RU2374038C1 - Method of definition of optimal cutting speed - Google Patents
Method of definition of optimal cutting speed Download PDFInfo
- Publication number
- RU2374038C1 RU2374038C1 RU2008116521/02A RU2008116521A RU2374038C1 RU 2374038 C1 RU2374038 C1 RU 2374038C1 RU 2008116521/02 A RU2008116521/02 A RU 2008116521/02A RU 2008116521 A RU2008116521 A RU 2008116521A RU 2374038 C1 RU2374038 C1 RU 2374038C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cutting
- temperature
- carbide
- cutting speed
- endothermic effect
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области обработки сталей и сплавов резанием и может быть использовано для определения рабочего параметра твердосплавных режущих инструментов - оптимальной скорости резания при непосредственном их использования на металлорежущем оборудовании, а также при аттестации и сертификации этой твердосплавной продукции.The invention relates to the field of processing steels and alloys by cutting and can be used to determine the operating parameter of carbide cutting tools - the optimal cutting speed for their direct use on metal cutting equipment, as well as in the certification and certification of this carbide products.
Известен способ определения оптимальной скорости резания (А.С. №1028427, МПК3 B23B 1/00, БИ №26, 1983), основанный на нахождении последней по выбранному исходному параметру, связанному с изменениями характеристик кристаллической решетки. В качестве исходного параметра для определения оптимальной скорости резания выбирают период кристаллической решетки, определяют его при различных скоростях резания (температурах), а оптимальную скорость принимают равной наибольшей скорости, при которой период решетки будет максимальным.A known method for determining the optimal cutting speed (AS No. 1028427, IPC3
Процесс определения параметров кристаллической решетки с помощью дифрактометров является сложным и трудоемким. Исследование изменений в кристаллической решетке твердосплавной режущей пластинки производится после прекращения опытов по резанию и специальной подготовке, включающей ее очистку, возможное разрушение и выбор места контроля. Вследствие разной скорости охлаждения различных областей инструментального материала, после очередного нагревания в процессе резания, осуществляемого в диапазоне 400-800°С за счет изменения скорости резания, снижается вероятность точного определения происходящих изменений. Неточности возникают и вследствие того, что исследованию подвергается локальная - случайная зона износа твердого сплава, структурные параметры которой значительно отличаются от других смежных областей ввиду неодинакового характера распределения температурного поля при различных скоростях резания. Поэтому получаемые результаты изменений параметров кристаллической решетки являются весьма приближенными и имеют недостаточную степень статистической значимости.The process of determining the parameters of the crystal lattice using diffractometers is complex and time-consuming. The study of changes in the crystal lattice of a carbide cutting insert is carried out after the termination of experiments on cutting and special preparation, including its cleaning, possible destruction and the choice of control location. Due to the different cooling rates of different areas of the tool material, after the next heating in the cutting process, carried out in the range of 400-800 ° C due to a change in the cutting speed, the probability of an accurate determination of the changes is reduced. Inaccuracies also arise due to the fact that a local - random wear zone of a hard alloy is exposed to the study, the structural parameters of which differ significantly from other adjacent areas due to the uneven distribution of the temperature field at different cutting speeds. Therefore, the obtained results of changes in the parameters of the crystal lattice are very approximate and have an insufficient degree of statistical significance.
