CC BY
20
ISSN 1992-6502 (Print) 2015. Т. 19, № 4 (70). С. 3-7
Ъюьшм QjrAQllQj
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.9.02
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ С ЗАЩИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ НА ИНСТРУМЕНТЕ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ
12 3
А. М. Айдарбеков , М. Ш. Мигранов , В. Р. Мухамадеев
1 [email protected], 2 [email protected], [email protected] ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 13 июля 2015 г.
Аннотация. Рассмотрен вопрос прогнозирования образования химических соединений в зоне резания. Исследована возможность образования оксидов и нитридов на поверхности режущего инструмента с износостойкими покрытиями.
Ключевые слова: покрытие, точение, инструмент, износ, температура резания.
ВВЕДЕНИЕ
Режущий инструмент является наиболее слабым звеном технологической системы, поэтому повышение его работоспособности остается одной из важнейших задач современного машиностроительного производства.
Использование металлорежущего инструмента с предварительно нанесенными тонкими (1-5 мкм) износостойкими покрытиями обеспечивает ряд важных преимуществ: повышение производительности обработки резанием на 20200%, увеличение срока службы инструмента до 1,5-10 раз при обработке конструкционных сталей, до 4 раз - при резании корозионностой-ких и жаропрочных сталей, в 1,5-2,5 раза - при обработке титановых и никелевых сплавов. Кроме того, достигается снижение расхода сложнопрофильного инструмента вследствие уменьшения количества его переточек. Однако не всегда применение покрытий для режущего инструмента экономически обоснованно и приводит к ожидаемому эффекту.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
В настоящее время аналитические расчеты параметров процесса резания проводятся с помощью большого числа эмпирических выражений, а повышение технологической эффективности достигается преимущественно экспериментальным путем. Вместе с тем некоторые наблюдаемые физические закономерности не имеют
объяснения с точки зрения механики и физики твердого тела. Также незначительное внимание уделяется определению и предварительному прогнозированию химических процессов, происходящих в зоне резания при использовании износостойких покрытий, позволяющих при определенных температурно-силовых условиях обеспечить образование вторичных структур с смазывающими и защитными свойствами на поверхности режущего инструмента. В большинстве случаев именно образование таких структур является доказательной базой для объяснения причины увеличения износостойкости режущего инструмента, уменьшения трения в зоне контакта и других факторов, благоприятно влияющих на процесс резания.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Согласно [1], образованию химического соединения свидетельствует изменение энергии Гиббса, значение которой показывает возможность протекания химических реакций с образованием тех или иных соединений.
Изменение энергии Гиббса для процесса, протекающего при нормальных условиях и при постоянной температуре, определяется уравнением [2]:
ДС298° = ДН298° — Т -АБзд^ (1)
где Д0298 - изменение энергии Гиббса, кДж/моль; ЛИ298 - изменение энтальпии,
кДж/моль; Д0298 - изменение энтропии, Дж/К-моль; Т - температура, °К.
В случае механической обработки ясно, что изменение энергии Гиббса, а следовательно? и какие-либо химические реакции будут протекать при достижении определенной температуры. Тогда изменение энергии Гиббса примет вид:
АСТ = АНТ — Т •АБт. (2)
В свою очередь изменение энтальпии и энтропии при определенной температуре выражаются уравнениями [1]:
шт = дя298° + /2Т980ДСР(ГЖ, (3)
Т АС (Т")
Д5г = Д5298о + /2980-^^Г. (4)
После преобразования и интегрирования, получили:
AGf — AG298° ^
+
(«0^ +
— а_7Т
■')f -
1298°
-T((aQlnT + atT
а-2Т
298
-2 ,T
■о.
(5)
2 ' 1298°'
Выражение (5) показывает необходимость создания базы данных значений энергии Гиббса известных в настоящее время. В противном случае необходимы конкретные теоретические расчеты определения энергии Гиббса. Также выражение (5) сводит к тому, что основным фактором протекания реакции будет определено конкретным значением температуры в зоне резания.
