СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТВЁРДОСПЛАВНЫХ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ Российский патент 2003 года по МПК G01N3/58 

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 износостойкости твердых сплавов, заключающийся в том, что испытуемый материал помещают в переменное магнитное поле с напряженностью порядка 5 эрстед, измеряют магнитную проницаемость материала и по градуировочному графику "магнитная проницаемость - стойкость", построенному для эталонного образца, определяют величину износостойкости материала [SU а.с.268720, МПК G 01 N 3/58, БИ 1970, 14].

Одним из недостатков известного способа является то, что при измерении не учитывается влияние массы и размагничивающего фактора изделий различных форморазмеров на величину магнитной проницаемости, что приводит к снижению точности измерений. Кроме того, эксплуатационная характеристика - износостойкость контролируется данным способом посредством оценки физического состояния - 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 количества и деформационного состояния. При этом совершенно не учитываются другие свойства поверхности и объема твердого сплава, в том числе когезионное и адгезионное состояние на границах фаз и в объеме компонентов 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 из партии, регистрируют параметр контроля, затем выборочно подвергают механическому износу несколько инструментов из партии, 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 от коэффициента температуропроводности, а режущие свойства инструментов всей партии определяют, используя полученную зависимость [SU а.с. 1651155, MПК G 01 N 3/58, БИ 1991, 19]. Выбранным исходным параметром в данном способе используют величину 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 марки твердого сплава (они практически незаметны). Последнее сопряжено с большими техническими трудностями. Должное обеспечение операции 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. Обрабатывают образец, измеряют параметр материала режущего инструмента, характеризующий его износ, и по градуировочному графику в зависимости от этого параметра, построенного для эталонного инструмента, определяют стойкость. В качестве параметра материала режущего инструмента выбирают величину фона амплитудно-независимого высокочастотного внутреннего трения. В качестве исходного параметра в данном способе применяют величину фона амплитудно-независимого высокочастотного внутреннего трения [SU а.с. 1033929, МПК G 01 N 3/58, БИ 29, 1983]. Основным недостатком данного способа является сложность и трудоемкость его реализации - например, установка на образцы датчиков, генерирующих и принимающих упругие колебания, регистрация и обработка сигналов и т.д. Тем не менее, данный способ контроля информативно отражает состояние внутренней структуры инструментального материала - наличие вакансий, дислокаций, других несовершенств, влияющих на износостойкость, 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, которое основано на тесной корреляционной зависимости между износостойкостью и электрической прочностью полиоксидных структур, формирующихся на поверхности твердых сплавов при их нагревании - окислении. С увеличением напряженности электрического поля, необходимого для пробоя указанных структур, износостойкость возрастает.

Поставленная задача при прогнозировании износостойкости в предлагаемом способе решается путем использования выбранного исходного параметра и включает проведение эталонных статистических испытаний на изностойкость в процессе резания машиностроительных материалов на металлорежущем станке, измерение - контроль исходного параметра, построение корреляционной - эталонной зависимости "исходный параметр - износостойкость" и статистический контроль исключительно - только величины исходного параметра у текущей - контролируемой партии твердосплавных режущих инструментов на основании зависимости

где Т_{(теку щее)мин} - износостойкость в минутах - среднее прогнозируемое время безаварийной работы твердосплавных режущих инструментов, подвергающихся испытаниям, из текущей партии образцов;
Т_{(этало нноемин)} - средняя износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;
E_{(эталон ное)кВ/см} - средняя величина выбранного исходного параметра, в кВ/см, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;
Е_{(текуще е)кВ/см} - средняя величина выбранного исходного параметра, в кВ/см, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из текущей - контролируемой партии.

В качестве исходного параметра используют напряженность электрического поля, необходимую для пробоя полиоксидной структуры - пленки, сформированной на поверхности твердосплавного режущего инструмента при температуре и продолжительности нагревания его в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха, равным соответственно температуре резания и продолжительности функционирования этого инструмента до заданного критерия затупления.

Напряженность электрического поля - электрическая прочность пробиваемого образца - есть отношение величины пробивного напряжения в киловольтах к толщине пробиваемого образца в сантиметрах.