Известен способ определения оптимальной скорости резания (А.С. 841779, МПКЗ B23B 1/00, БИ №24, 1981), основанный на том, что наибольшей скорости режущего инструмента соответствует минимальная длина участка упрочнения на контактной поверхности режущего инструмента. Выбор в качестве исходного параметра длины участка упрочнения объясняется тем, что его размеры характеризуют деформационное состояние металла в контактной зоне, характер и градиент действующих температурных полей, условия взаимодействия металла контактной зоны с передней поверхностью инструмента и оказывают большое влияние на интенсивность износа режущей части инструмента. Измерение размеров участка упрочнения осуществляют с помощью микроскопа; строят график зависимости длины участка упрочнения от скорости резания. По минимальной длине участка упрочнения на графике определяют оптимальную скорость резания.A known method for determining the optimal cutting speed (AS 841779, IPPC
Основным недостатком рассмотренного способа является высокая трудоемкость и низкая надежность в точном определении длины участка упрочнения вследствие его небольшой величины, составляющей в среднем 0,1-1,0 мм, и значительной неопределенности положения границ. Кроме того, определение длины участка упрочнения на рабочих поверхностях режущего клина с помощью микроскопа отличается недостатками методического характера, основным из которых является то, что упрочненный слой является весьма неоднородным по длине и глубине залегания вследствие флуктуационного характера действующих на поверхностях контактных напряжений, изменяющихся от максимальных значений, действующих у режущей кромки, до нуля в точках выхода трибологической пары из контакта. Вследствие этого длины участков упрочнения на контактных поверхностях режущего инструмента, отражающих количественные и качественные изменения структуры материала, измеренные с помощью микроскопа, а также другими методами, например измерением микротвердости, часто не совпадают и даже имеют различный характер изменения. Ввиду рассмотренных причин возможны большие погрешности и в определении оптимальной скорости резания.The main disadvantage of the considered method is the high complexity and low reliability in accurately determining the length of the hardening section due to its small size, an average of 0.1-1.0 mm, and significant uncertainty of the position of the boundaries. In addition, the determination of the length of the hardening area on the working surfaces of the cutting wedge using a microscope is characterized by methodological shortcomings, the main of which is that the hardened layer is very heterogeneous in length and depth due to the fluctuation nature of contact stresses acting on the surfaces, varying from the maximum values acting at the cutting edge, to zero at the points of exit of the tribological pair from the contact. As a result of this, the lengths of the hardening areas on the contact surfaces of the cutting tool, reflecting quantitative and qualitative changes in the structure of the material, measured using a microscope, as well as by other methods, for example, microhardness measurements, often do not coincide and even have a different character of change. In view of the reasons considered, large errors are also possible in determining the optimal cutting speed.
Известен способ определения оптимальной скорости резания для инструментов из твердых сплавов(А.С. №1227339, B23B 1/00, БИ №16, 1986), выбранный в качестве прототипа и заключающийся в том, что в качестве исходного параметра выбирают уровень вакансионной дефектности в структуре твердого сплава. Сначала последовательно измеряют степень вакансионной дефектности при различных температурах нагревания. Затем оптимальную температуру - скорость резания - определяют как наибольшую температуру - скорость, при которой устанавливается в структуре минимальное значение уровня вакансионной дефектности.There is a method of determining the optimal cutting speed for tools made of hard alloys (A.S. No. 1227339,
Недостатком данного способа является то, что степень минимальной вакансионной дефектности не всегда отвечает равновесному термодинамическому состоянию структуры, при котором устанавливается наименьшее значение уровня свободной энергии твердого тела как консолидирующей системы, состоящей из отдельных микрообъемов и при которой будет, вероятно, наблюдаться минимальная интенсивность адгезионного износа (см., например, Ван Бюрен. Дефекты в кристаллах. М., И.Л., 1961, 584 с.). Вследствие этого минимальная интенсивность износа режущего инструмента может происходить выше или ниже установленной оптимальной температуры - скорости резания. Отсюда следует, что точность данного способа будет недостаточно высокой. Кроме того, для проведения измерений необходимо иметь специальное помещение, оборудованное защитой от радиационного излучения, а обслуживающему оператору требуется пройти специальную Подготовку для работы с радиоактивными источниками, каковым в данном случае является Na-22. Следствием изложенного может быть низкий уровень экономической целесообразности для использования способа по ближайшему аналогу.The disadvantage of this method is that the degree of minimal vacancy defects does not always correspond to the equilibrium thermodynamic state of the structure, at which the lowest value of the free energy level of the solid as a consolidating system consisting of individual microvolumes is established and at which the minimum intensity of adhesive wear is observed ( see, for example, Van Buren. Defects in crystals. M., I.L., 1961, 584 pp.). As a result, the minimum wear rate of the cutting tool can occur above or below the set optimum temperature - cutting speed. It follows that the accuracy of this method will not be high enough. In addition, for measurements it is necessary to have a special room equipped with radiation protection, and the service operator needs to undergo special training for working with radioactive sources, which in this case is Na-22. The consequence of the above may be a low level of economic feasibility for using the method according to the closest analogue.
