CC BY
4у
Arzumanyan A.M.
Doctor of Techn. Sciences, Professor, Dean of the Faculty of Technology and Industrial Economics, NPUA
Gyumri Campus Арзуманян Алексан Мкртычевич Доктор технических наук, профессор, декан факультета технологий и отраслевой экономики Гюмрийского филиала Национального политехнического университета Армении
GEAR WEAR CORUNDUM CUTTING INSERT FOR FINE MACHINING NON-FERROUS
ALLOYS CUTTING
МЕХАНИЗМ ИЗНОСА КОРУНДОВЫХ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ПРИ ТОНКОЛЕЗВИЙНОЙ
ОБРАБОТКЕ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ
Summary: The results of the study process, a thin face milling of non-ferrous alloys ruby inserts. It is proved that corundum inserts are exposed not only adhesive, abrasive, diffusion wear of mind as well as chipping, chipping and wear under the chemical action - hydrolytic mechanism of destruction, ie hydrolysis, a process that begins with the start of processing of the material to the end and beyond, if do not take precautions.
Keywords: wear, corundum, fine milling, hydrolysis, non-ferrous alloys.
Аннотация: В работе приведены результаты исследования процесса тонкого торцевого фрезерования цветных сплавов рубиновыми режущими пластинами. Доказано, что корундовые режущие пластины подвергаются не только адгезионному, абразивному, диффузионному виду изнашивания, а также скалыванию, выкрашиванию и изнашиванием под химическим воздействием - гидролитическому механизму разрушения, то есть гидролизу, процесс которого начинается с начала обработки материала до конца и после него, если не предпринимать мер предосторожности.
Ключевые слова: износ, корунд, тонкое фрезерование, гидролиз, цветные сплавы.
Введение
Известно, что корундовые фрезы в процессе тонкого торцевого фрезерования имеют высокую хрупкую и пластическую прочность, а также высокую износостойкость (в зависимости) от условий резания при определенной ориентации режущей части пластины, которые являются необходимыми условиями для нормальной работы режущего инструмента.
С установлением различных по природе видов износа в зависимости от условий обработки создается возможность управлять процессом резания и рекомендовать рациональные режимы с целью достижении эффективности обработки.
Отметим, что при тонком торцевом фрезеровании геометрия режущей части пластины в любой точке криволинейной кромки переменна. При значениях t = 0,01,.. .,0,20 мм, г = 0,3,...,0,2 мм и подачи s= 0,007, .,0,07 мм/об процесс резания осуществляется только криволинейным участком режущей кромки пластины. Можно полагать, что переменность геометрии рабочей части на криволинейном его участке должна влиять на процесс износа режущей части пластины, а также на шероховатость обработанной поверхности, поскольку износ происходит в основном по задней поверхности пластины [1].
Поэтому установление механизма износа корундовых режущих пластин является весьма практической задачей. В настоящего время нет четкого мнения об механизма износа режущих пластин, а имеющиеся данные противоречивы. В работе высказывается, что рубиновые резцы подвергаются микровыкрашиванию или износу в виде оплавления режущего кристалла, а в работе указывается, что они подвергаются выкрашиванию или дифузи-онному износу.
Интересную работу выполняли сотрудники физико технического института им. А.Ф. Иоффе РАН Ю.Г. Носов и Л.И. Деркаченко[2]. Работа по-свещена изучению образования трещин и сколов при индентировании корунда. Материалом для испытаний служил корундовые ленты выращивание по способу А.В. Степанова.
Цель работы: исследовать механизм износа корундовых режущих пластин при тонколезвийной обработке цветных сплавов.
Методика исследования
Были подвергнуты к тонкому торцевому фрезерованию алюминиевые сплавы: дюралюминий Д16 и Ал9, а также медные сплавы: латунь ЛС59-1, бронзы БрОЦС 5-5-5, БрА5 и БрАЖ9-4. В качестве режущего инструмента был применен однозубая торцевая фреза оснащенной корундовой пластины, которые были получены методом О. Вернейла. Режущие пластины имели форму прямоугольного па-раллельепипеда. Геометрия режущей части пластины следующие: а = 6o, у = - 6o, Я = 6o, r = 03,...,0,5 мм. Исследование проводились без применения смазывающих жидкостей, а в некоторых случаях применялось керосин и смеси, состоящей из 30% скипидара, и 70% керосина.