Известно, что в зоне контакта трущихся тел, в частности инструментального и обрабатываемого материалов, формируются полиоксидные структуры - полупроводниковые или диэлектрические пленки с тем или иным уровнем электрической проводимости, существенным образом влияющие на эксплуатационные характеристики твердосплавных режущих инструментов - износостойкость. В свою очередь установлено, что величина пробивного напряжения (напряжения пробоя) в значительной мере определяется физико-химическими свойствами полиоксидных структур - пленок, а именно составом, степенью завершенности твердофазных окислительных реакций, пористостью, адсорбционной активностью по отношению к атомам и молекулам атмосферного воздуха, электропроводностью, емкостью, индуктивностью, механической прочностью и прочностью соединения с подложкой. На свойства формирующихся полиоксидных структур - пленок и соответственно величину электрической прочности большое влияние оказывают также флуктуации напряженного и деформированного состояний в составляющих твердый сплав компонентах, зависящие от вида прессования и характера - технологии проведения процесса спекания, наличие примесей, избыток или недостаток содержания углерода, регулирующего уровень проявления твердофазных реакций на границах компонентов, степень науглероженности карбидных зерен и др. Интенсивность проявления в процессе резания абразивного, адгезионного и диффузионного механизмов износа, как и величина напряжения пробоя, связаны с электрическими свойствами участвующих в трении объектов: работой выхода, ионизационными потенциалами, степенью сродства с электроном и т.д. Проведенные измерения и контроль указывают на тесную корреляционную связь, переходящую в функциональную между износостойкостью и напряженностью электрического поля (электрической прочностью), необходимого для пробоя полиоксидной структуры, сформированной на поверхности твердосплавного режущего инструмента. Электрическая прочность полиоксидной структуры объективно отражает вклад всех компонентов твердого сплава в изменение износостойкости режущих инструментов (полиоксидная структура - композиция из оксидов вольфрама и кобальта или вольфрама, кобальта и титана или вольфрама, кобальта, титана и тантала и т. д.).

Существенно важной особенностью предлагаемого способа является то, что в соответствии с его приемами без дополнительных затрат и технических трудностей представляется возможным 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 значительное влияние оказывают износостойкие покрытия и различные поверхностные упрочнения, тем не менее, и в данном случае между износостойкостью и электрической прочностью поверхностных (в данном случае - комбинированных полиоксидных структур), как показали испытания, наблюдается устойчивая взаимосвязь.

Реализация способа осуществляется поэтапно: сначала проводят эталонные испытания. Для этого делают достаточно представительную выборку твердосплавных режущих инструментов из имеющейся партии твердосплавной продукции и производят испытания на износостойкость в процессе резания на металлорежущем станке, как правило, стали 45 или наиболее используемых на предприятии материалов. Резание проводят на оптимальной или близкой к ней скорости резания. При этом одновременно регистрируют среднюю температуру резания по показаниям термо-эдс и на основании тарировочных графиков. Определяют величину износостойкости - как продолжительность безотказной работы до заданного критерия затупления - фаски износа на задней поверхности. Затем испытанные в процессе резания твердосплавные режущие инструменты подвергают окислению в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха. Температура и продолжительность нагревания в электрической печи равняется температуре и продолжительности резания инструмента до заданного критерия затупления. После завершения операций окисления, извлечения образцов из печи и остывания с их поверхностей, кроме одной, имеющей наибольшую площадь при достаточной длине и ширине, убирают полиоксидную структуру.