Задачей предлагаемого способа является повышение точности и снижение трудоемкости в определении оптимальных режимов резания (оптимальной скорости резания).The objective of the proposed method is to increase the accuracy and reduce the complexity in determining the optimal cutting conditions (optimal cutting speed).
Поставленная задача в предлагаемом способе - определение оптимальной скорости резания твердосплавным режущим инструментом - решена путем использования выбранного исходного параметра, включающем предварительный нагрев проб из твердосплавных режущих инструментов, проведение измерения температуры в зоне контакта инструментальный - обрабатываемый материал при различных скоростях резания с построением графической зависимости, а в качестве исходного параметра для твердосплавных инструментов группы применяемости К устанавливают температуру предварительного нагрева твердосплавного инструмента, при которой в его структуре в наибольшей степени проявляется эндотермический эффект, обеспечивающий наибольшее снижение адгезионного взаимодействия контактирующих поверхностей и износа режущего инструмента, затем по построенной графической зависимости скорость резания - температура резания назначают в качестве оптимальной скорости резания скорость, при которой температура нагрева в зоне рабочего контакта инструментального и обрабатываемого материала соответствует температуре наибольшего проявления эндотермического эффекта. Эндотермический эффект может проявляться при некоторой температуре нагрева твердого тела, связан с понижением внутренней энергии всего объема или только отдельной его части, например поверхности или приповерхностной области, сопровождается поглощением тепла и снижением энтропии (Шестак Я. Теория термического анализа. М.: Мир. 1987. 456 с.) Установлено, что вследствие разброса состава и свойств твердых сплавов проявление термических эффектов и, конкретно, эндотермического эффекта у них происходит при различных температурах.The problem in the proposed method — determining the optimal cutting speed with carbide cutting tools — was solved by using the selected initial parameter, including preheating samples from carbide cutting tools, taking temperature measurements in the contact zone of the tool — the processed material at various cutting speeds with plotting, and as an initial parameter for carbide tools, the applicability groups K set the pace the preheating pattern of the carbide tool, in which the endothermic effect is most manifested in its structure, which provides the greatest decrease in the adhesion interaction of the contacting surfaces and the wear of the cutting tool, then, according to the graphical dependence, the cutting speed - cutting temperature is assigned as the optimal cutting speed the speed at which the heating temperature in the area of the working contact of the tool and the processed material corresponds to those temperature of the greatest manifestation of the endothermic effect. The endothermic effect can occur at a certain solid-state heating temperature, is associated with a decrease in the internal energy of the entire volume or only a separate part of it, for example, the surface or near-surface region, accompanied by heat absorption and a decrease in entropy (Shestak Y. Theory of thermal analysis. M .: Mir. 1987. 456 p.) It has been established that due to the variation in the composition and properties of hard alloys, the manifestation of thermal effects and, specifically, the endothermic effect in them occurs at different temperatures.