Основные опыты проводились рациональными режимами фрезерования: v = 250 м/мин; s = 0,022 мм/зуб, t = 0,05 мм- для медных сплавов и t = 0,01 мм - для алюминиевых сплавов.
При тонком торцевом фрезеровании латуни ЛС59-1 и дюралюминия Д16 корундовыми режущими пластинами установлено, что средняя температура в зоне резания в интервале скоростей v = 88,...,703 м/мин составляет Q = 100,...,220°С Химическая инертность корунда даже при температу-
= -У
рах Ш00,...,1200оС не дает основание предполагать, что при вышеуказанных температурах в зоне резания корундовые режущие пластины будут подвергаться диффузионному износу. Экспериментами было доказано правильность вышеуказанного предположения [1] .
После некоторого времени с начала тонкого торцевого фрезерования на рабочих поверхностях
корундовых режущих пластин, рабочие поверхности которых доведены до шероховатости Яа = 0,05, ...,0.025 мкм, на рабочих поверхностях наблюдались частицы обрабатываемого материала, в виде прилипших частиц, являющиеся результатом схватывания. Удалением указанных частиц нами обнаружено, что на контактных поверхностях режущей пластины видны следы отрыва частиц корунда, вызванные адгезионными явлениями[3,4].
Рис. 1 .Микрофотография пе- Рис. 2. Микрофотография перед-
редней поверхности режущей ней поверхности режущей пла-
пластины при обработке стины при обработке латуни бронзы БрА5 ЛС59-1
На рис. 1 представлен микрофотография перед- а на рис. 2 латуни ЛС59-1 после Ь = 5 км пути реза-ней поверхности корундовой режущей пластины ния. На рис.3 показан микрофотография передней при тонкого торцевого фрезерования бронзы БрА5, поверхности корундовой режущей пластины при
обработке дюралюминия Д16.
Рис. 3. Микрофотография передней поверхности режущей пластины рубина «Роза» при обработке дюралюминия Д16 после Ь=46 км пути резания
Адгезионный вид износа корунда при тонком торцевом фрезеровании цветных металлов и сплавов подтверждается ранее проведенными опытами.
Процесс тонкого торцевого фрезерования характеризуется условиями, способствующими адгезионному износу, т.е. большими удельными давлениями и образованием в контакте с корундом новых совершенно чистых поверхностей цветных сплавов, свободных от адсорбированных пленок, которые обычно присутствуют на поверхностях ме-таллов[5,6].
Отрывание частиц корунда объясняется тем, что при скольжении одной поверхности по другой происходит непрерывный процесс возникновения и среза адгезионных пятен. По данным Т.Н. Лоладзе
[7] на одном метре пути резания любая точка контакта может подвергаться тысячекратным воздействиям срезающих напряжений и поэтому характер разрушения поверхностных слоев инструментального материала связана с усталостными явлениями. Так как корунд является анизотропным телом с мозаичным строением и следами пластических деформаций, а также другими дефектами кристалла, то в процессе трения возникает вероятность отрыва и среза частиц из контактных поверхностей режущей пластины.
Можно предполагать, что причиной отрыва частиц кристалла, как с передней , так и задней поверхности режущих пластин является также возникновение в отдельных контактных точках корунда механических двойникований по плоскости
= -У
ромбоэдра(1011). Двойниковые прослойки, возникающие в кристаллах, под действием механических напряжений (или изменения объема при резких термических воздействиях) представляют собой плоскопараллельные или кольцевидные переориентированные области [1]. Сравнительно высокие контактные давления и температура в отдельных точках и контактных поверхностях режущей пластины способствуют возникновению двойникова-ния режущего кристалла в этих точках. После появления двойниковых прослоек в отдельных областях под действием циклических срезающих напряжений частицы корунда в начале отрываются из плоскости ромбоэдра (1011), а затем из остальных плоскостей.
При обработке дюралюминия Д16 иногда наблюдается вырывания частиц синтетического корунда в точке отрыва стружки от передней поверхности. Это явление связано с всхватыванием "абсолютно" чистых поверхностей контакта стружки и
Рис. 4. Микрофотография передней поверхности режущей пластины рубина «Роза» при обработке дюралюминия Д16 после Ь=46 км пути резания
С повышением скорости резания и подачи интенсивность адгезионного износа увеличивается. На рис.5 видны адгезионные пятна на контактных поверхностях режущей пластиы. Быстрое перемещение обрабатываемого материала относительно поверхности корундовой режущей пластины увеличивает количество пятен схватывания на контактных поверхностях, которое способствует также повышению температуры резания и уменьшению степени наклепа поверхностного слоя.
