СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗНОСТОЙКОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ Российский патент 2005 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 градировочному 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, имеющих часто различные формы и габаритные размеры на величину магнитной проницаемости, что приводит к снижению точности измерений. Кроме того, эксплуатационная характеристика - износостойкость контролируется данным способом посредством оценки физического состояния с помощью 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 количество и деформационное состояние. 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 (твердосплавную пластинку) из партии, регистрируют параметр контроля, затем выборочно подвергают механическому износу несколько инструментов из партии и 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 в зависимости от коэффициента температуропроводности, а режущие свойства инструментов всей партии определяют, используя полученную зависимость [SU А.С. 1651155, МПК G 01 N 3/58, БИ 1991, №19]. Выбранным исходным параметром в данном способе является величина 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 конкретной марки твердого сплава (они практически незаметны). Последнее сопряжено с большими техническими трудностями. Должное обеспечение в этой ситуации операций 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. Проводят эталонные испытания режущих инструментов при оптимальной или близкой к ней скорости резания, проводят испытания на изменение величины исходного параметра от свойств, поверхностной полиоксидной структуры, сформированной в процессе нагревания при температуре, равной средней температуре в зоне резания, строят эталонную корреляционную зависимость "исходный параметр - износостойкость" для конкретных температур, выполняют статистический контроль только величины исходного параметра для текущей партии твердосплавных режущих инструментов. После этого прогнозируют износостойкость 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(эталонное), мин - средняя износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

Е(эталонное), кВ/см - средняя величина выбранного исходного параметра, 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, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из текущей - контролируемой партии. В качестве исходного параметра при этом 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 [SU А.С. 2209413, МПК G 01 N 3/58, БИ 2003, №29]. Основным недостатком данного способа является низкая точность в оценке диэлектрических свойств полиоксидных структур с помощью измерения электрической прочности. Это объясняется тем, что электрическая прочность при данном способе контроля (прогнозировании) зависит не только от чисто электрических характеристик, таких как относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь, но и от механических и тепловых, к которым в первую очередь относятся прочность, температуропроводность, соотношения в коэффициентах линейного термического расширения у составляющих композицию компонентов. Процесс формирования канала пробоя, а следовательно, и электрической прочности в значительной степени зависит от последних факторов. Вследствие этого данный способ прогнозирования износостойкости не совсем точно характеризует изоляционные свойства поликсидной пленки, что в итоге снижает степень тесноты корреляционной связи между исходным параметром и износостойкостью режущих инструментов. Тем не менее, данный способ контроля информативно отражает диэлектрическое состояние поверхностной структуры инструментального материала, что важно для установления связи между данной характеристикой и основным видом разрушения режущего инструмента - адгезионным износом, напрямую зависящим от электрических параметров полиоксидного слоя 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. Прогнозирование основано на тесной корреляционной зависимости между износостойкостью и интенсивностью частичных электрических разрядов (в дальнейшем будем использовать общепринятое сочетание слов: "интенсивность частичных разрядов"), измеряемых у полиоксидных структур, формирующихся на поверхности твердых сплавов при их нагревании - окислении. Интенсивность частичных разрядов это число разрядов, генерируемых, при приложении к образцу электрического напряжения меньше пробивного, электрических разрядов, происходящих в течение одной секунды. С увеличением интенсивности частичных разрядов, генерируемых полиоксидными структурами, сформированными на поверхности твердосплавных материалов (режущих пластинок), при их окислении в результате высокотемпературного нагревания происходит рост износостойкости режущих инструментов (режущих пластинок) при резании ими сталей и сплавов.

Поставленная задача при прогнозировании износостойкости в предлагаемом способе решается путем использования выбранного исходного параметра и включает проведение эталонных статистических испытаний на износостойкость 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 (или отдельных 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(эталонное), мин - средняя износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

Z(эталонное), импульс/с - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

Z(текущее), импульс/с - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из текущей - контролируемой партии.

