Тепловое состояние керамических режущих инструментов при высокоскоростной обработке резанием

Представлена методика исследования теплового состояния керамических режущих инструментов в условиях высокоско­ростной обработки резанием. Изучено влияние теплофизических свойств керамических материалов и режимов резания на температурные поля, градиенты и напряжения в керамических режущих инструментах. Разработан критерий оценки надеж­ности керамических инструментов при высокоскоростной об­работке резанием.

При высокоскоростной обработке резанием керами­ческие режущие инструменты (РИ) находятся под дей­ствием критических температурных нагрузок. Высокие температуры на контактных площадках РИ, неравномерный нагрев его внутренних объемов и присутствие в зоне резания практически расплавленного обрабаты­ваемого материала предъявляют особые требования к термостойкости инструментальной керамики.

В настоящее время накоплен значительный научно-практический опыт в изготовлении деталей из термо­стойких керамических материалов. Выявлены закономерности разрушения различных керамических мате­риалов при температурах свыше 1000ºС, разработаны критерии прогнозирования, учитывающие сложный ха­рактер распространения теплоты при нагреве и охлаж­дении, а также методы экспериментальной оценки высо­котемпературного ресурса керамических изделий. Однако эти методики и результаты исследований не на­шли применения при разработке режущей керамики из-за отсутствия экспериментальных и расчетных дан­ных по тепловому состоянию керамических РИ. Оче­видно, что для создания режущей керамики нового по­коления необходимо исследовать особенности теплово­го состояния РИ из разных керамических материалов и выявить влияние теплового фактора на их работоспо­собность.

Цель работы - разработка методики исследования теплового состояния керамических РИ и выявление влияния теплового фактора на характер разрушения их контактных площадок при непрерывном точении серо­го чугуна в широком диапазоне режимов резания.

Измерение температур в керамических РИ является достаточно сложной задачей, так как традиционные ме­тоды температурных исследований в этом случае имеют многочисленные ограничения. Для исследования кера­мических РИ не пригодны методы естественной и полуискусственной термопары, а использование искусст­венной термопары значительно затрудняет эксперимент. Применение оптических пирометров крайне неэффективно из-за слишком усредненных фиксируемых температур. Поэтому для исследования теплового состояния керамических РИ использовали метод многопозиционных термоиндикаторных веществ (МТИВ), который хорошо зарекомендовал себя при температурных исследованиях РИ из быстрорежущих сталей и твердых сплавов. Усовершенствованная методика позволяет определять температурное поле, температуру в главной секущей плоскости, рассчитывать температурные градиенты и термические напряжения РИ.

Методика предусматривает использование специальных разрезных резцов и МТИВ марки ТХИ-53 с шестью цветовыми переходами (ЦП), которые возникают из-за многостадийных химических реакций разложения и кристаллизации аморфных компонентов. Каждый ЦП ТХИ-53 появляется при определенной температуре в результате соответствующей химической реакции, приводящей к необратимому изменению первоначального цвета. Измерение координат ЦП позволяет фиксировать температуру и строить температурные поля любой нагретой поверхности РИ.

Разрезной резец (рис.18,а) состоял из двух составных частей (I и II), контакт которых при сборке происходил в главной секущей плоскости. Контактирующие поверхности 1 составных частей резца притирали до параметра шероховатости Ra = 0,04 мкм, что исключало попадание

Рис. 4.4. Общий вид разрезного резца (а) для тепловых исследований и температурное поле (б) его режущей части.

обрабатываемого материала в разъем между ними. На рабочих поверхностях (передней 2, главной задней 3 и вспомогательной задней 4) резца вышлифовывали лунки глубиной 0,08÷0,1 мм, которые ориентировали на точку пересечения главной секущей плоскости с главной режущей кромкой и не доводили до контактных площадок. На одной из контактирующих поверхностей резца (в главной секущей плоскости) вышлифовывали три лунки под углами 15 (луч 1), 45 (луч 2) и 75° (луч 3) к передней поверхности, ориентированные на главную режущую кромку. Эти лунки не доводили до рабочих поверхностей РИ на расстояние 0,1÷0,3 мм. После нанесения равномерного слоя ТХИ-53 на лунки резца осуществляли его сборку.