передней поверхности корундовой режущей пластины после первого отрыва частиц с передней поверхности.
Следует отметить, что в нашем случае возрастает интенсивность схватывания алюминиевых сплавов и корунда в точке отрыва стружки. После первого вырыва частиц корунда из передней поверхности режущей пластины при продолжении процесса резания дальнейшее вырывание частиц захватывает новые области, перемещаясь от точки отрыва стружки до режущей кромки.
При обработке дюралюминия Д16 схватывание стружки и корунда в сильной степени связана с режимом резания. Наблюдаются увеличения интенсивности срывание частиц корунда при увеличении подачи от s = 0,042 до 0,094 мм/об и глубины резания t = 0,15 до 0,25 мм и при скорости резания v = 180 до 80 м/мин (рис.4).
Кроме адгезионного износа, при тонкой торцевой фрезеровании дюралюминия Д16 наблюдается выкрашивание резцов при увеличении скорости резания, особенно при обработке алюминиевого сплава Ал9 и бронзы БрОЦС 5-5-5.
Рис.5. Микрофотография износа передней и задней поверхности режущей пластины при обработке латуни БрАЖ9-4 после Ь = 5 км пути резания
Режущие пластины из синтетического корунда иногда подвергаются скалыванию при более низкой подаче, чем предельная, что объясняется наличием разнообразных макроскопических и микроскопических дефектов кристаллов корунда и связанных с ними остаточных напряжений. Интенсивность скалывания режущих пластин убывает соответственно следующим плоскостям: плоскость ромбоэдра (1011), плоскость призмы (1 2 10), плоскость пинакоиды (0001) и плоскость гексагональной дипирамиды (22 4 3) (рис.6) [1].
а
'-----
Рис. 6. Расположение плоскостей относительно элементов симметрии кристалла корунда.
При испытании корунда на микротвердость сколы вблизи отпечатков индентора могут возникать в течении длительного времени (20, .,30 дней) после снятия нагрузки [2]. Авторы отмечанной работы эти исследования проводили для изучения свойства корунда. Работа в основном посвящена
Рис. 7. Следы дислокаций на поверхности скалывания режущей части пластины
при 6 = 1200 (ув 300х)
изучению образования трещин и сколов при инден-тировании корунда и основное внимание обращено на то, что образование и развитие сколов вблизи отпечатка происходит в течение длительного времени после снятия нагрузки.
Исследованиями установлены, всякому разрушению предшествует пластическая деформация[2], которое касается и корунда. Однако высокая энергия связи в соединение А12О3, составляющая 5,...,7 еУ[2] и высокая энергия активации движения дислокаций примерно 5 еУ[2] препятствуют ядер дислокаций и движению дислокаций в корунде при комнатной температуре. На рис.7 обнаружены следы дислокаций при температуре в зоне резания 0 = 120°. По мнению авторов[2] фактором существенно ослабляющим прочность связи в корунде, является наличие адсорбированной воды на поверхности кристалла. Неоднократно указывалась, что при комнатной температуре и близких к ней температурах для корунда решающим фактором в появлении и развития трещин под нагрузкой является действие гидрологического механизма разрушения.
Данный механизм заключается в разрыве связей А1-О на поверхности корунда под действием атмосферной влаги. Отметим, что прочность корунда в вакууме при 10оС превышает прочность во влажном воздухе на 32 % [2].
влажности.
В опытах с циклическим нагружением монокристаллов синтетического корунда [2] определена энергия активации разрушения, которая оказалось равной 1,3 еУ[2], что позволило автором высказать предположение о решающей роли адсорбированной воды в процессе разрушения. Аномальная мик-ропользучесть корунда при комнатной температуре связывается присутствием влаги на поверхности образцов.
Авторы [2] установили, что учитывая вышесказанное, можно большой вероятностью считать, что причиной роста трещин и образование сколов
у
после снятия нагрузки является действие остаточных растягивающих упругий напряжений в вершинах трещин, при этом необходимая пластическая деформация материала облегчена гидролитическим механизмом разрушения.