Наибольшее снижение интегрального износа режущего инструмента также происходит при некоторой оптимальной для конкретного твердого сплава температуре эксплуатации, соответствующей наиболее интенсивному проявлению эндотермического эффекта. Ниже и выше указанной температуры (или некоторого узкого диапазона температур) существуют структуры с менее выраженной формой проявления эндотермического эффекта. Формирование на контактных поверхностях твердосплавного режущего инструмента структуры, обеспечивающей проявление эндотермического эффекта, сопровождается повышением ее удельной теплоемкости, снижением энтропии, ускорением испарения (сублимации) поверхностных структур и соответственно снижением вероятности разрушения режущего инструмента за счет адгезионного взаимодействия его с обрабатываемым материалом. Реализация благоприятной ситуации (с точки зрения снижения интенсивности износа) для режущего инструмента, связанной с проявлением эндотермического эффекта, является следствием заполнения межконтактного пространства (пространства между резцом и обрабатываемым материалом) сублимируемым с контактных поверхностей режущего инструмента газообразным полиоксидом на основе вольфрама (WO3). При этом одна часть сублимируемого вещества участвует в теплообмене между контактирующими поверхностями и снижает напряженность теплового поля в межконтактной области. Другая часть сублимата конденсирует обратно на рабочие грани режущего инструмента в виде наноструктурных волокон (трубок), являясь эффективной смазочной средой, снижающей коэффициент трения и увеличивающей, в итоге, стойкость режущего инструмента. (Казенас Б.К., Чижиков Д.М. Давление и состав пара над окислами химических элементов. М.: Наука. 1976. 342 с.) Снижение коэффициента трения происходит за счет того, что нанотрубки в зоне контакта вращаются, а не скользят, как, например, это происходит в результате разрушения частиц по определенным плоскостям при использовании обычной твердой смазки. По полученной графической зависимости: «скорость резания - температура резания» назначают в качестве оптимальной скорости резания скорость, при которой температура нагрева в зоне рабочего контакта соответствует выбранной температуре предварительного нагрева твердосплавного инструмента.The greatest decrease in the integral wear of the cutting tool also occurs at a certain optimum operating temperature for a particular hard alloy, corresponding to the most intense manifestation of the endothermic effect. Below and above the indicated temperature (or some narrow temperature range), there exist structures with a less pronounced manifestation of the endothermic effect. The formation on the contact surfaces of the carbide cutting tool of a structure that provides the manifestation of an endothermic effect is accompanied by an increase in its specific heat, a decrease in entropy, an acceleration of evaporation (sublimation) of surface structures and, accordingly, a decrease in the probability of destruction of the cutting tool due to its adhesive interaction with the processed material. The implementation of a favorable situation (from the point of view of reducing the wear rate) for the cutting tool associated with the manifestation of the endothermic effect is a consequence of filling the intercontact space (the space between the cutter and the processed material) sublimated from the contact surfaces of the cutting tool with gaseous tungsten polyoxide (WO 3 ). In this case, one part of the sublimated substance is involved in heat transfer between the contacting surfaces and reduces the heat field in the intercontact region. Another part of the sublimate condenses back to the working faces of the cutting tool in the form of nanostructured fibers (tubes), being an effective lubricating medium that reduces the friction coefficient and increases, as a result, the resistance of the cutting tool. (Cazenas B.K., Chizhikov D.M. Pressure and composition of vapor over oxides of chemical elements. M .: Nauka. 1976. 342 p.) The friction coefficient decreases due to the fact that the nanotubes in the contact zone rotate rather than slip as, for example, this occurs as a result of the destruction of particles on certain planes when using conventional solid lubricant. According to the obtained graphical dependence: “cutting speed - cutting temperature”, the speed at which the heating temperature in the working contact zone corresponds to the selected temperature of the preliminary heating of the carbide tool is assigned as the optimal cutting speed.
Вследствие снижения интенсивности взаимодействия поверхностей режущего инструмента с обрабатываемым материалом прочность формирующегося адгезионного контакта - микросваривания в локальной области, а вместе с тем и разрушительные последствия после его нарушения - разрыва контакта - снижаются. В итоге между контактирующими микрообъемами образуются соединения с менее прочными химическими связями: например, вместо ионной, ковалентной или металлической формируется связь за счет сил Ван-дер-Ваальса. В итоге адгезионный износ уменьшается. Процессу сублимации вещества с контактных поверхностей предшествует окисление контактных поверхностей за счет кислорода атмосферного воздуха, а также за счет кислорода, находящегося изначально в структуре твердого сплава группы применяемости К и диффундирующего наряду с другими неметаллическими примесями из объема к поверхности при нагревании твердого сплава. На температуру проявления процесса сублимации большое влияние оказывают состав полиоксидов (оксидов и других соединений на основе оксида вольфрама), образующихся на поверхности и в приповерхностной области твердого сплава, вид и степень их дефектности, а также термодинамические, кинетические и другие факторы, зависящие, в том числе, от состава поверхности, приповерхностной области и объема твердосплавных режущих инструментов.Due to the decrease in the intensity of interaction of the surfaces of the cutting tool with the material being processed, the strength of the formed adhesive contact — micro-welding in the local area, and at the same time, the destructive consequences after breaking it — contact breaking — are reduced. As a result, compounds with less strong chemical bonds are formed between the contacting microvolumes: for example, instead of ionic, covalent, or metal bonds are formed due to Van der Waals forces. As a result, adhesive wear is reduced. The process of sublimation of the substance from the contact surfaces is preceded by oxidation of the contact surfaces due to atmospheric oxygen, as well as due to oxygen, which is initially in the structure of the hard alloy of the applicability group K and diffuses along with other non-metallic impurities from the volume to the surface when the alloy is heated. The temperature of the manifestation of the sublimation process is greatly influenced by the composition of polyoxides (oxides and other compounds based on tungsten oxide) formed on the surface and in the near-surface region of the hard alloy, the type and degree of their defectiveness, as well as thermodynamic, kinetic, and other factors depending on the number of surface composition, surface area and volume of carbide cutting tools.
