CC BY
8УДК 621.91.01
Х.И. Ахмедов, А.А. Жумаев, Ш.К. Расулов, С.С. Якубова, М.Х. Исломова
СТРУКТУРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИСПОСАБЛИВАЕМОСТИ КОНТАКТНЫХ СЛОЕВ ИНСТРУМЕНТА ПРИ РЕЗАНИИ
В данной статьи рассмотрение кинетика изменения вторичных структур на поверхностях трения при резании и установлено, что высокая стойкость предварительно приработанного режущего инструмента обеспечивается за счет устранения начального неустановившегося процесса изнашивания и более низкой скорости изнашивания установившегося периода.
Ключевые слова: дислокационные взаимодействия, субмикрострук-турных ансамблей, стабилизация, предварительной приработки, фрикционной пары, ионной имплантации, радиационных дефектов.
Структурная приспосабливаемость контактных поверхностей инструмента является следствием поглощения или выделения поверхностными связями инструмента упругой внутренней энергии. Энергетической характеристикой структурного состояния контактной поверхности инструмента может служить величина химического потенциала. Если процесс поглощения упругой внутренней энергии реализуется за счет пластической деформации, что энергетические затраты на образование линейных дефектов кристаллического строения (дислокаций) можно определить по формуле (1).
р=108 • 3 Ро8 (1)
Однако образовавшиеся дефекты в дальнейшем вступают в дислокационные взаимодействия, связанные с их частичной аннигиляцией, выходом их на поверхность и образованием субмикроструктурных ансамблей [1]. Поэтому конечную величину поглощенной внутренней энергии в удельном выражении необходимо определять по формуле
SU G ■ Ь2(1 - v cos2«) ( 1 ^
bjp у
и =-=-p ■ ln
SM 4пу{1 -v)
(2)
где G - модуль сдвига; v - коэффициент Пуассона; а - угол между векторам Брюгерса и осью дислокации; р - плотность дислокаций; в - вектор Бюргерса; у - плотность материала.
Численные значения величины химического потенциала реальных структур закалённой быстрорежущей стали Р6М5 составляют ц = (3,0 ... 4,67) кДж/кг.
Раннее выполненными экспериментальными исследованиями [2] было показано, что интенсивность износа быстрорежущего инструмента связана с величиной плотности дислокации гиперболической зависимостью типа.
dM C
со =-=--(3)
dt рт
где С - const; m ~ 1,154.1,182
т.е. величина m близка к единице. Поэтому при анализе микроструктурных процессов величину химического потенциала его удобно заменять плотностью дислокаций. Кроме того, известно, что для многих конструкционных сталей проявляется линейная зависимость между плотностью дислокаций и микротвердостью [3, 4]. Следовательно, между химическим потенциалом структуры ее плотностью дислокаций и микротвердостью имеет место прямая пропорциональная зависимость, близкая к линейной.
© Ахмедов Х.И., Жумаев А.А., Расулов Ш.К., Якубова С.С., Исломова М.Х., 2015.
Действительно, начальная контактная температура резания может достигать больших величин, связи с тем, что в этот момент зона
распространения тепла охватывает лишь узкий контактный слой.
Затем по мере формирования стационарного температурного поля и расширения зоны распространения тепла происходит снижение и стабилизация контактной температуры.
ДрЮ11, см-2
15 10 5 0
-5 -1 0
Рис.1. Приращение плотности дислокаций в контактных слоях резца из Р6М5 при точении стали 40Х
(8=0,2 мм/об; г= 0,5 мм).
1 - У=0,583 м/с; 2 - У=0,533 м/с; 3 - У=0,533 м/с после приработки на У=0,583 м/с.
На рис. 2. представлены кривая износа резца на режимах соответствующих экспериментам по исследованию кинетики дислокационных структур. Анализируя рис. 1 и 2, четко просматривается связь износостойкости с плотностью дислокаций.