Было доказано, что приведенные наблюдения по образованию сколов позволяют высказать соображение, касающиеся абразивной обработки корунда алмазными материалами и инструментами (пастами, порошками). На поверхность корунда наносятся царапины, которые соправождаются трещинами и сколами. И естественно считать, что также как и при индентирования, образование сколов с отделением частиц корунда вблизи царапин является процессом длительным, то есть окончательный микрорельеф поверхности корунда устанавливается через определенное время после прекращение ее механической обработки. Для царапин глубиной 2 мкм это время составляет примерно один месяц[2].
Сравнивая результаты опытов вышеуказанных авторов с нашими исследованиями можем резюмировать что в нем есть интересное сходство.
Во первых рабочие поверхности режущей пластины должны быть высококачественными, без единой царапины и сколов являющиейсями очагами разрушения, а также способствующими гидролитическому механизму разрушения режущей части пластины, которое при циклических нагрузках подвергаясь то или иному виду износа дает возможность во всей процессе обработки под действием атмосферной влаги интенсивно разрывать связи А1- О, которое приводит к износу режущего инструмента. Это явление в основном интенсивно происходит при холостом ходе фрезы, когда режущая часть инструмента находится в пространстве атмосферной влаги. При использовании многолезвийного инструмента данный эффект замедляется, но не прекращается.
Процесс разрушения режущих пластин продолжается и после обработки, если не предпринимать добавочные мероприятия по защите рабочих поверхностей защитными пленками- вазелин и другие вещества, или в герметических тарах где проникновение атмосферной влаги отсутствует.
Контрольные испытание, которые провели для сравнения данного эффекта, показали, что те режущие пластины, которые применялись принятыми нами защитными мероприятиями указанными выше были более износостойкимы, чем те, которые были использованы при обычных условиях. Разница составил10,...,15%.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. При тонком торцевом фрезеровании дюралюминия Д16, бронзы БраЖ9-4, БрОЦС 5-5-5 и латуни ЛС59-1 режущие пластины подвергаются адгезионному виду износа и выкрашиванию - при низкой подачи.
2. Интенсивность адгезионного износа сильнее меняется в зависимости от величины подачи, чем скорости резания. Поэтому, тонкое фрезерование цветных металлов и сплавов целесообразно проводить с высокими скоростями резания и малыми подачами.
3. Адгезионный износ при применении в качестве смазывающей жидкости керосин, смеси, состоящей из 30% скипидара, и 70% керосина, уменьшается: сильно - при обработке Д16, умеренно- при ЛС59-1 и незначительно бронзы БрОЦС 5-5-5. Но применение эти средства не целесообразно из за выбросов ядовитых аэрозолей на рабочую зону, хотя их защитные возможности режущей кромки очевидны.
4. Режущая часть корундовых пластин при тонком торцевом фрезеровании цветных сплавов и металлов в диапазонах режимов резания принятых нами в качестве рациональных имеют высокую износостойкость.
5. При наличии атмосферной влаги процесс износа и разрушения режущего лезвия пластины усиливается и за счет гидролитического механизма.
Работа выполнена в рамках финансировании Государственного комитета науки Республики Армения по программе «Ширак 2015».
Литература
1. Хачатрян Г.Г. Исследование процесса тонкого точения цветных металлов рубиновыми резцами. Канд. дисс. -Куйбышев: 1974. -274с.
2. Носов Ю.Г., Деркаченко Л.И. Последствие при испытании корунда на микротвердость. Журнал технической физики. СПб издательство «Наука». 2003,том 73, вып.10. С. 139-142.
3. Арзуманян А.М. Налипание частиц обрабатываемого материала на режущую пластину при оптимизации параметроуправляемых процессов //Тезисы докладов международной конференции "Механика композитов и оптимальное проектиро-вание", 25-28 сентября. -Ереван: -2006. -С. 21-22.
4. Арзуманян А.М. Исследование процесса налипания частиц обрабатываемого материала на режущую пластину //Вестник ГИУА. Серия "Моделирование, оптимизация, управление". -Ереван: -2007. -Вып. 10. -Том 1. -С. 21 -26.
5. Арзуманян А.М., Хачатрян Г.Г. Контактные явления при тонкой обработке цветных металлов инструментами из синтетического корунда //Изв. НАН Армении, серия технических наук. -Ереван: -1992. -Том 45, 1, 2. -С. 8-11.
6. Арзуманян А.М., Хачатрян Г.Г. Анализ износа режущих инструментов из синтетического корунда //Изв. НАН и ГИУА, серия технических наук). -Ереван: -1998. Том XLXI -№3. -С. 272-276.
7. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента.М: Машинострое-ние,1982,.-320с.