В качестве исходного параметра используют величину генерирования интенсивности частичных разрядов, образующихся при определенной напряженности электрического поля, возникающей в структуре полиоксидной пленки, сформированной на поверхности твердосплавного режущего инструмента при температуре и продолжительности нагревания его в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха, равным соответственно средней температуре резания и средней продолжительности функционирования этого инструмента до заданного критерия затупления.

Известно, что в зоне контакта трущихся тел и, в частности инструментального и обрабатываемого материалов, формируются полиоксидные структуры - полупроводниковые или диэлектрические пленки, существенным образом влияющие на эксплуатационные характеристики твердосплавных режущих инструментов, их износостойкость. В свою очередь, установлено, что величина интенсивности частичных разрядов в значительной мере определяется физико-химическими свойствами тонких полиоксидных пленок, а именно: составом, степенью завершенности твердофазных окислительных реакций, дефектностью - пористостью, адсорбционной активностью по отношению к атомам и молекулам атмосферного воздуха, электропроводностью, емкостью, индуктивностью, механической прочностью и прочностью соединения с подложкой. На свойства формирующихся тонких полиоксидных пленок и соответственно величину интенсивности частичных разрядов большое влияние оказывают также флуктуации напряженного и деформированного состояний в составляющих твердый сплав компонентах, зависящие от вида прессования, технологии проведения процесса спекания, наличия примесей, избытка или недостатка содержания углерода, регулирующего уровень проявления твердофазных реакций на границах компонентов при спекании и последующем окислении, степени нуглероженности карбидных зерен и др. Активность проявления в процессе резания абразивного, адгезионного и диффузионного механизмов износа, как и величина интенсивности частичных разрядов, связаны с электрическими свойствами, полиоксидных структур, принадлежащих участвующим в трении объектов, такими как работы выхода, ионизационные потенциалы, степени сродства с электроном и т.д. При исследовании частичных разрядов разрядный путь по сравнению с путем электронной лавины при определении электрической прочности (в соответствии с прототипом) значительно увеличивается и захватывает большее количество локальных точек с пониженной электрической прочностью, что приводит к более точному отражению диэлектрических свойств контролируемой полиоксидной структуры. Проведенные измерения и контроль указывают на тесную корреляционную связь, переходящую в функциональную между износостойкостью и интенсивностью частичных разрядов, происходящих в тонких полиоксидных пленках, при выбранной напряженности электрического поля. Интенсивность частичных разрядов, генерируемых полиоксидной структурой объективно отражает вклад всех компонентов твердого сплава в изменение износостойкости режущих инструментов (твердосплавная структура - композиция состоит, как правило, из карбидов вольфрама и кобальта или карбидов вольфрама, титана и кобальта или карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта и т.д.). Оценка диэлектрических свойств полиоксидных структур с помощью измерения частичных разрядов позволяет более точно осуществлять прогнозирование твердосплавных режущих инструментов.

Существенно важной особенностью предлагаемого способа является то, что в соответствии с его приемами - без дополнительных затрат и технических трудностей представляется возможным также 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 в электрической печи значительное влияние оказывают защитные покрытия и различные поверхностные упрочнения, тем не менее, и в данном случае между износостойкостью и интенсивностью частичных разрядов, генерируемых поверхностными (в данном случае - комбинированными) полиоксидными структурами, как показали испытания, наблюдается устойчивая взаимосвязь.

Реализация способа осуществляется поэтапно, сначала проводят эталонные испытания. Для этого делают достаточно представительную выборку твердосплавных режущих инструментов (режущих пластинок) из имеющейся партии твердосплавной продукции и производят испытания на износостойкость в процессе резания ими на металлорежущем станке, как правило, стали 45, стали Х18Н10Т или наиболее используемых на предприятии материалов. Резание проводят на оптимальной или близкой к ней скорости резания [см., например, RU 2168394, С 27 В 23 В 1/00 от 10.06.01. Бюл. №16]. При этом одновременно регистрируют среднюю температуру резания - по показаниям термо-эдс и на основании тарировочных графиков, или по показаниям пирометра. Определяют величину износостойкости, как продолжительность безотказной работы до заданного критерия затупления - фаски износа на задней поверхности (как правило, 0,2-0,8 мм). Затем испытанные в процессе резания твердосплавные режущие инструменты подвергают окислению в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха. Температура и продолжительность нагревания в электрической ночи примерно 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 ненужные полиоксидные образования.

