Исследование влияния температуры на внутренние микронапряжения в сменных многогранных пластинах из твердых инструментальных сплавов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.9.011

Р. С. ЧУЙКОВ А. С. СТАВЫШЕНКО С. С. ЧУЙКОВ

Тюменский государственный нефтегазовый университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВНУТРЕННИЕ МИКРОНАПРЯЖЕНИЯ В СМЕННЫХ МНОГОГРАННЫХ ПЛАСТИНАХ ИЗ ТВЕРДЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СПЛАВОВ

В статье затронута проблема повышения работоспособности сборных режущих инструментов со сменными многогранными пластинами (СМП) из инструментальных твердых сплавов (ИТС) и названы наиболее характерные виды их разрушения. Обоснована актуальность исследования влияния температуры режущих пластин из ИТС вольфрамокобальтовой (ВК) и титановольфрамокобальтовой (ТК) групп и на внутренние микронапряжения 2-го рода. Приведены данные рентгенографических исследований образцов из твердых сплавов групп ВК и ТК при температурах от 20 до 700 0С.

Ключевые слова: сменные режущие пластины, внутренние напряжения, инструмент, твердый сплав.

В современном промышленном производстве широкое применение во всех видах механической обработки резанием получили сборные инструменты со сменными многогранными пластинами (СМП) из инструментальных твердых сплавов (ИТС). Однако практика показывает, что показатели качества таких инструментов, и в первую очередь надежность, ещё недостаточно высоки [1]. По статистическим данным на долю отказов инструментов с СМП по причине разрушения пластин приходится 70 — 75 % [2]. Из анализа экспериментальных данных, представленных в научной технической литературе, видно, что наиболее характерными видами разрушения вышеуказанных металлорежущих инструментов являются выкрашивание, скалывание, поломка зубьев режущей части фрез [3, 4]. В литературе описано множество факторов, влияющих на работоспособность сборных режущих инструментов с СМП из ИТС, а в работах ученых [4, 5] была выдвинута гипотеза о превалирующем влиянии на стойкость режущих пластин внутренних микронапряжений, возникающих в ИТС при изменении температуры СМП. Данная гипотеза была подтверждена исследованиями ряда ученых научной школы профессора М. Х. Утешева [6] и получила свою практическую реализацию в предложенных ими технических решениях по снятию микронапряжений 2-го рода методом предварительного нагрева до температуры близкой к температуре максимальной работоспособности режущих пластин.

Для дальнейшего развития данной гипотезы авторами были проведены экспериментальные исследования зависимости внутренних напряжений от

температуры для ИТС группы ВК с использованием автоматизированного дифракто метра ДРОН-УМ1 при помощи серийно выпускаемой высокотемпературной приставки УВД-2000. Для определения влияния температуры на напряжения II рода были выбраны три представителя однокарбидных твердых сплавов: ВК8, ВК10 и ВК15. При проведении эксперимента образцами являлись напайные пластины, изготавливаемые промышленностью. Рентгенографические исследования проводились при температурах от 25 до 700 °С на воздухе, разбитый на промежутки по 100 °С. Для определения микронапряжений использовалось отражение (200) Со. Испытание состоит в следующем. Образец твердого сплава ВК8 помещают в печь высокотемпературной приставки. Включают нагрев печи, и температура в ней повышается до заданной. При заданной температуре выдерживают образец в печи (из расчета 1 мин на 1 мм толщины образца). После выдержки образца в печи проводим съемку и получаем диф-рактограммы при заданной температуре испытания. Не меняя образец в печи, проводим испытания с интервалом температур через 100 до 600 °С и получаем следующие дифрактограммы. Затем проводим такие же испытания на образцах из твердого сплава ВК10 и ВК15. Увеличенные дифракционные линии для разных твердых сплавов при различных температурах: (1 — при 100 °С, 2 — при 300 °С, 3 — при 600 °С) показаны на рис. 1.

В результате расшифровки дифрактограмм методом аппроксимации были построены графики зависимостей внутренних микронапряжений от температуры для разных твердых сплавов группы ВК с применением компьютерной программы обработки

Рис.1.ДифрактограммыдлясплавовВКприразных температурах: 1 — при 100 °С, 2 — при 300 °С,3 — при 600 °С

СТМПа

800 Г

700 600 500 400 300 200 100

4

3 vS

vnN sW.

100

200

300

400

500 600 @"С

Рис. 2.Зависимостьвнутренних напряжений от температуры для разных сплавов ВК: 1 — ВК8, 2 — ВК10,3 — ВК15,4 — поматематическоймодели

экспериментальных данных рентгенографических исследований «OriginPro» (рис. 2).

В результате исследований влияния температуры на изменение внутренних напряжений в ИТС группы ВК было установлено, что при комнатной температуре (20 °С) внутренние напряжения могут достигать значений, близких к предельным ав, а при увеличении температуры путем предварительного нагрева СМП из ИТС группы ВК до 600 °С до начала процесса резания практически полностью сниматься.

