Исследование процесса резания твердосплавными пластинами с нанесенными диффузионными покрытиями

УДК 621.793.3

 

Исследование процесса резания твердосплавными пластинами с нанесенными диффузионными  покрытиями.

Долгих А.М., Круглик В.А.

В работе исследован процесс  резания инструментами с покрытиями различного состава, нанесенными методом  химико-термической обработки. С  помощью метода математического  планирования эксперимента получены уравнения, отражающие зависимость исследуемых  факторов от параметров процесса резания. На основании результатов экспериментов  выявлено влияние параметров процесса резания на инструмент с покрытием и без покрытия.

Введение.

В последнее время в металлообработке все большее применение находит  инструмент с нанесенными на него защитными покрытиями. Исследование особенностей процесса резания инструментов с покрытиями является актуальной задачей, решение которой позволит рационально его эксплуатировать.

В процессе химико-термической обработки  спеченных твердых сплавов происходит изменение химического состава  и структуры поверхностного слоя, возникают внутренние напряжения, что  оказывает определенное влияние  на качественные характеристики поверхности, механические и режущие свойства твердых сплавов.

Режущие инструменты, оснащенные спеченными твердыми сплавами, большей частью применяют  для обработки резанием чугунов, сталей и сплавов.

Методика замера коэффициентов  усадки стружки и составляющих  силы резания.

В процессе резания длинна образовавшейся стружки L₁ получается короче пути L, пройденного резцом по обработанной поверхности. Усадку стружки по длинне определяли одним из следующих способов:

Методом прямого измерения параметров стружки или корня стружки  с помощью микрометра и штангенциркуля. В соответствии с результатами замера, по формулам определяют усадку. Данный метод применим к сливной стружке.

Весовым методом.

Для этого используют соотношение:

 

 

 

где площадь поперечного сечения  стружки a₁b₁ определяется путем взвешивания стружки небольшой длины на аналитических весах с учетом того, что:

 

 

 

где: Q – вес стружки, г;

γ – удельный вес обрабатываемого материала, г/мм³.

Так как , то продольная усадка стружки рассчитывается по формуле:

 

 

 

Измерение составляющих сил резания производится с помощью динамометра УДМ, который представляет собой устройство с упругими элементами, упруго деформирующимися в направлении действия сил резания. Упругий элемент связан с датчиком деформации. С изменением силы резания изменяется деформация упругого элемента динамометра, вследствие чего датчик дает косвенную информацию о силе резания. Замер усилий в процессе резания осуществляют в милливольтах с последующим переводом их в ньютоны. Перевод осуществляли с помощью тарировочного графика.

Технология химико-термической  обработки инструмента.

Метод химико-термической обработки наиболее легко реализуется в лабораторных и промышленных условиях и дает значительное повышение стойкости твердосплавного инструмента.

Составы смесей (в % по массе) для диффузионного  насыщения твердосплавных пластин  из сплава Т15К6 приведены в таблице 1.

 

Таблица 1.

Составы насыщающих смесей.

Тип диффузионного слоя	Состав смеси (% по массе)
B	98%[40%Al2O3+60%(75%B2O3+25%Al)]+2%NH4Cl
Cr	98%[40%Al2O3+60%(75%Cr2O3+25%Al)]+2%NH4Cl
V	98%[40%Al2O3+60%(75%V2O5+25%Al)]+2%NH4Cl
Cr+V	98%{50%Al2O3+50%[70%(85%V2O5+15% Cr2O3+30%Al)]}+2%NH4Cl
Cr+V+Ti	98%{50%Al2O3+50%[70%(25%Cr2O3+50%TiO2+25%V2O5)+30%Al]}+2%NH4Cl

 

Компоненты смесей взвешивали, а  затем тщательно перемешивали. Поверхности  твердосплавных пластин перед упаковкой  обезжиривали ацетоном. На дно контейнера (рисунок 1.) насыпали активатор NH₄Cl, засыпали слой смеси толщиной 10-15 мм и укладывали ряд пластин. Расстояние между рядами 5-10 мм, до стенок контейнера 10 мм, над последним рядом пластин слой смеси 30-40 мм. Поверх смеси положили листовой асбест, затем слой песка (толщиной 10-15 мм). Для герметизации контейнера применяли плавкий затвор из борного ангидрида. При высокой температуре затвор расплавляется и предохраняет смесь и детали от окисления. Упакованные контейнеры поместили в печь, нагрели до температуры 1050°С и выдержали при этой температуре 4,5 часа. Заданную температуру в печи поддерживали с помощью автоматического электронного потенциометра. Термопару устанавливали вблизи стенок контейнера.

После проведения процесса диффузионного  насыщения производили разупаковку контейнеров. Твердосплавные пластинки очистили от остатков смеси и приготовили для дальнейших исследований. Внешний вид пластин после процесса химико-термической обработки показан на рисунке 2. Результаты замера геометрических параметров инструмента сведены в таблицу 2.

 

Таблица 2.

Результаты замера геометрических параметров инструмента.

