Выбор инструментального материала с учетом особенностей атомного строения трущейся пары при резании металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Усова, Виктория Леонидовна

• Усова, Виктория Леонидовна
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Усова, Виктория Леонидовна

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1Л. О природе износа, трения и коэффициенте 7 трения;

1.2. Влияние условий трения на износ;

1.3 . Классификация видов износа при резании;

1.4. Основные характеристики износа режущего инструмента и соотношения между ними;

1.5.Связь износа со свойствами и структурой трущихся материалов;

1.6.Выбор инструментального материала при резании металлов;

1.7.Атомное строение вещества;

1.8. Выводы;

1.9. Цель и задачи исследования

2.СВЯЗЬ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ С АТОМНЫМ 58 СТРОЕНИЕМ МАТЕРИАЛОВ ТРУЩЕЙСЯ ПАРЫ.

2.1. Специфичность условий трения при резании металлов;

2.2. Зависимость коэффициента трения от атомного строения вещества; 63 2.3 .Выводы

3.ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ В СВЯЗИ С АТОМНЫМ СТРОЕНИЕМ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО

И ОБРАБАТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛОВ

3.1 .Исследование возможностей улучшения износостойкости покрытий путем использования знаний об их атомном строении;

3.2.Исследование влияния атомного строения легирующих компонентов износостойких покрытий на интенсивность изнашивания режущего инструмента;

3.3.Исследование влияния атомного строения твердых сплавов на интенсивность их износа при резании;

3.4.Выводы

4.ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА 102 РЕЗАНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПРЕДПОСЫЛОК.

4.1. Оптимизация процесса резания с выбором инструментального материала;

4.2.0 выборе оптимальной структуры материала режущего инструмента;

4.3.Выводы

5.0БЩИЕ ВЫВОДЫ

6.Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор инструментального материала с учетом особенностей атомного строения трущейся пары при резании металлов»

ВВЕДЕНИЕ.

Проблема повышения износостойкости особенно остро стоит при оценке работоспособности режущего инструмента, в том числе для лезвийной и абразивной обработки. Известно, что режущий инструмент работает в широком диапазоне температур и давлений, которые возникают в пластически деформированной зоне перед режущей кромкой и на поверхностях контакта по передней и задней граням инструмента. Сложное многообразие термодинамических условий резания в сочетании с различными обрабатываемыми, инструментальными материалами, приводит к многообразию механизмов изнашивания и интенсивности износа режущего инструмента.

Так же известно, что режущий инструмент является определяющим фактором процесса резания: его производительности, экономичности, надежности, качества обработки и др. Поэтому проблема износостойкости инструмента для условий резания всегда сохраняет свою актуальность, несмотря на большое количество новых инструментальных материалов и методов повышения их износостойкости, которые появились за последние годы.

Большое количество возможных технических решений по выбору режущего инструмента с заданными технологическими свойствами и прежде всего по величине периода стойкости, предопределяет актуальность задачи научно-обоснованного его выбора, чтобы оптимизировать взаимодействие «инструментальный материал - обрабатываемый материал» для конкретных условий обработки резанием.

При анализе условий трения рабочих поверхностей с

обрабатываемым материалом при резании принимается допущение, что в контакт вступают ювенильные поверхности инструментального и обрабатываемого материалов.

Исходя из гипотезы о том, что наблюдается контакт химически чистых поверхностей при повышенных давлениях до 2000 МПа и более и температур до 1000° С и более, указанную ситуацию можно попытаться рассмотреть как результат взаимодействия двух трущихся тел на атомно-молекулярном уровне.

Влияние внешних факторов (давления, температуры, скорости скольжения и др.) на износостойкость изучено достаточно подробно, что позволило инженерам предложить ряд расчетных формул. Однако, до настоящего времени остается слабым местом прогнозирование износостойкости с учетом материала трущейся пары. Это обусловлено тем, что нет достаточных знаний о закономерностях поведения разных материалов при трении. Прогнозирование пытаются проводить только на основе знаний о кристаллическом строении вещества и дефектности кристаллов без учета влияния атомного строения.

Трение и износ различных деталей машин, приборов и инструментов изучали и продолжают изучать во всем мире очень широко.

В настоящее время установлены основные закономерности трения и изнашивания различных изделий и материалов в различных условиях. Разработаны теории трения и износа, установлены механизмы изнашивания. Однако, до сих пор, нет надежных расчетных формул для определения интенсивности изнашивания в заданных условиях трения. Это обусловлено тем, что процессы

трения и износа - сложны, когда одновременно могут иметь место два и более механизмов изнашивания.