В процессе резания различных сталей и сплавов твердосплавные режущие инструменты подвергаются интенсивному окислению и на их контактных поверхностях периодически образуются и разрушаются оксидные пленки. Наиболее низкая интенсивность износа у твердосплавных режущих инструментов была установлена при их эксплуатации в диапазоне оптимальных режимов резания - оптимальных температур, когда при этих температурах в наибольшей степени проявляется эндотермический эффект, способствующий образованию в межконтактной области диссипативных наноструктур, сформированных в виде волокон и нанотрубок. Эволюция поверхностной структуры твердосплавного режущего инструмента происходит в следующей последовательности. Сначала происходит окисление поверхности за счет кислорода окружающей газовой среды и кислорода, имеющегося в структуре твердого сплава. Наряду с кислородом из объема в сторону поверхности (высоких температур) диффундируют атомы других неметаллических примесей, влияющих на температуру превращений и проявления термических эффектов. После достижения полиоксидной структурой достаточной энергии активации (оптимальной температуры) начинается процесс сублимации - перехода вещества из твердого в газообразное состояние. Наиболее высокие результаты, с точки зрения создания оптимальных условий для трущихся пар, выражающемся в максимальном снижении интенсивности износа, достигаются при наступлении равновесия в процессах сублимация - конденсация. В этом случае на этапе сублимации создаются условия и для последующих структурных превращений, а в процессе конденсации происходит образование соответствующего наноструктурного состояния вещества, принимающего активное участие в трибологических процессах и создающего благоприятные условия для снижения интенсивности износа.In the process of cutting various steels and alloys, carbide cutting tools are subjected to intense oxidation and oxide films are periodically formed and destroyed on their contact surfaces. The lowest wear rate of carbide cutting tools was established during their operation in the range of optimal cutting conditions - optimal temperatures, when at these temperatures the endothermic effect is most pronounced, which contributes to the formation of dissipative nanostructures formed in the form of fibers and nanotubes in the intercontact region. The evolution of the surface structure of carbide cutting tools occurs in the following sequence. First, surface oxidation occurs due to oxygen in the surrounding gas environment and oxygen present in the structure of the hard alloy. Along with oxygen, atoms of other nonmetallic impurities diffuse from the bulk to the surface (high temperatures), affecting the temperature of the transformations and the manifestation of thermal effects. After the polyoxide structure reaches a sufficient activation energy (optimal temperature), the process of sublimation begins - the transition of the substance from solid to gaseous state. The highest results, from the point of view of creating optimal conditions for rubbing couples, expressed in the maximum reduction in wear intensity, are achieved when equilibrium occurs in the processes of sublimation - condensation. In this case, at the sublimation stage, conditions are also created for subsequent structural transformations, and in the process of condensation, the formation of the corresponding nanostructural state of the substance takes place, which takes an active part in tribological processes and creates favorable conditions for reducing the wear rate.