Действительно снижение плотности дислокаций рабочей поверхности резца при выходе в зону установившегося износа составило при обычном резании Др = - 7,5 • 1011, см2, а интенсивность износа при этом достигла 1=2,5 •Ю-2 мм/мин. При эксплуатации приработанного инструмента увеличение плотности дислокаций достигло Др = 14,5 • 1011, см-2 и интенсивность износа снизилась соответственна до I = 1,740-2 мм/мин. Следовательно оптимальные режимы предварительной приработки должны соответствовать условию формирования вторичных контактных структур с повышенной плотностью дислокаций. Однако высокая плотность дислокаций недостаточна для повышения износостойкости материала. Другим условием, как отмечалось выше, является формирование термически устойчивых дислокации, способных сохранять свою структуру на высоких температурах резания. Известно, что одна и тоже структура может по-разному проявлять себя на разных в температурном отношении режимах, а это в свою очередь означает, что нет оптимальных режимов предварительной приработки единых для всех условий эксплуатации, как инструмента, так и фрикционной пары.
Ь, мм 0.8
0,6 0,4 0,2
0 10 20 30 40 т мин
Рис. 2. Износ резца из Р6М5 при точении стали 40Х на V = 0,833 м/с; 8 = 0,2 мм/об; 1 = 0,5 мм: 1 - обычное резание; 2 - после приработки на V=0,583 м/с.
/ 1 2
□ ^^^^ о ^^^^
□ ^Г
Формирование вторичных структур при приработке инструмента на оптимальных режимах адекватно приложению к нему упрочняющей технологии. Поэтому поведение приработанного инструмента при эксплуатации аналогично поведению инструмента прошедшего упрочняющую технологию.
Всё многообразие технологических приемов упрочнения и предварительной приработки с энергетической точки зрения можно свести к представлению о формировании на рабочих поверхностях инструмента контактных слоёв с повышенным значением химического потенциала, хотя в структурном отношении они могут иметь большие различие между собой. Так, при поверхностно-пластическом деформировании измененные поверхностные слои представляют структуры с повышенной плотностью дислокаций [5]. При ионной имплантации образуется структура с высокой плотность радиационных дефектов кристаллического строения, преимущественно вакансий и внедрений. Характер распределения легирующих элементов в сформированной структуре близок к диффузионному типу [6]. При нанесении износостойких покрытий на поверхности инструмента появляется плёнка с переходным слоем и разной степенью стехиометрического отличия от основного инструментального материала в кристаллографическом, химико-физическом и структурном отношении [7]. Каждый тип упрочненной поверхностной структуры характеризуется своим градиентным соотношением химического потенциала и толщиной измененного слоя, включая переходный, которые могут меняться в широких пределах. В процессе предварительной приработки в поверхностных слоях инструмента происходят практически все процессы, присущие упрочняющим технологическим воздействиям. Действительно, фрикционная пластическая деформация при резании не отличается от ППД, образование пленочных структур подобно нанесению износостойких покрытий, а восходящая диффузия легирующих компонентов к поверхности формирует структуру близкую к структуре, полученной химико-термической обработкой.
Исходя из характера распределения микротвердости, можно предположить, что распределение химического потенциала в поверхностных слоях инструмента после приработки будет носить гиперболический вид, при этом максимум может располагаться на поверхности или на незначительной глубине от нее. Гипотетические кривые распределения химического потенциала представлены на рис. 3.
,,3
-2
ч \\
ч
— - 1 -ri »
hm hyup h, мкм
Рис. 3. Эпюра распределения химического потенциала в поверхностных слоях инструмента: 1 - после заточки; 2, 3 - после предварительной приработки.