Проведенные исследования позволили разработать физическую и математическую модели возникновения внутренних напряжений в ИТС группы ВК на основе математической модели профессора Е. В. Артамонова.

Схема модели возникновения внутренних напряжений в ИТС для плоской задачи применительно для сплава WC — Co представлена на рис. 3. Модель возникновения внутренних напряжений на примере сплава группы WC —Co выглядит следующим образом: карбиды вольфрама (WC) — представлены как включение, а связка из кобальта — как охватывающий материал.

При остывании после спекания исходной смеси WC — Co, ввиду того что коэффициент линейного расширения кобальта в 3 раза больше, чем у WC, на поверхности контакта включения WC и связки Co возникают тангенциальные напряжения ат > 0 и соответственно Oj > 0 (напряжение растяжения), а а_ < 0 и соответственно а2 < 0 (напряжения сжатия). Очевидно, такое изменение напряжений II рода могут оказать существенное влияние на работоспособность режущих элементов из этих сплавов.

Как и авторами [6] для вывода математической модели расчета напряжений II рода в твердых сплавах, напри мер WC —Co, была рассмотрена задача о внутренних напряжениях в неограниченной среде (связка Co) со сферическим включением (зерно WC) радиусом г0 (рис. 4). В начальном состоянии прд оемперат)ие спехпния Т0 хапряпрния отсутствуют, при изменении температуры на величи-нуДТ из-та рааличнып коэффодиентои линейного расширения среды и включения возникают напряжения. В начальном и конечном состояниях температура считается одинаковой во всех точках пространства. Материал среды и включения полагается упругим. Соответственно, Ег vv aj — модуль упругости, коэффициент Пуассона и коэффициент линейного расширения включения, Е2, v2, a2 — среды. Все параметры не зависят от Т.

В указанных условиях задача является центрально-симметричной. Поместим начало сферической системы координат г, ф, 0 в центр включения. В силу симметрии перемещения

U = иа = 0, U = U (r).

ф в r r' '

На основании уравнений деформаций, напряжений были выведены математические модели внутренних напряжений II рода для ИТС группы ВК: — во включении с радиусом r0 (WC)

Е

in m m ^ i

(1 + vt) • (l - 2Vj)'

i

Рис. 3. Модель возникновения внутренних напряжений в двухфазном твердом сплаве ШС-Со

Рис. 4. Схема внутренних напряжений в полярных координатах

<(1 + У,)-С,(1) - Al^l ,АТ

\ w 1 . 0 ,

1 - 2v,

где

с'1' = С2- + а 2 -АТ;

в среде (Co)

2F

„(2' _ - 2Е 2

Е

„(2' _ е2 U IHI —

1 + V,

где

Рис. 5. Дифрактограммы для двухфазного сплава Т30К4 приразныхтемпературах: 1 — при100 °С,2 — при 300 °С, 3 — при 700 °С

I. иипГиин «НЮ

(1)

(2) (3)

с-_ = (а, -а 2 )-М г3 1 | Е2 2-(1-2У^ Е ( + У2

График зависимости внутренних напряжений II рода для ИТС группы ВК от температуры нагрева, построенный согласно разработанной авторами математической модели (см. рис. 2), достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными, полученнымидля данной группыИТС, чтогово-риторазработаннойадекватностиматематической модели.

В связи с тем, что на производстве при механи-ческойобработкетруднообрабатываемых материа-ловчасто применяются сборные режущие инструменты сСМП изИТСгруппыТК,авторами были

Рис.6.ДифрактограммыдлядвухфазногосплаваТ5К6 при разныхтемпературах:1 — при 100 °С,2 — при 300 °С, 3 — при 700 °С

проведены исследования влияния внутренних микронапряжений в ИТС на работоспособность сборных режущих инструментов с СМП из ИТС груп-пыТК с целью разработки математической модели внутренних напряжений II рода.

Для проведения этих исследований образцами являлись стандартные СМП в состоянии заводской поставки из твердыхсплавов Т30К4, Т15К6 и Т5К10. Рентгенографические исследования проводились на автоматизированном дифрактометре XRD 7000 Shimadzu Maxima с нагревательной приставкой при температурах от 20 до 700 °С. Качественный анализ дифрактограмм (рис. 5 — 7) показал, что с увеличением температуры нагрева всех испытуемых образцов ширина дифракционной линии уменьшается, что свидетельствует о снижении внутренних микронапряжений с увеличением температуры для всех сплавов группыТК соответственно их химическому и фазовому составу.

В результате расшифровки дифрактограмм методом аппроксимации были построены графики зависимостей внутренних микронапряжений от температуры для разных твердых сплавов группы ТК с применением компьютерной программы обработки экспериментальных данных рентгенографических исследований«ОпдтРго» (рис. 8).