Составные части I и II с отверстиями фиксировали винтовым соединением, а без отверстий закрепляли в переходной вставке с помощью двух прихватов (сверху и сбоку), причем прихват сверху осуществляли с помощью пластины толщиной 2,5 мм, изготовленной из того же материала, что и разрезной резец. На собранном резце окончательно доводили все рабочие поверхности и формировали упрочняющую фаску (f_ф = 0,1 мм и γ_ф = 10°) с использованием алмазных брусков и специального приспособления, что исключало искажение геометрических параметров резца и появление сколов на его режущей кромке при резании.

Собранный резец с нанесенным слоем ТХИ-53 на лунки, расположенные на его рабочих поверхностях, устанавливали в соответствующую державку, которая обеспечивала следующую геометрию РИ: γ = - 7°, α = 7°, φ = 45°, φ₁ = 5° и r = 0,8 мм. После резания в течение τ = 30 с (во всех экспериментах это время было одинаковым) резец разбирали, измеряли координаты ЦП в каждой лунке относительно передней (ось X) и главной задней (ось Y) поверхностей резца на микроскопе БМИ-2Ц и строили его температурное поле (рис.1,б) или температурное поле главной секущей плоскости резца.

Тепловое состояние РИ из нитридно-кремниевой РКС 22 и оксидно-карбидной ВОК 71 керамик исследовали на станке мод. 16К20 при непрерывном точении серого чугуна СЧ32 (200÷220 НВ) на следующих режимах резания: V = 300÷1000 м/мин, S = 0,075÷0,8 мм/об и t = 2 мм. Разъем сборного резца при этой глубине резания был расположен в центральной части его контактных площадок, в так называемом опасном сечении, где наблюдаются максимальные температуры. Эксперименты на каждом режиме резания дублировали не менее 3 раз, а для обработки их результатов использовали статистические методы, что позволило повысить точность и надежность температурных исследований.

Одновременно с температурными исследованиями проводили испытания на стойкость РИ из ВОК 71 и РКС 22, что позволяло анализировать влияние температурного фактора на их работоспособность. Средняя стойкость в этих условиях эксплуатации составляла Т = 1,5÷160 мин (табл.4.3). Анализ данных стойкостных испытаний показал существенное влияние режимов резания на работоспособность керамических РИ и более высокие эксплуатационные показатели РИ из РКС 22 по сравнению с РИ из ВОК 71 во всем диапазоне режимов резания. Наибольшая разница средней стойкости этих РИ зафиксирована на самых интенсивных режимах резания, например, при высокоскоростном точении с V = 1000 м/мин средняя стойкость РИ из РКС 22 превышает Т РИ из ВОК 71 в 1,3÷2,1 раза, причем с увеличением подачи разница увеличивается. Только РИ из РКС 22 из всех исследованных инструментов обеспечивают обработку чугуна СЧ32 с S = 0,8 мм/об при V = 1000 м/мин без разрушения режущей части инструмента. Такие эксплуатационные показатели РИ из РКС 22 и ВОК 71 означают, что две режущие керамики с практически одинаковыми значениями прочности и твердости по-разному воспринимают термические нагрузки.

Табл. 4.3

Подача S, мм/об	Средняя стойкость Т, мин, при скорости V резания, м/мин
0.075 0.15 0.5 0.8	147/157 95.5/107 51.9/56.6 - /41	57.8/63 31.9/29.8 14.1/21.8 - /11.9	18.3/20.5 7.7/12.4 3.18/6.2 - /2.9	9.8/12.7 4.8/7.2 1.4/3.4 - /1.5
П р и м е ч а н и е. В числителе приведены данные дляВОК 71, а в знаменателе – для РКС 22.

Существенные различия в тепловом состоянии РИ из ВОК 71 и РКС 22 установлены в результате исследования влияния скорости V резания (S = 0,5 мм/об и t = 2 мм) на распределение температур в главной секущей плоскости при точении серого чугуна СЧ32 (рис.4.4). Сравнение температурных полей РИ из ВОК 71 и РКС 22 показало, что изотермы 1÷5, фиксирующие соответственно температуры 410, 455, 585, 635 и 880 К, во всех случаях имеют вид концентрических окружностей с центром в точке 0 пересечения главной секущей плоскости и главной режущей кромки. При точении cv> 500 м/мин фиксировали шестой ЦП, при этом изотерма 6 (1125 К) также описывается концентрической окружностью с центром в точке 0, что означает расположение точки с максимальной температурой на главной режущей кромке.