Опубликовано много теоретических методов определения температуры резания. Однако лишь в теориях А. Н. Резникова и С. С. Силина эти методы изложены настолько полно, что их можно использовать для расчетов. Но и у А. Н. Резникова, и у С. С. Силина недостаточно четко определена область применения предложенных методов расчета [3]. При анализе их методов было установлено, что они могут быть использованы для расчета температуры резания, однако имеют существенные ограничения. В частности, при расчете по методу С. С. Силина необходимо следить, чтобы параметр В был не менее 0,4. При расчете температуры методом А. Н. Резникова необходимо учитывать, что этот метод применим для материалов, дающих сливную стружку [3].
Так как больший интерес представляет образование сливной стружки, кратко рассмотрим метод А. Н. Резникова:
а = Ssincp; b= —
t
где а, Ь - параметры сечения среза, мм; ^ - глубина резания, мм; - подача, мм/об; ф - угол инструмента в плане, град.
^тз «^гз * 0,252авЫ3, где ^тз - сила трения по задней поверхности резца, кг; - нормальная сила по задней поверхности резца, кг; ов - предел прочности обрабатываемого материала, кг/мм2; 13 - длина контакта по задней поверхности резца, мм.
qQ = 6,25
PN0 cosy + Pzosinyy
bL
к'
где q0 - интенсивность теплового потока на надрезцовой стороне стружки, кал/см2-с; Pno=Pn-N3, Pzo=Pz-Ft3 - составляющие силы резания, кг; ln - длина контакта по передней поверхности резца, мм; V - скорость резания, м/мин; k - усадка стружки.
q1 = 1,95ствУ, где qi - тепловой поток на задней поверхности резца, кал/см2-с.
cosy
sinPi = , ,
V^2 — 2/csiny + l
где p1 - угол сдвига, град; у - передний угол,
град.
Fsinp!
Чд = 3,9 аЬк [Pzo (к- siny) -Pwocosy],
где qд - теплота деформации, кал/см2-с.
Va Vln
Ре = — ;Ре = ——, д 6ш' 6кш' где Ред и Pe - безразмерные критерии Пекле для источников эквивалентного теплоте деформации и трения надрезцовой стороны стружки соответственно, ю - коэффициент температуропроводности, см2/с.
k^sin
Ь* = 11 + 1,33-
JPe
-1
где Ь - относительное количество теплоты деформации, уходящее со стружкой.
7Уа2
ф' = 1,33 • 10"2— ша
где ф' - безразмерный критерий; d - диаметр изделия, мм.
Рек2а2
1п
где Я - безразмерный критерий.
шк
9д = 06АУ
где 9д - температура деформации, °С; X - удельная теплопроводность детали, кал/см-с-°С.
v^
^ ccp 0,195 ^
Sinф
kln
""^"(^O^lср ~1,414vTlcp) + +(1 + с*)8д,
где 9сср - средняя температура на контактной поверхности стружки, °С; Т1ср, Т2ср - функции, используемые для расчета контактной площадки стружки; дп - тепловой поток на передней поверхности, кал/см2-с; с - коэффициент, учитывающий перенос теплоты в стружку.
0иср « (1 + с*)9дГИСр + 0,1 -
-1,82^),
где 9иср - средняя температура на контактной поверхности изделия, °С; Тиср - функция, используемая для расчета температуры контактной площадки; д3 - тепловой поток на задней поверхности, кал/см2-с.
Ь Ъ П1 =-Т,П2 =р
^п 'з
где ^1, П2 - безразмерные коэффициенты.
где Ыи N - безразмерные функции; О - функция, зависящая от п; В ; В - безразмерные функции.
где 9пср - среднее значение температуры на контактной площадке передней поверхности резца, С; М1 - функция, зависящая от угла заострения инструмента; - удельная теплопроводность резца, кал/см-с-°С.
где 9зср - среднее значение температуры на контактной площадке задней поверхности резца, С; М2 - функция, зависящая от угла заострения.