Подготовленную (см. фиг.1) таким образом твердосплавную режущую пластинку 1 с оставшейся на одной из поверхностей полиоксидной структурой 2 устанавливают в специальное приспособление, входящее в электрическую цепь, оснащенную электродами 3 и 4, создают фиксированное для всех исследованных образцов механическое давление (Р=1-3 кг/см²) на электроды для повышения надежности образовавшихся контактов и подают переменное высоковольтное напряжение для осуществления электрического пробоя. Электроды и образец в свою очередь помещаются в корпус-изолятор 5. Подача высоковольтного напряжения производится автоматически, плавно, с постоянной скоростью, при помощи несложного приспособления - блока управления 7, от специального и недорогого высоковольтного устройства - блока высокого напряжения 6. Величина напряжения, при которой происходит электрический пробой полиоксидной структуры, регистрируется по показаниям шкалы киловольтметра 8, затем рассчитывается электрическая прочность путем деления величины пробивного напряжения на толщину полиоксидной структуры. Строится график эталонной зависимости износостойкость - электрическая прочность, полученный для одинаковых температуры резания и температуры, применяемой при окислении. Последующий контроль твердосплавных режущих инструментов текущей партии, поставляемой продукции производится на основании измерения только выбранного исходного параметра, а именно электрической прочности полиоксидной структуры, полученной при конкретной - чаще оптимальной температуре, соответствующей оптимальной скорости резания. На основании полученной эталонной зависимости износостойкость - электрическая прочность и формулы (1), приведенной выше, осуществляется прогноз на износостойкость текущей партии твердосплавной продукции. Прогнозируемая износостойкость может быть выше или ниже полученной при эталонных испытаниях.

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, обладающих повышенной пластичностью - с высоким удельным участием адгезионного износа. Последнее обстоятельство расширяет границы применяемости предлагаемого способа, делает его универсальным.

На фиг.1 представлена блок-схема установки для определения электрической прочности образцов.

На фиг. 2 представлена графическая корреляционная зависимость изменения величины износостойкости от напряженности электрического поля.

Пример осуществления способа прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов
Сначала проводятся измерения на износостойкость сменных твердосплавных режущих пластинок марки ВК8, полученных из эталонной - предыдущей партии поставляемой продукции. В качестве обрабатываемого материала использовалась хромоникелевая сталь аустенитного класса Х17Н13М3Т. Скорость резания при испытаниях принималась 75 м/мин. Подача и глубина резания были постоянными, соответственно 0,21 мм/об и 1,5 мм. Резание осуществлялось без охлаждения. За критерий затупления принимался износ режущей пластинки по задней поверхности, равный 0,4 мм. Средняя температура резания в зоне контакта инструментальный - обрабатываемый материал при скорости резания 75 м/мин - по показаниям естественной термопары и, на основании тарировочной таблицы, составляла 750^oС. Стойкость для образцов из 12 шт. составила 54,2; 55,1; 56,3; 57,4; 58,1; 58,4; 59; 60,1; 60,4; 61,0; 61,9; 62,4 мин.

Затем использованные твердосплавные пластинки помещались в электрическую печь с открытым доступом атмосферного воздуха и выдерживались в печи при температуре, равной средней температуре резания 750^oС, полученной при соответствующих режимах резания, и средней продолжительностью, также равной времени резания до установленного критерия затупления 58,69 мин. Образовавшуюся на поверхности твердосплавных пластинок полиоксидную структуру (пленку) проверяли на пробой - определяли величину пробивного напряжения, которое составило для партии образцов из 12 шт.: 9,0; 9,5; 10,0; 10,4; 11,0; 11,6; 12,1; 12,7; 13,2; 14,0; 14,4; 15,1 кВ. Определяли толщину полиоксидной структуры для каждой контролируемой твердосплавной пластинки: 0,262; 0,266; 0,271; 0,275; 0,283; 0,287; 0,291; 0,296; 0,302; 0,307; 0,311; 0,315 см. Рассчитывали напряженность электрического поля, обеспечивающую пробой полиоксидной структуры, образование в ней канала пробоя - разрушенную полость, поверхность которой приобретает высокую электропроводность. По данным расчета электрическая прочность полиоксидных структур на поверхности твердосплавных пластинок составила: 36,54; 37,04; 37,5; 38,98; 40,0; 40,98; 41,93; 42,19; 42,42; 42,64; 42,86. В опытах средняя электрическая прочность этих образцов составила 41,01 кВ/см. По данным износостойкости твердосплавных режущих инструментов из партии эталонной - контролируемой продукции и величине электрической прочности, полученным при одинаковой средней температуре резания и соответствующей ей температуре окисления, строили график эталонной, корреляционной зависимости износостойкость - электрическая прочность - для данной средней - конкретной температуры. На фиг.2 представлена корреляционная зависимость изменения Т_{(этало нное)мин}=f(E_{(этало нное)} кВ/см).