Наименование углов	Главная режущая кромка		Вспомогательная режущая кромка
	обозначение	величина	обозначение	величина
Передний угол	γ	-8°	γ1	-12°
Задний угол	α	1°	α1	1,5°
Угол заострения	β	99°	β1	101,5°
Угол резания	δ	82°	δ1	80°
Угол в плане	φ	14°	φ1	33°
Угол при вершине	ε	166°	-	-

 

 

Рисунок 1. Схема упакованного контейнера для проведения процессов 

химико-термической обработки  в порошковых смесях под плавким  затвором:

1- корпус контейнера; 2-плавкий  затвор; 3-песок; 4-насыщающая смесь; 

5-активатор; 6-обрабатываемые  детали; 7-асбест листовой.

Рисунок 2. Внешний вид  твердосплавных пластин

после химико-термической  обработки. 

Математическое планирование эксперимента.

Независимые переменные x₁, x₂,…,x_n называются факторами, а числовые значения, которые могут быть заданы в процессе проведения экспериментов – уровнями. Функция “у” от независимых переменных образует поверхность отклика произвольной формы.

В наиболее общем случае зависимость  может быть представлена в виде многочлена степенного ряда:

 

 

 

 

где:- коэффициенты регрессии, К – число независимых переменных.

Для задач, связанных с изучением  процесса резания, можно ограничиться разложением до квадратичных членов. Тогда уравнение для расчета силы резания в логарифмической форме может быть записано как:

 

 

 

Это уравнение дает более точное приближение к реальному процессу, чем традиционное представление  степенной формулой вида:

 

 

 

Для удобства обобщения результатов и использования ЭВМ для расчетов необходимо кодировать переменные величины. Кодирование заключается в переходе к новым переменным, предельные значения которых находятся в области ±І. Отсчет удобнее вести от средних значений независимых переменных, которые запишутся в виде:

 

 

 

 

 

Кодированные переменные в этом случае запишутся в виде:

 

 

 

 

 

Переход к новым переменным ведет  к изменению числовых значений всех коэффициентов и выражение для  описания рассматриваемого нами процесса в закодированном виде запишется:

 

 

 

Дальнейшая задача сводится к экспериментальному определению коэффициентов регрессии b, оценке точности полученных результатов и выбору формы представления результатов: логарифмической или степенной.

В настоящее время получили распространение  методы полного и дробного факторного эксперимента.

Полным факторным экспериментом  называется такое планирование, при  котором для каждого фактора  выбирается определенное число уравнений, чаще всего два +I и –I, а затем реализуются все возможные комбинации этих уровней. Матрица полного факторного эксперимента на двух уровнях с тремя переменными факторами представлена в таблице 3.

 

Таблица 3.

Матрица планирования.

 

b0	b1	b2	b3	b12	b23	b13	b123	Кодовое обозначение	Вектор выхода
+	-	-	-	+	+	+	-	(І)	y1
+	+	-	-	-	+	-	+	a	y2
+	-	+	-	-	-	+	+	b	y3
+	+	+	-	+	-	-	-	ab	y4
+	-	-	+	+	-	-	+	c	y5
+	+	-	+	-	-	+	-	ac	y6
+	-	+	+	-	+	-	-	bc	y7
+	+	+	+	+	+	+	+	abc	y8

 

Если заведомо известно, что какие-то факторы ничтожно влияют друг на друга  или не влияют вовсе, то число опытов можно сократить, используя для  планирования дробные реплики от полного факторного эксперимента. Определение  коэффициентов регрессии сводится к определению среднего арифметического  по столбцам, а именно:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Описание результатов  замера деформации.

Результаты сравнительных испытаний  твердосплавных пластин Т15К6 с нанесенными  на них различного типа покрытиями представлены в таблице 3. И показывают следующее: коэффициент усадки стружки  по длине для пластин с покрытием  несколько меньше, чем для стандартных  пластин, что означает меньшую степень  деформации стружки. Это подтверждает общеизвестный эффект снижения усилий резания для пластин с покрытиями на 10-15%.

Матрицы планирования для полного  факторного эксперимента для хромированной  пластины, пластины без покрытия и  для ротационного резца представлены, соответственно в таблицах 4, 5, 6.

 

После перевода кодированных переменных в реальные получим след уравнения регрессии:

- для хромированной пластины:

 

 

 

- для пластины без покрытия:

 

 

 

- для ротационного резца:

 

 

 

Таблица 6.

Коэффициент усадки стружки для  ротационного резца.

	t(x1), мм	S(x2), мм/об	V(x3), м/мин	Qср	Lср	KLвесов(У)
1	0,5	0,26	200	0,270	80	3,328
2	1	0,26	200	0,323	72,5	2,196
3	0,5	0,52	200	0,330	58	2,805
4	1	0,52	200	0,623	86,5	1,775
5	0,5	0,26	400	0,263	91	2,850
6	1	0,26	400	0,330	83	1,960
7	0,5	0,52	400	0,296	90,6	1,611
8	1	0,52	400	0,563	113,3	1,225