Кривая 1 представляет распределение химического потенциала после стандартной термообработки инструмента и заточки. Повышенное значение химического потенциала на поверхности является результатом пластических деформаций и микроструктурных изменений, вызванных заточкой. Распределение вида 2 характерно, если в процессе предварительной приработки доминируют процессы деформационного упрочнения, при этом температура резания не превышает температуру рекристаллизации. Кривая 3 характерна, если в процессе предварительной приработки помимо деформационного упрочнения происходят термодиффузия легирующих элементов и термическое разупрочнение, охватывающих относительно тонкие поверхностные слои, температура которых превышает температуру рекристаллизации. Учитывая, что инструментальные материалы, в частности быстрорежущие стали, являются сложно легированными сплавами, наиболее вероятным вариантом формирования эпюры химического потенциала после приработки является третий тип.
Снижение химического потенциала вблизи поверхностного слоя на глубине Ит (кривая 3, рис. 3) возможно также за счет эффекта «притяжения» дислокаций поверхностью. Природа этих сил связана с искажением упругого поля дислокаций свободной поверхностью. Удельная сила «притяжения» на единичную длину дислокации может быть рассчитана по формуле
Ob2 1
p =-T~r,-Г- (4)
r
4ж(1 -p)
где г - расстояние до свободной поверхности. Глубину ^ можно определить
к - °Ъ т 4ж(\
где Gf - напряжение трения дислокаций (в расчетах можно принять как напряжение Пайерлса-Набарро).
Плотность дислокаций поверхностного слоя и глубину упрочнения можно вычислить по экспериментально-теоретическим зависимостям [4].
р(0) = f ■ (0,06 + 0,192гэ)(а2 -(6)
h = - ■ ln
упр
g
( \ а
\*0,2 у
(7)
где g - относительное содержание упрочняющих фаз в сплаве; тэ - время деформационного процесса; с - нормальное напряжение; с0,2 - условный предел текучести.
Из (4) и (5) вытекает, что с повышением концентрации упрочняющих фаз глубина упрочненного слоя понижается, но возрастает градиент плотности дислокаций, а это в свою очередь означает повышение диссипативной способности структуры.
Развитие вторичных структур на рабочих поверхностях инструмента в процессе приработки реализуется на базе исходной, сформированной за счет стандартной термообработки и заточки. Общая глубина измененного слоя будет складываться из глубины, образованной при заточке и наложенной на нее глубины слоя за счет приработки. Следовательно, общая глубина измененного слоя после приработки незначительно отличается от исходной структуры, но градиент химического потенциала при этом существенно превышает исходный.
Интенсивность износа обратно пропорциональна величине химического потенциала[8]. С учетом этого на рис. 4 приведены гипотетические кривые скорости массового износа, соответствующие эпюрам химического потенциала, приведенным на рис. 3.
Инструмент, прошедший предварительную приработку, при эксплуатации подвергается вторичной приработке на рабочих режимах, но этот процесс идет значительно быстрее в связи с тем, что структура после предварительной приработке имеет более высокий химический потенциал по сравнению с исходной. Следовательно, период неустановившегося изнашивания предварительно приработанного инструмента будет значительно меньше по сравнению с неприработанным. Скорость установившегося изнашивания не приработанного инструмента будет принимать более высокие значения но сравнению с инструментом, прошедшим предварительную приработку.
На рис. 5 приведены кривые накопления радиального износа при эксплуатации обычного и предварительно приработанного инструмента, из которого прослеживается, что повышение стойкости после предварительной приработки обеспечивается за счет отсутствия приработочного износа, более короткого периода остановившегося изнашивания и более низкой скорости установившегося изнашивания.
ю,
(Dl.уст
Ю2,3.уст
т1.по т
Рис. 4. Гипотетические кривые скорости массового износа приработанного инструмента
Повышение стойкости инструмента после предварительной приработки можно оценить по следующей приближенной формуле
h
^J1 ^ доп
а
Коп Кпр
-Т„
а
(8)
где hдOП _ допустимая величина радиального износа; hпр - величина приработочного затупления обычного инструмента; тпр - период неустановившегося износа обычного инструмента; ю0 и Ю! - скорость радиального изнашивания обычного и предварительно приработанного инструмента.