Для определения - прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих пластинок в последующей текущей - контролируемой партии образцов проводят отбор твердосплавных инструментов для проведения измерительных экспериментов, помещают их в электрическую печь, окисляют при температурах, которые соответствуют средним - прогнозируемым температурам резания (примерно равным температурам при эталонных испытаниях) в течение времени, также равном средней - прогнозируемой продолжительности времени резания до критерия затупления, ранее полученном для эталонных образцов, извлекают из печи, проводят испытания только на электрическую прочность и на ее основании, а также на основании результатов, полученных при проведении "эталонных" испытаний - без механических испытаний на стойкость - "прогнозируют" износостойкость твердосплавных режущих инструментов для данной текущей партии образцов из зависимости

Среднее - текущее значение электрической прочности (кВ/см) для партии образцов было 37,76 кВ/см. При определении-прогнозировании износостойкости для текущей партии твердосплавных инструментов отпадает необходимость в проведении дорогостоящих и трудоемких испытаний на износостойкость, осуществляемой на металлорежущих станках. Текущее значение износостойкости (мин) из расчетов для контролируемой партии составило 54 мин, что является ниже стойкости относительно эталонной партии резцов на 9%.

Способ обладает высокой точностью прогноза. Это происходит вследствие тесной связи между свойствами твердых сплавов, полиоксидных структур и параметров электрической прочности, получаемых в результате его реализации.

Вследствие сравнения данных прогноза износостойкости, полученных в соответствии с прототипом и по предлагаемому способу, а также в результате контрольных экспериментальных исследований износостойкости, выполненных в процессе резания хромоникелевой стали, выявлено, что результаты, полученные в соответствии с прототипом, отличаются от натурных - контрольных испытаний на 15-20%, в то время как результаты, полученные по предлагаемому способу, отличаются лишь на 8-12%.

Таким образом, предлагаемый способ контроля - прогнозирование износостойкости твердосплавных режущих инструментов - может быть использован с достаточно высокой экономической эффективностью на предприятиях, изготавливающих и потребляющих твердосплавную продукцию.

Изобретение относится к области обработки металлов резанием и может использоваться для контроля износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Способ прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов по выбранному исходному параметру заключается в проведении эталонных испытаний на износостойкость в процессе резания материалов при оптимальной или близкой к ней скорости резания, проведении испытания на изменение величины исходного параметра от свойств поверхностной полиоксидной структуры, сформированной в процессе нагревания при температуре, равной средней температуре в зоне резания, построении эталонной корреляционной зависимости "исходный параметр - износостойкость" для конкретных температур резания и нагревания, в последующем текущем статистическом контроле только величины исходного параметра у текущей партии твердосплавных режущих инструментов и прогнозировании износостойкости для текущей партии инструментов. При этом в качестве исходного параметра 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, равным соответственно температуре резания и продолжительности функционирования этого инструмента до заданного критерия затупления. Данное изобретение направлено на повышение точности и снижение трудоемкости проводимых испытаний на износостойкость. 2 ил.

Способ прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов по выбранному исходному параметру, включающий 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 поверхностной полиоксидной структуры, сформированной в процессе нагревания при температуре, равной средней температуре в зоне резания, построение эталонной корреляционной зависимости "исходный параметр - износостойкость" для конкретных температур резания и нагревания, текущий статистический контроль только величины исходного параметра у текущей партии твердосплавных режущих инструментов, прогнозирование износостойкости 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_{(эталонн ое)мин} - средняя износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;
Е_{(эталонно е)кВ/см} - средняя величина выбранного исходного параметра, кВ/см, 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, кВ/см, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из текущей контролируемой партии, отличающийся тем, что, с целью повышения точности прогнозирования износостойкости, в качестве исходного параметра 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, равным соответственно температуре резания и продолжительности функционирования этого инструмента до заданного критерия затупления.