Образование сублимата, его конденсация, синтез наноструктурного состояния происходят уже при температурах 680-750°С и конкретное значение определяется в зависимости от химического состава твердого сплава, характера взаимодействия вольфрама с углеродом, наличия легирующих карбидов и примесных элементов, уровня растворения карбида вольфрама в кобальте и т.д.The formation of sublimate, its condensation, synthesis of the nanostructured state occurs already at temperatures of 680-750 ° C and the specific value is determined depending on the chemical composition of the hard alloy, the nature of the interaction of tungsten with carbon, the presence of alloying carbides and impurity elements, the level of dissolution of tungsten carbide in cobalt and etc.
Как показывают эксперименты, на температуру (диапазон) нагрева, при которой полиоксидная структура превращается в наноструктуру, влияют различные виды упрочняющих воздействий, направленные на продление срока службы режущего инструмента. Среди них наиболее широкое распространение получили газофазные и ионно-плазменные покрытия, имплантация, модифицирование поверхности высокоэнергетическими потоками ионов или электронов, радиационная обработка. Перечисленные технологии упрочнения достаточно заметным образом влияют на термодинамические и кинетические особенности формирования полиоксидной структуры и соответственно на температуру эффективного окисления и эффективного проявления эндотермических процессов.As experiments show, the temperature (range) of heating at which the polyoxide structure turns into a nanostructure is influenced by various types of reinforcing actions aimed at extending the life of the cutting tool. Among them, the most widely used are gas-phase and ion-plasma coatings, implantation, surface modification with high-energy flows of ions or electrons, and radiation treatment. The listed hardening technologies have a noticeable effect on the thermodynamic and kinetic features of the formation of the polyoxide structure and, accordingly, on the temperature of effective oxidation and the effective manifestation of endothermic processes.
Реализация способа выполняется в такой последовательности. Сначала производят выборку твердосплавных режущих пластинок группы применяемости К, помещают конкретную пластинку в специальное приспособление, производят измельчение, отбирают пробу весом 20 грамм, заполняют приготовленной массой специальный тигель из алундового материала, помещают тигель в рабочую зону высокотемпературного нагрева (электрическую печь) специальной установки - дериватографа (Горшков В.С., Тимашов В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. М.: Высшая школа. 1981. 334 с.), предназначенной для исследования термических эффектов, и программируют режим работы установки для выполнения конкретных задач (регистрации термических эффектов, возникающих при нагревании образцов). Нагревание пробы производят в условиях открытой атмосферы. Скорость нагревания отобранных проб из твердосплавных пластинок составляет 20°С/мин. На фиг.1 представлена картина проявления эндотермического эффекта. Температуру, при которой происходит проявление эндотермического эффекта выбирают в качестве оптимальной температуры. Для повышения значимости результатов измерения производят на нескольких образцах, а за оптимальную температуру принимают ее среднеарифметическое значение.The implementation of the method is performed in such a sequence. First, carbide cutting inserts of the applicability group K are sampled, a specific insert is placed in a special device, grinding is performed, a sample weighing 20 grams is taken, a special crucible made of alundum material is filled with the prepared mass, the crucible is placed in the working zone of high-temperature heating (electric furnace) of a special installation - a derivatograph (Gorshkov V.S., Timashov V.V., Savelyev V.G. Methods of physico-chemical analysis of binders. M: Higher school. 1981. 334 p.), Intended for research anija thermal effects, and program setting mode to perform specific tasks (registration thermal effects that arise during sample heating). Sample heating is carried out in an open atmosphere. The heating rate of the samples taken from carbide plates is 20 ° C / min. Figure 1 presents a picture of the manifestation of the endothermic effect. The temperature at which the manifestation of the endothermic effect occurs is chosen as the optimum temperature. To increase the significance of the measurement results, several samples are produced, and its arithmetic mean value is taken as the optimum temperature.