В соответствии с современными представлениями о процессе трения и износа нужно учитывать как механику деформации и разрушения, так и химическое взаимодействие трущихся материалов и взаимодействие их с окружающей средой.

В настоящее время слабо разработано направление, учитывающее химическое взаимодействие трущихся материалов в связи с их атомным строением или с энергией связи между атомами.

Слабое развитие физико-химической теории трения и износа не позволяет надежно прогнозировать интенсивность изнашивания и долговечность изделия.

В работе сделана попытка установить корреляцию между свойствами инструментального и обрабатываемого материалов применительно к условиям резания с учетом атомно-молекулярного механизма их взаимодействия.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Усова, Виктория Леонидовна

5.ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Оптимальный износ при резании обеспечивается при определенном отношении энергий связи между атомами инструментального и обрабатываемого материалов, оно составляет 3-5 раз.

2. При обработке резанием в паре металл-вещество с ковалентной связью коэффициент трения ниже, чём при взаимодействии металлов и увеличивается пропорционально числу неспаренных электронов у металлических атомов, снижается с ростом средней атомной массы. Это подтверждается данными, полученными при обработке резанием инструментом на основе алмаза, у которого коэффициент трения меньше, чем у инструмента на металлической основе(быстрорежущие и инструментальные стали) и из металлокерамики (твердые сплавы).

3. В целях повышения износостойкости режущего инструмента основная или упрочняющая фаза должна быть карбонитридной с максимальным числом электронов, участвующих в создании полярной связи при наличии 1-1,5 свободных электронов, обеспечивающих металлическую связь.

4. Эффективность легирования покрытий на режущий инструмент увеличивается с ростом числа неспаренных электронов у легирующего компонента и различия в атомной массе основного и легирующего металла.

5. Теплостойкость и скорость резания определяются увеличением стабильности основной и упрочняющих фаз, увеличиваются пропорционально теплоте образования фазы в ряду: карбиды -карбонитриды - нитриды-оксонитриды - оксиды.

6. Скорость резания, как наиболее значительный фактор процесса обработки, может быть увеличена пропорционально энергии связи между атомами инструментального материала и уменьшена обратно пропорционально энергии связи между атомами обрабатываемого материала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Усова, Виктория Леонидовна, 1998 год

6. ЛИТЕР АТУР А

1. Крагельский И.В., Трение и износ, М., 1968 г., с. 178-224

2. Буше Н.А. Исследование антифрикционных сплавов подшипников подвижного состава. М., Трансжелдориздат, 1956 г., стр.176

3. Лоренц В.Ф. Износ деталей сельскохозяйственных машин, Машгиз, 1948,стр.100

4. Зайцев А.К. Основы учения о трении, износе и смазке машин, М.-Л., Машгиз, 1947,256 стр.

5. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Механическое изнашивание сталей и сплавов, Москва, «Недра», 1996г., 364стр.

6. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Методика испытания металлов на износ при трении. Сб.' Трение и износ в машинах ' №1, М.-Л., Изд-во АН СССР, 1941 г., стр.69-88

7. Костецкий Б.И. Сущность явлений трения и износа в деталях машин. Трение и износ в машинах, т.4, М., Изд-во АН СССР, 1951 г., стр.201-208

8. Трент Е.М. Резание металлов, М., Машиностроение, 1980, стр.262

9. Заморотин М.И. Износ углеродистых сталей в зависимости от условий термической обработки и твердости. Л., Сельхозгиз,1930 г.,стр.54

Ю.Кащеев В.Н. О зависимости износостойкости металла в абразивном потоке от его поверхностной твердости, возникающей в процессе механического износа.

П.Клейс И.Об изнашивании металлов в абразивной струе. Труды Таллинского политехнического ин-та, Сер.А №168, 1959, стр.27

12.Кузнецов В. Д. Наросты при резании и трении, М., ЦБТИ,1959,стр.55

1 З.Козырев С.П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации, М. Изд. Машиностр. 1964, стр.39

Н.Давиденков Н.Н. Динамическое испытание металлов, ОНТИ, 1936, стр.394

15.Конвисаров Д.В. Трение и износ-металлов М.-Свердловск, Машгиз, 1947, стр.184

16.Ребиндер П.А. Физико-хим. область науки, М. Изд-во, Знание 1958, стр.64

17.Горин Д.И. Износ деталей в абразивной среде, Сб.трудов Белорусского политехнического ин-та. Вып.57, Минск, Изд-во АН БССР, 1957, стр.32-40

18.Ратнер С.Б.Клитеник Е.С. Лурье Е.Г. Износ полимеров как процесс усталостного разрушения, Сб.»Теория трения и износа», М.,Изд. Наука 1965, стр. 156-159

19.Archard J.F. and Hirst W. The Wear of Metals under Unlubricated Conditions,' Proc R. Soc.',1956, № 1206, vol.236, pp.397-410

20.Burwell J.T. and Strong C.D. Metallic Wear , 'Proc.R.Soc.', 1952, №1111, vol.212, Ser.A, pp.470-477

21 .Eszlinger P. Das Problem der Wer stoffwahl beiVerschleissteilen ' VDI Zeitschrift', 1963, Nr 26, Bd. 105, SS.1209-1218.