Подготовленную (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, оснащенное 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, равное (0,5-0,75) от пробивного напряжения, для возбуждения стабильных (постоянных во времени) частичных разрядов. Электроды и образец, в свою очередь, помещаются в корпус-изолятор 5. Создание необходимой величины высоковольтного напряжения для обеспечения стабильного характера генерирования частичных разрядов 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 стабильное (постоянное, с отклонениями - 5%, в течение 5-10 мин) генерирование частичных разрядов у полиоксидной структуры регистрируется по показаниям шкалы киловольтметра 8. Измерение частичных разрядов производят с помощью частотомера мод. Ч3-34 - 9. R(измерительное) - измерительное сопротивление 10, предназначенное для обеспечения стабильного генерирования сигнала в пределах чувствительности счетчика электрических импульсов - частотомера 43-34 составляло 50-100 кОм. Затем строится график эталонной зависимости износостойкость-интенсивность частичных разрядов, полученный для одинаковых температуры резания и температуры получения полиоксидной структуры. Последующий контроль твердосплавных режущих инструментов текущей партии поставляемой продукции производится на основании измерения только выбранного исходного параметра, а именно: интенсивности частичных разрядов у полиоксидной структуры, полученной при конкретной - чаще оптимальной температуре, соответствующей оптимальной скорости резания. На основании полученной эталонной зависимости “износостойкость - интенсивность частичных разрядов”, и формулы (1), приведенной выше, осуществляется прогноз износостойкости 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, титановых сплавов и т.д. Это обстоятельство расширяет границы применяемости предлагаемого способа, делает его универсальным.

На фиг.1 представлена блок-схема установки для определения интенсивности частичных разрядов у полиоксидных образцов.

На фиг.2 представлена графическая корреляционная зависимость изменения величины износостойкости от интенсивности частичных разрядов, генерируемых полиоксидной структурой.

Пример осуществления способа прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Сначала проводятся измерения на износостойкость сменных твердосплавных режущих пластинок марки Т14К8, полученных из эталонной - предыдущей партии поставляемой продукции. В качестве обрабатываемого материала использовалась углеродистая легированная сталь 50ХФА. Скорость резания при испытаниях принималась - 120 м/мин. Подача и глубина резания были постоянными, соответственно 0,23 мм/об и 1,5 мм. Резание осуществлялось без охлаждения. За критерий затупления принимался износ режущей пластинки по задней поверхности, равный 0,5 мм. Средняя температура резания в зоне контакта инструментальный - обрабатываемый материал при скорости резания 80 м/мин - по показаниям естественной термопары и на основании тарировочной таблицы составляла примерно 850°С. Стойкость для образцов из 10 штук составила: 56,4; 57,3; 58,5; 59,6; 60,2; 61,6; 62,5; 63,4; 63,6; 64,8 мин. Затем использованные твердосплавные пластинки помещались в электрическую печь с открытым доступом атмосферного воздуха и выдерживались в печи при температуре, равной средней температуре резания - 850°С, полученной при соответствующих режимах резания в течение времени, равного средней стойкости, полученной при резании до установленного критерия затупления - 60,79 мин. Образовавшуюся на поверхности каждой твердосплавной пластинки полиоксидную структуру (пленку) проверяли на генерирование средней (из десяти показаний) величины интенсивности частичных разрядов, которая составила для партии образцов из 10 штук (тысяч импульсов за секунду): 79,6; 79,5; 80,8; 80,4; 81,2; 81,6; 82,1; 82,7; 83,2; 83,6. Среднее значение интенсивности частичных разрядов (для десяти пластинок) у эталонной партии образцов с полиоксидной пленкой составило 81,47 импульсов/с. При этом предварительно определяли толщину полиоксидной структуры для каждой контролируемой твердосплавной пластинки: 0,212; 0,216; 0,218; 0,222; 0,224; 0,226; 0,230; 0,234; 0,236; 0,238 см и рассчитывали необходимую напряженность электрического поля, также для каждой полиоксидной пленки обеспечивающей начало стабильного (постоянного во времени) генерирования частичных разрядов. По данным износостойкости твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии - проконтролированной продукции и величине интенсивности частичных разрядов для полиоксидных пленок, полученных при одинаковой средней температуре резания и соответствующей ей температуре окисления, строили график эталонной, корреляционной зависимости “износостойкость - интенсивность частичных разрядов”.