В результате анализа экспериментальных данных по ИТС группыТК, гдебыла отмечена полная аналогия с данными, полученными ранее для группы ВК [6 — 9],былосделанопредположение о возможности распространениясформулированных в работе [6] те-оритических выкладок, включая и математическую модель, на СМП из инструментальных твердых спла-вовгруппы ТК.Наосновании полученных экспери-ментальныхуравнений деформаций, напряжений и

2

Рис.7. Дифрактограммыдлядвухфазного сплава Т5К10 при разных температурах: 1 — при 100 °С, 2 — при 300 °С, 3 — при 700 °С

М

100

v 1.

i к N

4

3

100

200

500

7000 •[

Рис.8.Зависимостьвнутреннихмикронапряжений от температурыСМПдля разныхсплавовгруппы ТК: 1—Т30К4, 2 — Т15К6,3 — Т5К10,4 — поуточненной математической моделипрофессораЕ. В. Артамонова

равновесия, полученных при разработке математической модели для ИТС группы ВК, в рамках данной исследовательской работы были уточнены её параметры для сплавов группы ТК.

При этом, как и в предыдущем случае, наблюдается достаточно высокая сходимость экспериментальных данных и результатов расчетов в соответствии с разработанной авторами математической моделью (см. рис. 8), что может говорить о том, что предложенная авторами [6] физическая и математическая модель зависимости внутренних напряжений II рода после соответствующей доработки может быть применена не только к ИТС группы ВК, но и для ИТС группы ТК.

Таким образом, в результате экспериментальных исследований было убедительно доказано влияние температуры на изменение внутренних микронапряжений в ИТС групп ВК и ТК. Кроме того, было установлено, что при комнатной температуре (20 °С) внутренние напряжения II рода для ИТС групп ВК и ТК могут достигать значений, близких к предельным а , а при увеличении температуры путем нагрева пластин до 600 °С и 700 °С соответственно уменьшаться практически до нуля, т.е. полностью сниматься.

Результаты экспериментальных исследований позволяют распространить теоритические выкладки, полученные для СМП из сплавов группы ВК, включая и математическую модель, на СМП из сплавов группы ТК.

Библиографический список

1. Ostapenko, M. S. and D. S. Vasilega, 2013. Method of Evaluation of Quality of Metal-Cutting Tool. Applied Mechanics and Materials, 379: 49-55.

2. Artamonov, E. V., D. S. Vasilega, M. S. Ostapenko and аз. A. Shrainer, 2010. Serviceability of Tools and Physical and Mechanical Parameters of Tool Hard Alloys and Processed Materials. In Monograph, Eds. Uteshev M.Kh. Tyumen: Edition 9. Vector Book, p. 160.

3. Артамонов, Е. В. Повышение работоспособности сменных твердосплавных пластин путем снятия температурных микромикронапряжений / Е. В. Артамонов, Р. С. Чуйков // Тр. XXIV Российской школы по проблемам науки и технологий, посвящ. 80-летию со дня рожд. акад. В. П. Макеева : сб. кратких сообщ. — Екатеринбург : УрО РАН, 2004. — С. 475-477.

4. О процессе износа твердосплавного инструмента / Н. Н. Зорев [и др.] // Вестник машиностроения. — 1971. — № 11. — С. 70-73.

5. Лоладзе, Т. Н. Исследование микронапряжений в режущей части инструмента при переходных процессах методом фотортругости / Т. Н Лоладзе, Г. Н Ткемиладзе, Ф. Г. Тотчиев // Аообщ. АН Грузинской ССР. — 1975. — № 3. — С. 32-34.

6. Артамонов, Е. В. Модели температурных микромикронапряжений в режущих твердосплавных пластинах / Е. В. Артамонов, Р. С. Чуйков // Тр. XXIV Рос. школы по проблемам науки и технологий, посвящ. 80-летию со дня рождения акад. В. П. Макеева : c6. кратких сообщ. — Екатеринбург : УрО РАН, 2004. — С. 306-307.

7. Chermant J. L., Osterstock F. Fracture Toughness and Fracture of WC-Co Composites. — J. Mat. Sci., 1976, № 11, p. 1939-1951.

8. Mari D., Clausen B., Bourke M. A. M., Buss. K. Measurement of residual thermal stress in WC-Co by neutron diffraction // Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials , 2009. V 27. — P. 282-287.

9. Livesu V., Clausen B., Pagget J. W., Krawitz A. D., Drake E. F., Bourke M. A. M. Measurement and modeling of room temperature co-deformation in WC-10 wt. %Co // Materials Sciense and Engineering 2005. A. 399. P. 134-140.

ЧУЙКОВ Роман Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Станки и инструменты». СТАВЫШЕНКО Анатолий Семёнович, соискатель, старший преподаватель кафедры «Станки и инструменты».

ЧУЙКОВ Сергей Сергеевич, ассистент кафедры

«Станки и инструменты».

Адрес для переписки [email protected]

Статья поступила в редакцию 17.09.2014 г. © Р. С. Чуйков, А. С. Ставышенко, С. С. Чуйков