22.Kerrige M. and Lancaster J.K. The stages in a Process of Severe Metallic Wear, 'Proc. Roy Soc.', 1956,v.236, p.250-254.

23.Политехнический словарь под редакцией И.И.Артобалевского, Москва, Советская энциклопедия. 1989 г. 656 с.

24. Д.Мур "Основы и применение трибоники", М., Изд. Мир, 1978 г.

25.Morton Antler Process of Metal Transfer and wear. "Wear",1964 N2,p. 181-203

25.Rubinovicz E. Surfase energy approach of friction and wear " Product Engineering".!965, N6,pp.95-99

27. Yoshimoto G. On the Mechanism of wear between metal surfaces, "Wear", 1958, N6.

2ЯА.С.Верещака «Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями» М. 1993г.

ЗО.Моисеев В.Ф. «Современные штамповые стали для холодного деформирования» М. 1972 г.

31 .Ling. Saibel «On kinetic friction between unlubricated metalic surfaces», «Wear» 1957,N3 vol 1, pp 167-172

32.Howell H.G., Mazur J, Amontons «Law and fibre friction, London «Butterworth Scientific Publication», 1959

33.Rabinowicz E. Friction and wear of Materials, new York, 1965

34.Моисеев В.Ф. «Изучение и разработка принципов легирования и установление рациональных составов штамповых сталей для холодного деформирования.» Докторская диссертация, Москва 1979 г.

35.Bowden F.P., Freitag Е.Н. «The Friction of solids at Very High Speeds» Proc.Roy Soc.»1958, N1254, vol 248 Ser.A pp.3509367

36.Крагельский И.В., Непомнящий Е.Ф. Теория износа высокопластичных материалов. Пластмассы в подшипниках скольжения М., Изд-во «Наука» 1965,стр.49-56

37.В.Ф.Моисеев, В. К. Старков, В. Андриешин. О путях создания новых безвольфрамовых твердых сплавов. М.: Порошковая металлургия, 1985,СЭВ, вып. 2. с. 55-61.

38.Свойства элементов. Справочник под редакцией Г.В. Самсонова. М.: Металлургия, 1976г. ч. 1.-599 с.

39.Свойства, получение и применение тугоплавких соединений. Справочник под ред.Т.Я. Косолаповой. М.:Металлургия,1986.-

925 с.

40. Яняк C.B. Исследование и разработка безвольфрамовых режущих сплавов со стальной связкой. Кандидатская диссертация. М. Станкин ,1983 г.

41.Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, В.И. Злагин. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1981 .-414 с.

42.Б.Б. Гуляев. Синтез сплавов. М.: Металлургия, 1984.-158 с.

43 .B.C. Панов, A.B. Туманов. Физико-механические свойства безвольфрамового твердого сплава ТА20. Цветные металлы, № 10, 1982.-С 73-75

44.Сальников A.C. "Исследование нитридов и карбидов переходных металлов и разработка многослойных покрытий для повышения износостойкости быстрорежущих инструментов" Автореферат кандидатской диссертации.Запорожье. 1992г.

45.В. Ф. Моисеев, Г.С .Фукс-Рабинович, Г .К. Досбаева, В.Н. Скворцов ."Вязкость и пластичность ионно-плазменных покрытий из нитрида титана" .Заводская лаборатория №1,1990г.,с.57-59.

46.Г.С.Фукс-Рабинович, В.Ф. Моисеев, A.A. Кацура, Г.К. Досбаева, Л.Б. Крапошина. "Использование метода склерометрии для определения адгезионных свойств ионно-плазменных покрытий". Заводская лаборатория №2,1990.с.95-97.

47.Г.С.Фукс-Рабинович, A.A. Кацура, В.Ф. Моисеев, Г.К.Досбаева "Влияние фазового состава на износостойкость ионно-плазменных покрытий из нитрида титана. "Трение и износ". 1989.том 10,N4 июль-август с.742-744

48.Табаков В.П. "Повышение эффективности режущего инструмента путем направленного изменения параметров структуры и свойств материала износостойкого покрытия". Автореферат док.дисс. Ульяновск. 1992г.