_ ^пср^п ^^зср^з
'■п 1 1з
где 9р - температура резания.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований закономерностей влияния на износостойкость инструментального материала с многослойными покрытиями в зависимости, во-первых, от химического состава и кристаллохимического строения, во-вторых, технологии получения этих покрытий, в-третьих, при лезвийной обработке различных материалов в широком диапазоне изменения элементов режима резания. Стойкостные и температурные испытания проводили на универсальном токарном станке нормальной жесткости 16К20, оборудованном тиристорным преобразователем для бесступенчатого регулирования частоты вращения. Для экспериментальных исследований при точении использовались заго-
товки из стали 40Х из одной партии материалов. При точении использовались заготовки диаметром 70-120 мм и длиной 300-400 мм, предварительно обточенные и зацентрованные с обеих сторон. Заготовки зажимали в самоцентрирующемся трехкулачковом патроне с изоляционными прокладками и поджимали вращающимся центром, установленным в пиноли задней бабки станка. Точение проводилось резцами со сменными четырехгранными твердосплавными пластинами ВК8 с нанесенными на них покрытиями: TiN, N+TiN, (TiCr), (AlTi)N, (TiAl)N, (TiAlCr)N. Большинство экспериментальных данных по износу и стойкости режущих инструментов получены путем непосредственного наблюдения и измерения зон износа на резце. При этом, как показали предварительные эксперименты и анализ литературных данных [4], в условиях чистового и получистового резания определяющим элементом износа инструмента является фаска износа по его задней поверхности. Анализ профиля износа задней поверхности, выполненный в исследовании [5], показал, что наименьшей изменчивостью результатов измерения износа характеризуется средний износ задней поверхности вдоль главной режущей кромки. Этот параметр при постоянных значениях переднего и заднего углов режущего клина отражает размерную износостойкость инструмента. Исходя из вышеизложенного, в качестве исследуемого параметра износа инструмента использовалась средняя ширина фаски износа задней поверхности (без учета выемок). Ширину Нз фаски износа инструмента по задней поверхности измеряли с помощью отсчетного микроскопа МИР-2М с насадкой MOB-I5 точностью отсчета до 0,002 мм. Для обеспечения достоверности результатов эксперимента согласно рекомендациям [5], повторялись 4-5 раз при отклонениях не более 8%. Для расчета температуры резания по методу А. Н. Резникова и дальнейшего сравнения с экспериментальными результатами было разработано Windows-приложение в среде Delphi, которое позволило сократить временные затраты и увеличить точность результатов.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В ходе выполнения исследований были получены следующие результаты (табл. 1).
Точение проводили при подаче 5=0,11 мм/об и глубине резания t=0,5 мм. На рис. 1 представлен график зависимости износа по задней поверхности от длины пути резания.
Таблица 1
ВК8(без покрытия) ВК8+™ ВК8+(Т1,А1,Сг)К
Из 1 Из 1 Из 1
0,146 1003 0,08 157 0,082 267
0,162 2196 0,112 314 0,118 801
0,175 2557 0,118 943 0,124 1068
0,194 2919 0,122 1254 0,134 1596
0,216 4354 0,126 1409 0,19 2642
0,223 5419 0,136 1564 0,22 2903
0,256 6123 0,166 2187 0,23 3160
0,276 7521 0,196 2494 0,234 3418
0,288 7867 0,268 2803 0,254 3676
0,31 8213 0,366 3110 0,27 3933
ВК8+(Т1,Сг)К ВК8+(А1,Т)К ВК8+(Т1,А1)К
Из 1 Из 1 Из 1
0,084 1103 0,126 1367 0,076 408
0,112 2196 0,144 1706 0,108 814
0,12 2557 0,16 2381 0,146 1219
0,134 2919 0,176 3387 0,154 1624
0,16 4354 0,192 3720 0,19 2026
0,19 5419 0,2 4053 0,228 2428
0,22 6123 0,236 5042 0,236 2831
0,256 7521 0,258 5369 0,25 3230
0,28 7867 0,274 6022 0,296 3629
0,292 8213 0,296 6670 0,318 4028
Ьз, мм
0,3 0,2 0,1
0 1000 2000 3000 4000 ^Р' М Рис. 1. Зависимость Из=/(Ьр): 1-ВК8; 2-ВК8+1Ш; 3-ВК8+(иЛ1)^4-ВК8+(Т^Л1,СГ№ 5-ВК8+(Л1,Т^; 6-ВК8+(П,Сг^
По результатам проведенных исследований выявлено:
- наиболее стойкими покрытиями из рассмотренных являются (Л1,Т1)К и (Т1,Сг)К;
- износостойкость твердосплавных пластин с покрытиями при точении, в сравнении с основой, в исследуемом диапазоне режимов обработки выше в 2,5-3 раза;
- образование вторичных структур оксидных пленок благоприятно влияет на уменьшение износа режущего инструмента.
ПРИЛОЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В качестве примера рассмотрим возможность окисления Т1К и Сг^ входящих в состав
покрытий, и создание тонких поверхностных оксидных пленок в условиях эксплуатации режущего инструмента [6]. Преобразование компонентов нитрида титана и нитрида хрома можно представить в виде следующих реакций:
™ + 02 ^ ТЮ + N0; 4СгК + 302 ^ 2Сг203 + 2^'
(6)
Термодинамическое представление этих процессов подтверждается следующим фактом. При температуре, достигающей 823К в зоне резания, развитие кислородосодержащих фаз на основе титана и хрома из нитридов сопровождается уменьшением энергии Гиббса. Термодинамическая возможность уравнений реакций окисления (6) при 823К была подсчитана на основе термодинамических данных табл. 2.
Таблица 2
Соединения ДН 298 , ДЯ0 298
кДж/моль Дж/К- моль
ТЮ -173,2 24,73
1311 7,193
С^ -123,4 52,7
СГ203 -1140,6 81,2
N0 90,2 210,6
Расчетные величины изменения энергии Гиббса для уравнений реакций (6) ДС8°23 <0. Отрицательные величины свободной энергией образования () для ТЮ и для Сг203 из нитрида титана TiN и нитрида хрома CгN свидетельствует, что оба соединения свободно преобразуется в более термодинамические устойчивые фазы в условиях атмосферы рабочей температуры окисления.
Таким образом, данный метод подтверждает возможность аналитического прогнозирования образования химических соединений в процессе резания, которые благоприятно влияют на уменьшение износа инструмента. Недостатком данного метода является сложный и громоздкий математический аппарат. Выходом из этой ситуации является создание Windows-приложений, которые приведут к уменьшению временных затрат и позволят варьировать некоторыми параметрами с целью достижения конкретных результатов.
ВЫВОДЫ
По результатам экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
- установлено, что определяющим фактором образования химических соединений с защит-
2
ными свойствами на режущем инструменте с износостойким покрытием является температура резания;
- разработано Windows-приложение в среде Delphi для расчета температуры резания с целью дальнейшего использования для расчета энергии Гиббса;
- для реакции, протекающей с увеличением энтропии, повышение температуры уменьшает энергию Гиббса (то есть благоприятствует протеканию процесса). Для реакции, протекающей с уменьшением энтропии, повышение температуры препятствует протеканию процесса. Это приводит к тому, что некоторые вещества при определенных температурах образуют соединения в виде рутила со смазывающим эффектом, а при других температурах - соединения в виде керамики, повышающие износостойкость инструмента;
- износостойкость твердосплавных пластин с покрытиями при точении, в сравнении с основой, в исследуемом диапазоне режимов обработки выше в 2,5-3 раза (рис. 1).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шустер Л. Ш., Криони Н. К., Шолом В. Ю., Мигранов. М. Ш. Покрытия и смазка в высокотемпературных подвижных сопряжениях и металлобработке: моногр. М.: Машиностроение, 2008. 318 с. [Shuster L.S., Krioni N.K., Sholom V.Yu., Migranov M. Sh. Coating and lubrication in moving vysokotemperaturnykh mates, and metallobrabotka. M. Mashinostroenie, 2008].