Вместе с тем при черновом точении (V<500 м/мин и S>0,8 мм/об) изотерма 6 несколько вытягивается вдоль передней поверхности, что свидетельствует о смещении источника теплоты и точки с максимальной температурой на переднюю поверхность резца (на рис.4.5 не показано). Однако при V > 500 м/мин и S = 0,8 мм/об аналогичных эффектов не наблюдали, что может быть связано с уменьшением длины контактной площадки на передней поверхности РИ с увеличением V.

Увеличение скорости и резания не изменяет вид изотерм РИ из ВОК71 и РКС22, но увеличивает расстояние L_j от каждой изотермы до точки 0 (см. рис.4.5). Большая удаленность всех изотерм от точки 0 РИ из РКС22 по сравнению с расположением изотерм РИ из ВОК 71 сохраняется до V = 1000 м/мин. Очевидно, это связано с различной теплопроводностью этих инструментальных материалов (у РКС 22 она на 25% больше, чем у ВОК 71).

Рис. 4.5. Температурные поля РИ из ВОК 71 (а) и РКС 22 (б) при продольном точении чугуна СЧ32 с S = 0,5 мм/об и t = 2 мм.

Для количественной оценки теплового состояния РИ из ВОК 71 и РКС 22 использовали две характерные точки в главной секущей плоскости: точку 0 с температурой θ_max и точку 1 с координатами (1; 1 мм) и температурой θ₁. Правомерность такого подхода связана с тем, что во всех случаях центры концентрических окружностей, описывающих изотермы, располагались в точке 0. Для определения температур θ_max и θ₁ использовали зависимости θ = f(L),которые строили по координатам ЦП на лучах 1÷З в главной секущей плоскости. В качестве примера на рис.4.6,а представлены зависимости θ = f(L)для РИ из РКС 22 и ВОК 71 по лучу 2 (45°) при точении с V = 750 м/мин, S = 0,5 мм/об и t = 2 мм, которые наглядно подтверждают разницу в их тепловом состоянии.

Зависимости θ = f(L) с высокой достоверностью аппроксимируются экспоненциальной функцией

θ = Ce^-bL, (1)

где C и b — коэффициенты.

Рис. 4.6. Влияние расстояния L от изотермы до режущей кромки на температуру Θ (a), температурные градиенты ΔΘ (б) и термические напряжения Δσ (в) РИ из ВОК 71 (1) и РКС 22 (2) при продольном точении чугуна СЧ32.

Температуру θ₁ рассчитывали по формуле (1), θ_max определяли ее экстраполяцией на ось θ. Из рис.4.6, а и данных, приведенных в табл.4.4, видно, что температуры θ_max и θ₁ РИ из РКС 22 превышают θ_max и θ₁ РИ из ВОК 71.

Табл. 4.4

Материал режущего инструмента	Значения температур θ1/θmax, К, при V, м/мин
ВОК 71 РКС 22	670/973 740/1046	735/1097 790/1138	820/1233 880/1254	890/1345 920/1348	915/1398 950/1424

Разница значений θ_max и θ₁ для РИ из РКС22 и ВОК71 несколько уменьшается с увеличением V до 1000 м/мин. Полученные значения θ_max сравнивали с данными, характеризующими высокотемпературную прочность РКС22. Результаты исследования прочности образцов при температуре 20÷1500°С показали, что зависимость предела σ_изг прочности на изгиб для РКС 22 от температуры имеет три характерных участка. На первом участке (20÷1000°С) значения σ_изг снижаются с 790 до 745 МПа, на втором участке (1000÷1250°С) уменьшаются до σ_изг = 510 МПа, а на третьем участке наблюдается катастрофическое падение σ_изг и при 1500ºС значение σ_изг < 200 МПа.

Каждому температурному участку этой зависимости соответствует определенный механизм разрушения керамических материалов. На первом участке происходит хрупкое разрушение керамики, на втором - разрушение контролируется пластическим течением материала, а при высоких температурах (третий участок) разрушение керамики происходит после ее значительной деформации. Таким образом, при высокоскоростном точении чугуна СЧ32 (V > 750 м/мин) высокие значения θ_max РИ из РКС22 приводят к разупрочнению и разрушению поверхностных слоев РКС 22 на контактных площадках РИ по механизму, сочетающему полухрупкий и хрупкий характеры разрушения соответственно поверхностных и подповерхностных слоев. Развитие микротрещины в этих условиях носит сложный и неоднозначный характер и при определенном сочетании внутренних и внешних факторов за этапом быстрого ее развития могут последовать торможение и остановка.