49. Фукс-Рабинович Г.С. "Научные принципы выбора материалов для износостойкости режущего и штампового инструмента с учетом оптимизации структурного состояния. Док. дисс. Москва. 1993г. ВНИИЖТ.

50.Досбаева Г.К. "Разработка многослойных ионно-вакуумных покрытий из нитрида титана для формообразующего инструмента" Москва, Станкин, 1989г.

51.Лучинский Г.П. Курс химии. Учебник для инжёнерно-технических(нехимических) вузов. М.Высш.шк.1985-416с.

52.Верещака A.C., Болотников Г.В. Современные тенденции совершенствования и рационального применения твердых сплавов для режущих инструментов. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ., Москва 1996, 50с.

53.Салманов Н.С. Пути повышения эксплуатационной стойкости металлообрабатывающего инструмента. Докторская диссертация, Новокузнецк 1997 г.

54.Родионов М.Ю. Теоретическое обоснование и разработка составов электроконтактных материалов для транспортных средств. Кандидатская диссертация, Москва, МАМИ, 1995 г.

55.Ling F.F., Saibel К. On kinetic friction between unlubricated metalic surfaces. « Wear» ,1962,N3,vol.5.

56.Howell H.G., Mieszkis K.W. and Tabor D. Friction in Textiles. London, «Butterworht Scientific Publication», 1959.

57.Б.И. Костецкий « Терние, смазка и износ' в машинах», Киев, Техника, 1972, 395 с.

58.Г.Флайтер «К связи между трением и износом. Контактное взаимодействие твердых тел и расчет сил трения и износа. М.Наука 1971, с.163-169

59.Лоладзе Т.Н. « Прочность и износостойкость режущего инструмента» М.Машиностроение 1982,320 стр.

60.И. В. Крагельский, И. Э. Виноградова. Коэффициент трения. М. ГНТИМА. 1955. 186 с.

61.Б. М. Яворский, A.A. Детлаф. Справочник по физике. М. Наука. 1964.822 с.

62.И. В. Крагельский, Любарский И. М., Гусляков A.A. и др. Трение и износ в вакууме. М. Машиностроение. 1973 г. 216 с.

63 .Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами, и их применение. Справочник. М. Машиностроение. 1987 г. 320 с.

64.Свойства, получение и применение тугоплавких соединений. Справочник. М. Металлургия. 1986. 928 с.

65.Бобров В.Ф. « Основы теории резания металлов.» М. «Машиностроение» 1975, 344 с.

66.«Развитие науки о резании металлов» под редакцией H.H. Зорева, Г.И.Грановского, М.Н. Ларина, М. «Машиностроение», 1967, 416 с.

67.«Резание труднообрабатываемых материалов» под ред.Петрухи, М. «Машиностроение» 1972, 176с.

68.Подураев В.Н. «Резание труднообрабатываемых материалов», М. «Высшая школа», 1974, 590с.

69.Полетика М.Ф. « Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента» М. «Машиностроение» ,1960,150с.

70.Старков B.K. «Дислокационные представления о резании металлов», М. «Машиностроение» 1979, 160с.

71.Старков В.К. « Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве» М. «Машиностроение», 1989,296с.

72. Абрамов А.И. «Основы ядерной физики», М.Энергоатомиздат, 1983 г., 256 стр.

73.Клевцов М.И. «Раскрытие тайн мироустройства», Москва, 1995, 168с.

74.Старков В.К. Усова B.JI. Чепурко A.C. Тезисы докладов Международной научно - технической конференции, «Моделирование интеллектуальных процессов проектирования и производства», "Оптимизация процесса резания с выбором инструментальногоматериала". Минск, 1996 г.

75.Салманов Н.С. Усова B.JI. "О самоорганизации структуры и свойств на контактных поверхностях металообрабатывающего инструмента при эксплуатации" Журнал «Известия Вузов», Черная металлургия, МИСИС,М.1997 г.

76.«Инструментальные стали», Справочник, Москва, «Металлургия», 1977 г.,168с.

77.«Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическим материалами, и их применение» , Справочник, М.Машиностроение, 1987г., 320с.

78.Лошак М.Г. «Прочность и долговечность твердых сплавов» Киев, «Наукова думка», 1984 г., 325с.

79.Авторское свидетельство СССР N15800872 от 22 марта 1990г.

Способ нанесения покрытия на режущий и штамповый инструмент.

80. Сальников A.C., Внуков Ю.Н., Оржицкая JI.K., Марков A.A.

Повышение производительности инструмента с многослойным

покрытием. Тезисы доклада VI республиканского семинара

«Разработка, производство и применение инструментальных

материалов».Запорожье, 1990,с.41 -42