На фиг.2 представлена корреляционная зависимость изменения:

Т(эталонное), мин=К×f(Z)эталонное, импульсов/с.

Для осуществления прогнозирования износостойкости у твердосплавных режущих пластинок в последующей текущей, предназначенной для контроля, партии образцов, проводят отбор твердосплавных инструментов для проведения необходимых измерений. Для этого помещают их в электрическую печь, окисляют при температурах, которые соответствуют средним температурам резания (температурам, равном, полученным при эталонных испытаниях) в течение времени, также равным средней продолжительности времени резания до установленного критерия затупления, ранее полученном для эталонных образцов, извлекают их из печи, проводят испытания только на интенсивность генерирования частичных разрядов и на основании этих данных, а также на основании результатов, полученных при проведении эталонных испытаний в процессе резания, но теперь уже без дополнительных механических испытаний на износостойкость прогнозируют износостойкость твердосплавных режущих инструментов для данной текущей партии образцов в соответствии с зависимостью:

Среднее текущее значение величины интенсивности частичных разрядов (1/с) для партии образцов составило 85,62. При осуществлении прогнозирования износостойкости для текущей партии твердосплавных инструментов отпадает необходимость в проведении дорогостоящих и трудоемких испытаний на износостойкость, проводимой на металлорежущих станках. Прогнозируемое - текущее значение износостойкости (мин) из расчетов для контролируемой партии составило 63,88 мин, что является выше стойкости относительно эталонной партии резцов примерно на 5%.

Способ обладает высокой точностью прогноза. Это происходит вследствие тесной связи между свойствами твердых сплавов (износостойкостью), свойствами полиоксидных структур твердых сплавов и интенсивностью частичных разрядов, генерируемых в результате приложения необходимой для осуществления контроля величины напряженности электрического поля.

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 контрольных испытаний на 15-20%, в то время как результаты, полученные по предлагаемому способу отличаются лишь на 5-10%.

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

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к прогнозированию и контролю износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Способ прогнозирования износостойкости осуществляется по выбранному исходному параметру - величине интенсивности частичных разрядов, генерируемых полиоксидными структурами, образующимися на поверхности твердосплавных режущих инструментов при их высокотемпературном окислении, при температуре и продолжительности, равными температуре и времени резания, до установленного критерия износа. Способ включает в себя проведение эталонных испытаний на износостойкость в процессе резания материалов при оптимальной или близкой к ней скорости резания, проведение испытания на изменение величины интенсивности частичных разрядов от свойств поверхностной - полиоксидной структуры, сформированной в процессе нагревания на поверхности твердосплавного режущего инструмента при температуре, равной средней температуре в зоне резания, построение эталонной - корреляционной зависимости, включающей "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. При этом при увеличении интенсивности частичных разрядов износостойкость возрастает. Технический результат - повышение точности, снижение трудоемкости. 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 на поверхности твердосплавного режущего инструмента 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(эталонное), мин, - средняя износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

Z(эталонное), импульс/с, - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

Z(текущее), импульс/с, - средняя величина выбранного исходного параметра, 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 интенсивности частичных разрядов, полученных при напряженности электрического поля, обеспечивающей стабильные, постоянные во времени данные, генерируемых полиоксидными структурами - пленками, сформировавшимися на поверхности твердосплавных режущих инструментов при температуре и продолжительности окислительного нагревания их, равными температуре резания и продолжительности функционирования этих инструментов до заданного критерия затупления.