Известно, что температурному полю РИ соответствует векторное поле температурного градиента, характеризующее неравномерность распределения температур и определяющее появление термических напряжений по объему РИ. Поэтому температурные градиенты Δθ также являются важной характеристикой теплового состояния керамических РИ, способной ускорять или тормозить рост микротрещины.

Значения Δθ рассчитывали для точек, расположенных в главной секущей плоскости между соседними изотермами, по формуле Δθ_i = θ_Δi / ΔL_i, где θ_Δi - разница температур между соседними изотермами, ΔL_i - расстояние между соседними изотермами. На рис.4.6,б представлены расчетные значения Δθ РИ из РКС 22 и ВОК 71, полученные по центральной оси в главной секущей плоскости. Эти зависимости с высокой достоверностью аппроксимируются экспоненциальной функцией Δθ = Ge^-dL, где G и d - коэффициенты. Очевидно, что значение G можно считать максимальной величиной Δθ_max РИ, которая формируется в инструментальном материале в непосредственной близости от точки 0 РИ. В табл.4.5 представлены значения Δθ_max РИ из ВОК 71 и РКС 22 при различных скоростях V резания (S = 0,5 мм/об, t = 2 мм).

Табл. 4.5

Материал режущего инструмента	Значения температурных градиентов Δθmax, К/мм, при скорости V резания, м/мин
ВОК 71 РКС 22

Анализ температурных градиентов в главной секущей плоскости РИ из РКС 22 и ВОК 71 показал, что расчетные температурные градиенты находятся соответственно в пределах 180÷380 и 200÷440 К/мм, Δθ_max РИ из РКС 22 имеют значительно меньшие значения, чем Δθ_max РИ из ВОК 71, и при V = 750 м/мин, S = 0,5 мм/об и t = 2 мм составляют соответственно Δθ_max = 587 и 662 К/мм. Под действием этих градиентов происходит расширение или сжатие соседних слоев керамического материала и формируется соответствующий градиент деформации, который зависит от разности температур этих слоев и температурного коэффициента линейного расширения. Одновременно с этим в РИ возникают термические напряжения, которые считаются наиболее опасными для керамических материалов.

Термические напряжения Δσ рассчитывали по формуле Δσ = Еаθ_Δ, где Е - модуль упругости инструментального материала, а - температурный коэффициент линейного расширения. Из рис.20, в видна существенная разница в тепловой напряженности РИ из РКС 22 и ВОК 71. Термические напряжения Δσ РИ из ВОК 71 на расстоянии L = 3 и 1 мм от режущей кромки превышали соответственно в 2,5 и 3 раза Δσ РИ из РКС 22.

На рис.4.7 приведены зависимости температуры θ_max, температурных градиентов Δθ_max и термических напряжений Δσ_max РИ из РКС 22 и ВОК 71 от скорости V резания при S = 0,5 мм/об и t = 2 мм. Установлено, что с увеличением скорости и резания разница θ_max для РИ из РКС 22 и ВОК 71 несколько уменьшается, разница Δθ_max и Δσ_max увеличивается. Полученные результаты исследования относятся к режиму работы РИ из РКС 22 и ВОК 71 в условиях установившегося теплообмена в системе деталь-стружка-РИ-окружающая среда. Однако для создания полной картины теплового состояния РИ при высокоскоростном точении необходимо рассмотреть их поведение при быстром нагреве и охлаждении со значительным перепадом температур (условия термоудара). Это очень важно для всех керамических РИ, так как при термоударе появляются термические напряжения, часто приводящие к непрогнозируемому их разрушению. Для многокомпонентных керамических материалов такие термические напряжения приобретают особое значение из-за различия механических и теплофизических свойств их структурных составляющих. В этой связи исследовали влияние термоциклических нагрузок на эксплуатационные показатели РИ из РКС 22 и ВОК 71.

Рис. 4.7. Влияние скорости V резания на температуру θ_max (а), температурные градиенты Δθ_max (б) и температурные напряжения Δσ_max (в) РИ из ВОК 71 (1) и РКС 22 (2) при продольном точении чугуна СЧ32.