2. Никифоров П. Н. , Ганеев А. А. Руководство к решению задач по дисциплине «Физико-химические основы литейного производства»/Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост. П. Н. Никифоров, А. А. Ганеев. Уфа, 2005. 28 с. [Nikiforov P.N., Ganeyev A.A. A guide to solving problems in the discipline "Physico-chemical bases of the foundry"/USATU; Comp. Nikiforov P.N., Ganeyev A.A. Ufa, 2005].
3. Пушных В. А., Билик В. Л. Сравнение двух методов расчета температуры резания. // Известия Томского политехнического университета. 2004. Т. 307. N 3. c. 102-104.[Pushnykh V.A., Bilik V.L.. Comparing the two methods of calculation of temperature of cutting // Izvestia of Tomsk Polytechnic University. 2004. V. 307. n. 3. 102-104 p.].
4. Макаров А. Д. Износ и стойкость режущих инструментов. М.: Машиностроение. 1966. 264 с. [Makarov A.D. The wear and durability of cutting tools. M. Mashinostroenie, 1966].
5. Макаров А. Д. Износ твердосплавного инструмента при резании жаропрочных сплавов / А.Д. Макаров, В.С. Мухин, Н.В. Воронин // Станки и инструмент. 1974. №2. С. 26-28. [Makarov A.D. Wear of carbide tools in cutting high-temperature alloys / Makarov A.D., Mukhin V.S., Voronin N.V. // Machines and Tooling. 1974. №2. p. 26-28].
6. Мигранов М.Ш. Повышение износостойкости инструментов на основе прогнозирования процессов адаптации поверхностей трения при резании металлов. Дис. д-р техн. наук. Москва, 2007. 328 с. [Migranov M. Sh. The increase of wear resistance of tools on the basis of forecasting
of processes of adaptation of the friction surfaces when cutting metals. Thesis abstract for the degree of doctor of technical Sciences. Moscow, 2007].
ОБ АВТОРАХ
Айдарбеков Айрат Минетдинович, нач. ОВР. Дипл. инж. по машинам и технол. обр. металлов давлением (УГАТУ, 2006). Иссл. в области износостойкости штамповой оснастки.
Мигранов Марс Шарифуллович, проф. зав. каф. ОК-МиМ, дипл. инж.-мех. (1987, УАИ). Д-р техн. наук по процессам мех. и физ.-техн. обработки (защ. в РУДН, 2007). Иссл. в обл. триботехн., износостойкости режущего инструмента и повышения эффективности лезвийной обработки резанием.
Мухамадеев Венер Рифкатович, стар. препод. каф. ОКМиМ. Дипл. маг. техн. и технол. (УГАТУ, 2007). Иссл. в обл. износостойкости режущего инструмента.
METADATA
Title: Prediction of chemical education compounds with protective properties on the tool when cutting metals.
Authors: A.M. Aidarbekov, M.Sh. Migranov, V.R. Muhamadeev.
Affiliation: Ufa State Aviation Technical Universi-ty(USATU), Russia.
E-mail: [email protected], [email protected],
Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU, (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 19, no. 4 (70), pp. 3-7, 2015. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print).
Abstract: The question of predicting the formation of chemical compounds in the cutting zone. Investigated the possible formation of oxides and nitrides on the surface of cutting tools with wear-resistant coatings.
Key words: Coating, turning, tool wear, cutting temperature.
About authors:
AIDARBEKOV, Airat Minnetdinovich, head of division inside regime . Chartered engineer machines and technology of pressure metal treatment (USATU, 2006). Area of research in the field of wear resistance of die tooling.
MIGRANOV, Mars Sharifullovich, professor, head of the department of bases of constructing of mechanisms and machines of USATU. Dipl. engineer-mechanic (UAI, 1987). Area of research in the field of tribo-logy, the wear resistance of the cutting tool and improve the efficiency of the blade machining process.
MUHAMADEEV, Vener Rifkatovich, senior lecturer of the department of bases of constructing of mechanisms and machines of USATU. Mag.-ing. (USATU, 2007). Area of research in the field of wear resistance of the cutting tool.