Затем отбирают твердосплавные пластинки группы применяемости К и производят стойкостные испытания при резании определенной стали или сплава на различных режимах (скоростях) обработки. С помощью специального высокочувствительного пирометра в процессе резания фиксируется средняя температура в зоне резания. Строится график зависимости температуры от скорости резания. На основании полученного значения оптимальной температуры резания (на основании измерения эндотермических эффектов) по графику «скорость резания - температура резания» определяют оптимальную скорость резания. Для твердых сплавов вольфрам-кобальтовой группы проявление эндотермического эффекта происходит в диапазоне температур от 680 до 750°С. Причем с увеличением в составе твердого сплава кобальтовой составляющей температурная область, при которой проявляется эндотермический эффект, смещается в сторону более высоких температур, а при увеличении в составе твердых сплавов общего количества углерода - в сторону более низких температур. Оптимальные режимы обработки резанием сталей или сплавов выбирают на основании температуры нагревания твердого сплава, при которой в его структуре в наибольшей степени проявляется эндотермический эффект. Все действия по проведению измерений по выявлению проявления эндотермического эффекта носят несложный и нетрудоемкий характер, непродолжительны по времени и по сравнению с аналогами и прототипом имеют более высокую точность в определении оптимальной температуры и, соответственно, скорости резания.Then carbide inserts of the applicability group K are selected and resistance tests are carried out when cutting a certain steel or alloy at various processing modes (speeds). Using a special highly sensitive pyrometer, the average temperature in the cutting zone is recorded during the cutting process. A plot of temperature versus cutting speed is built. Based on the obtained value of the optimum cutting temperature (based on the measurement of endothermic effects) according to the schedule "cutting speed - cutting temperature" determine the optimal cutting speed. For hard alloys of the tungsten-cobalt group, the manifestation of the endothermic effect occurs in the temperature range from 680 to 750 ° C. Moreover, with an increase in the cobalt component in the composition of the hard alloy, the temperature region at which the endothermic effect is manifested shifts toward higher temperatures, and with an increase in the total amount of carbon in the composition of hard alloys, toward lower temperatures. The optimal processing conditions for cutting steels or alloys are selected based on the heating temperature of the hard alloy, at which the endothermic effect is most manifested in its structure. All actions to take measurements to identify the manifestation of the endothermic effect are simple and easy, are time-consuming and, compared with analogues and prototype, have higher accuracy in determining the optimum temperature and, accordingly, cutting speed.
Как установлено, изменение интенсивности проявления эндотермического эффекта от температуры носит экстремальный характер. При увеличении температуры от 600°С, когда развивается активное окисление поверхности твердого сплава, за счет насыщения поверхности кислородом атмосферного воздуха и кислородом, диффундирующим из структуры к поверхности, одновременно начинают все более интенсивно проявляться процессы сублимации оксидного вещества. Сначала вещество сублимирует из наиболее активных зон, затем концентрация активных зон возрастает и ими покрывается значительная часть площади контактной поверхности. При этом сублимируемое вещество незначительно отрывается от поверхности и почти одновременно происходит его конденсация. Состояние, при котором устанавливается равновесие между сублимацией и конденсацией соответствует примерно температуре 700-730°С. В этих условиях поверхностной и приповерхностной областью структуры в наибольшей степени поглощается тепло (в наибольшей степени проявляется эндотермический эффект), и эта температура соответствует оптимальной температуре резания. При более высоких температурах окисление (трансформация приповерхностной структуры) захватывает более глубинные слои структуры твердых сплавов, а процессы сублимации преобладают над процессами конденсации. Происходит интенсивный унос вещества с поверхности и разрушение структуры. Данные процессы сопровождаются нарастанием интенсивности экзотермических эффектов и снижением теплоемкости приповерхностной области твердого сплава. В итоге возрастает износ режущего инструмента. Выбор температуры - скорости резания, при которой в зоне контакта режущего и обрабатываемого материалов наблюдается наибольшее проявление эндотермического эффекта, обеспечивает значительное снижение величины их адгезионного взаимодействия и интенсивности износа.It was found that the change in the intensity of the manifestation of the endothermic effect of temperature is extreme. With an increase in temperature from 600 ° C, when the active oxidation of the surface of the hard alloy develops, due to saturation of the surface with atmospheric oxygen and oxygen diffusing from the structure to the surface, the processes of sublimation of the oxide substance begin to appear more and more intensely. First, the substance sublimates from the most active zones, then the concentration of active zones increases and they cover a significant part of the contact surface area. In this case, the sublimated substance slightly breaks off the surface and its condensation occurs almost simultaneously. The state in which an equilibrium is established between sublimation and condensation corresponds approximately to a temperature of 700-730 ° C. Under these conditions, the surface is absorbed to the greatest extent by the surface and subsurface regions of the structure (the endothermic effect is most pronounced), and this temperature corresponds to the optimum cutting temperature. At higher temperatures, oxidation (transformation of the surface structure) captures deeper layers of the structure of hard alloys, and sublimation processes prevail over condensation processes. Intensive ablation of the substance from the surface and destruction of the structure occurs. These processes are accompanied by an increase in the intensity of exothermic effects and a decrease in the heat capacity of the surface region of the hard alloy. As a result, the wear of the cutting tool increases. The choice of temperature - cutting speed, at which the greatest manifestation of the endothermic effect is observed in the contact zone of the cutting and processed materials, provides a significant decrease in the value of their adhesive interaction and wear rate.
