учитывающий процессы накопления повреждаемости и износостойкость режущего инструмента.

4. Разработать комплексные расчетно-экспериментальные методы ускоренного выбора оптимальной марки инструментального материала основанные на использовании термодинамических критериев оценки их режущей способности. Разработать методический, информационный и аппаратный программный комплекс для расчетно-экспериментального определения рациональной марки инструментальных материалов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории резания металлов, термодинамики неравновесных процессов, теплофизики технологических процессов, теории пластической деформации металлов, теории подобия, теории износа и молекулярно-механической теории трения.

В экспериментальных исследованиях использованы как стандартные или известные методики проведения стойкостных и температурных экспериментов, изучения микроструктуры и химического состава зоны контакта поверхностей режущего инструмента так и специально разработанные методы и установки для определения прочностных и термоэлектрических характеристик фрикционного контакта инструмента с заготовкойметодики оценки изменения физико-механических параметров режущего инструмента в процессе изнашивания.

Применялась вычислительная техника с использованием стандартных и специальных программ обработки результатов экспериментов, расчета термодинамических зависимостей и критериев.

Достоверность положений и выводов исследований подтверждалась проверкой адекватности полученных зависимостей в реальном процессе резания и результатами производственных испытаний.

Научная новизна работы: — Разработана термодинамическая модель оценки формоустойчивости инструментальных материалов в процессе лезвийной обработки и предложен параметр удельной энергии изнашивания, устанавливающий количественную взаимосвязь между интенсивностью износа, физико-механическими характеристиками обрабатываемого и инструментального материалов и основными параметрами их контактного взаимодействия с учетом усталостных изменений в приконтактных слоях режущего инструмента;

— Установлено, что при увеличении скорости резания уровень начального значения параметра удельной энергии изнашивания снижается. С ростом фаски износа происходит разупрочнение ИМ в приконтактных объемах, температура в зоне контакта изменяется, что приводит к изменению действующих удельных нагрузок и монотонному снижению параметра удельной энергии изнашивания режущего инструмента, при этом интенсивность его снижения для всех скоростей резания различна.

— Получены зависимости между интенсивностью износа инструмента и параметром удельной энергии изнашивания инструментального материала, соответствующие значениям оптимальной температуры резания, позволяющие определить рациональную марку существующего твердого сплава или сформулировать требования к созданию нового инструментального материала.

Практическая ценность от реализации результатов работы.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований:

— предложены инженерные методики и новые способы ускоренного определения рациональных марок инструментального материала, позволяющие решать задачи сокращения сроков и трудоемкости технологической подготовки производства при построении операций обработки деталей из труднообрабатываемых материалов;

— разработан методический, информационный и аппаратно-программный комплекс для расчетно-экспериментального определения рациональной марки инструментального материала.

Достоверность результатов. Обоснованность результатов диссертационной работы основывается на использовании признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, корректного применения методов математической статистики и системного анализа.

Достоверность полученных научных результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований, проведенных для различных групп обрабатываемых и инструментальных материалов. ,.

Апробация работы. Научные и практические результаты по различным разделам диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Современные организационные, технологические и конструкторские методы управления качеством» (Пермь, 2006) — на второй региональной зимней. школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Интеллектуальные системы обработки информации и управления» (Уфа,. 2007) — на всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2008) — на всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности? механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009) — на научно-практической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении» (Ишимбай,. 2009)-: на всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Методы, повышениятехнологических возможностей металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ» (Уфа, 2010).

Результаты работы внедрены на. Ишимбайском машиностроительном заводе (ОАО «ИМЗ»), в специальном конструкторском бюро (СКБ «Витязь»), в Научно-исследовательском институте технологии и организации производства двигателей (ОАО НИИТ).

ПубликацииПо материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендуемых ВАК:

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы, содержит 143 страниц машинописного текста, 111 наименований использованной литературы, 46 рисунков, 7 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработанные математические зависимости для расчетного определения показателей режущей способности инструментальных материалов позволили обосновать параметр для количественной оценки удельной энергии изнашивания инструментальных материалов учитывающий влияние темпера-турно-временного фактора на интенсивность разупрочнения приконтактных слоев инструментального материала и ослабления привершинной части режущего инструмента в зоне локализации пластической деформации.

2. Установлено, что оптимальной, с точки зрения износостойкости инструмента, скорости (температуре) резания соответствует наименьшее разупрочнение зоны пластического течения инструмента по критериям относительного снижения его микротвердости и интенсивности ослабления опасного сечения режущего клина в зоне локализации пластической деформации. 3- Установлено, что с увеличением скорости:(температуры) резания выше оптимальных изменяется структурно-фазовый состав приконтактных слоев инструментального и обрабатываемого материаловдискретный характер контактированияинструментальногои обрабатываемого материалов' становитсянепрерывным вследствие снижения упругих и прочностных характеристик обрабатываемого материала приводящего к снижению усталостной контактной прочности ИМ, в результате этого происходит увеличение размеров единичной частицы износа.

4. Установленочто с повышением температуры контакта удельная энер-. гия изнашивания инструментального материала понижается, причем в определенных температурно-скоростных условиях материал детали, имеющий более высокие прочностные, свойства и меньшую пластичность, обеспечивает больший уровень удельной энергии формоизменения приконтактного слоя инструментального материала, препятствуя зарождению и росту усталостных трещин в его контактном слое.

5. Установлено, что существует наиболее оптимальная марка инструментального материала, которая при обработке данного обрабатываемого материала имеет некое критическое значение удельной энергии изнашивания, обеспечивающего минимум интенсивности износа инструмента. Увеличение параметра удельной энергии изнашивания выше его оптимального значения приводит к снижению размерной стойкости инструмента вследствие возрастания относительного размера частиц износа, облегчения процесса развития усталостных микротрещин и их локализации в больших объемах приконтактных слоев режущего инструмента.

6. Разработан комплексный расчетно-экспериментальный метод выбора марок инструментального материала, основанный на использовании термодинамических параметров оценки их формоустойчивости при изнашивании, учитывающих влияние временного фактора и интенсивности ослабления опасного сечения режущего клина в зоне локализации пластической деформации. Показано, что себестоимость выбора рациональной марки ИМ по предлагаемому методу уменьшится от 10−15 раз по сравнению с традиционными методами.