Эффект повышения стойкости в результате предварительной приработки можно оценить
T_
T
^ л
а
а
P Po
(9)
где р0 и р! - плотность дислокаций вторичных структур обычного и предварительно приработанного инструмента.
IV
i—-- дт -—
ь-
Тисх ТприрзБ Т, МИН
Рис. 5. Кривые накопления радиального износа инструмента: 1 - без предварительной приработки; 2 - после предварительной приработки
Определенный эффект повышения стойкости инструмента обеспечивается за счет оптимизации геометрии режущего клина в результате образования небольшой фаски износа на задней и лунки на передней поверхностях. Оптимизация геометрии режущего клина за счет приработки только устраняет начальный период повышенного изнашивания, но не снижает скорости изнашивания в установившемся периоде. Это явление подробно исследовано в работах [9, 10].
Развитие вторичных контактных структур на рабочих поверхностях инструмента со структурно -энергетической точки зрения можно рассматривать как процесс формирования структур с повышенной величиной химического потенциала.
Уточнен дислокационный механизм функционирования диссипативных структур при трении и изнашивании поверхности и экспериментально показано наличие режимов резания, при которых плотность дислокаций вторичных структур на рабочих поверхностях инструмента значительно превышает исходную.
Установлено, что одна и та же плотность дислокаций, полученная на различных режимах резания и при обработке различных материалов, обладает разной износостойкостью, но общая тенденция повышения износостойкости с увеличением плотности дислокаций проявляется устойчиво.
Рассмотрена кинетика изменения вторичных структур на поверхностях трения при резании и установлено, что высокая стойкость предварительно приработанного режущего инструмента обеспечивается за счет устранения начального неустановившегося процесса изнашивания и более низкой скорости изнашивания установившегося периода.
Библиографический список:
1. Новиков И.И., Розин К.М. Кристаллография и дефекты кристаллического строения. - М.: Металлургия, 1990. 336 с.
2. Ким В.А. Самоорганизация в процессах упрочнения, трения и изнашивания режущего инструмента. - Владивосток: Дальнаука, 2001. 203 с.
3. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов. - М.: Машиностроение, 1979. 160 с.
4. Старков В.К. Технологические методы повышения надежности обработки на станках с ЧПУ. - М.: Машиностроение, 1984. 120 с.
5. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Деформация и разрушение. - М.: Машиностроение, 1974.
472 с.
6. Барвинок В.А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. - М.: Машиностроение, 1990. 384 с.
7. Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1986. 192 с.
8. Ким В.А., Якубов Ф.Я. Гипотеза термодинамического механизма износа. Сб. «Технология прогрессивной механической обработки и сборки». Выпуск №323. Ташкент, 1981. с 25...34.
9. Макаров А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов. - М.: Машиностроение, 1966, 264 с.
10.Макаров А.Д. Оптимизация процесса резания. - М.: Машиностроение, 1976. 278 с.
АХМЕДОВ Хасан Исломович - зав. кафедры «Технология машиностроения и автоматизация машиностроительных производств», Навоийский государственный горный институт (Узбекистан).
ЖУМАЕВ Ахмаджон Абдувохидович - магистрант кафедры «Технология машиностроения и автоматизация машиностроительных производств», преподаватель Навоийского колледжа, Навоийский государственный горный институт (Узбекистан).
РАСУЛОВ Шухрат Косимович - магистрант кафедры «Технология машиностроения и автоматизация машиностроительных производств», Навоийский государственный горный институт, (Узбекистан).
ЯКУБОВА Сарвиноз Собировна - магистрант кафедры «Технология машиностроения и автоматизация машиностроительных производств», Навоийский государственный горный институт (Узбекистан).
ИСЛОМОВА Мохичехра Хасановна - студент кафедры «Технология машиностроения и автоматизация машиностроительных производств», Навоийский государственный горный институт (Узбекистан).