Термостойкость керамик РКС 22 и ВОК 71 оценивали по числу термоциклов до появления микротрещин на многогранных неперетачиваемых пластинах с размерами 16×16×8 мм. Пластины помещали в печь, нагретую до температуры 1200°С, выдерживали в течение 60 с, а затем охлаждали на воздухе или в воде. После каждых 25 термических циклов проводили визуальный контроль пластин на оптическом микроскопе БМИ-2Ц, так как термический цикл приводит к появлению и увеличению длины микротрещин, а способность керамики тормозить рост трещин характеризует ее термостойкость.

Установлено, что термостойкость РКС 22 превышает 1000 циклов при охлаждении на воздухе и 150 циклов при охлаждении в воде, что значительно выше аналогичных показателей для ВОК 71. Очевидно, что это связано с благоприятным сочетанием механических и теплофизических свойств (предел прочности при изгибе, модуль упругости, теплопроводность, теплоемкость и температурный коэффициент линейного расширения), а также со способностью РКС 22 тормозить рост трещины на этапе ее докритического развития. Этому способствует плотная структура режущей керамики РКС 22, состоящей из зерен размером 0,5÷2 мкм и равномерно распределенной межзеренной фазы (рис.4.8). Разветвленный рельеф излома свидетельствует о торможении микротрещин в межзеренной фазе, которая сформирована оксидами иттрия и алюминия.

Рис. 4.8. Микроструктура керамики РКС 22.

Последствия влияния термоциклических нагрузок на работоспособность РИ из РКС 22 и ВОК 71 изучали при точении чугуна СЧ32 при V = 500 и 750 м/мин, S = 0,5 мм/об и t = 1 мм. После определенного числа термоциклов пластины испытывали на стойкость. Крепление пластин в державке обеспечивало следующую геометрию РИ: γ = -7°, α = 7°, φ = φ₁ = 45°, r = 0,8 мм, f_ф = 0,2 мм и γ_ф = 20°. Характер затупления и разрушения РИ исследовали после стравливания налипов обрабатываемого материала на электронно-сканирующем микроскопе. В качестве критерия затупления инструмента использовали износ задней поверхности h₃ = 0,5 мм.

Анализ результатов этих исследований позволяет сделать вывод о сложном влиянии термоциклических нагрузок на среднюю стойкость РИ из РКС 22 и ВОК 71 (табл.4.6). После 50 термоциклов средняя стойкость РИ несколько повышалась, что можно объяснить залечиванием внутренних и поверхностных дефектов в керамических материалах, а также снятием напряжений, появившихся при изготовлении РИ.

Средняя стойкость РИ из РКС 22 и ВОК 71 после 100 термических циклов несколько снижается, а при дальнейшем увеличении числа термоциклов она снижается более интенсивно. После 500 термоциклов РИ из ВОК71 оказывались неработоспособными, а РИ из РКС22 сохраняли достаточно высокие эксплуатационные показатели. После 1000 термоциклов РИ из РКС22 оставался работоспособным при точении с V = 500 м/мин, а в условиях повышенных термических напряжений (V = 750 м/мин) наблюдался катастрофический износ по задней поверхности РИ в начале резания.

Результаты исследования очагов износа РИ из РКС 22 и ВОК 71, прошедших предварительную термоциклическую нагрузку, показали, что разрушение контактных площадок РИ, как правило, начинается с дефектов структуры, которые являются концентраторами напряжений. Дополнительное воздействие растягивающих термических напряжений активизирует рост микротрещин и приводит к локальным разрушениям керамики на контактных площадках РИ.

Табл. 4.6

Число термоциклов	Средняя стойкость Т, мин, при V м/мин
0 (исходное состояние)	14,1/21,8 14,4/24,7 13,2/22,5 5,1/14,9 - /10,5	3,1/6,2 3,1/6,6 2,3/5,5 0,7/4,3 - /0,5
П р и м е ч а н и е. В числителе приведены данные для ВОК 71, а в знаменателе – для РКС 22.

Выводы

1. Разработана методика температурных исследований керамических РИ, позволяющая определять температурное поле, температуру в главной секущей плоскости, а также рассчитывать температурные градиенты и термические напряжения РИ.

2. Исследовано влияние режимов резания на тепловое состояние керамических РИ при точении чугуна СЧ32.

3. Выявлено влияние температурных градиентов и термических напряжений на характер разрушения контактных площадок РИ из РКС 22 и ВОК 71 при высокоскоростном точении чугуна СЧ32 в широком диапазоне режимов резания.

Дата добавления: 2015-06-28