Предлагаемый способ обладает высокой точностью в определении оптимальных режимов резания (скорости резания), а следовательно, и качества выбираемых твердосплавных режущих инструментов. Это, как показано, достигается за счет использования в качестве информативного исходного параметра температуры наиболее интенсивного проявления эндотермического эффекта. Интенсивность эндотермического эффекта полностью зависит от состава поверхностной полиоксидной структуры, ее электронной плотности, а также характера и степени дефектности. Формируемое вследствие проявления эндотермического эффекта наноструктурное состояние вещества на поверхности режущего инструмента существенным образом повышает его эксплуатационные характеристики. Наиболее важной причиной большой точности в определении оптимальной температура резания является высокая чувствительность между изменением направления тепловых потоков (проявлением, в том числе интенсивности эндотермических и экзотермических эффектов) и изменением теплоемкости в приповерхностной области твердого сплава.The proposed method has high accuracy in determining the optimal cutting conditions (cutting speed), and therefore the quality of the selected carbide cutting tools. This, as shown, is achieved by using the most intense manifestation of the endothermic effect as the informative initial temperature parameter. The intensity of the endothermic effect completely depends on the composition of the surface polyoxide structure, its electron density, as well as the nature and degree of defectiveness. The nanostructured state of a substance formed on the surface of a cutting tool, formed due to the manifestation of the endothermic effect, substantially increases its operational characteristics. The most important reason for the great accuracy in determining the optimum cutting temperature is the high sensitivity between a change in the direction of heat fluxes (manifestation, including the intensity of endothermic and exothermic effects) and a change in heat capacity in the surface region of the hard alloy.
С увеличением уровня проявления эндотермического эффекта повышается теплоемкость поверхности, снижается степень теплонапряженности в зоне контакта, уменьшаются составляющие величины механического и адгезионного коэффициента трения и наоборот. При температурах ниже и выше оптимальной температуры проявление эндотермического эффекта существенно снижается. Недостаточно эффективное проявление эндотермического эффекта при температурах более низких, чем оптимальные, объясняется преобладанием процессов окисления над процессами сублимации, а недостаточно эффективное проявление эндотермического эффекта при температурах более высоких, чем оптимальные, объясняется преобладанием процессов сублимации над процессами окисления. С помощью данного способа представляется возможным по результатам оценки проявления интенсивности эндотермического эффекта от температуры прогнозировать интенсивность износа твердосплавных инструментальных материалов, давать оценку их качества, производить расчет наиболее экономически обоснованных режимов обработки при резании труднообрабатываемых сталей и сплавов.With an increase in the level of manifestation of the endothermic effect, the heat capacity of the surface increases, the degree of heat stress in the contact zone decreases, and the components of the mechanical and adhesive coefficient of friction decrease and vice versa. At temperatures below and above the optimum temperature, the manifestation of the endothermic effect is significantly reduced. The insufficiently effective manifestation of the endothermic effect at temperatures lower than optimal is explained by the predominance of oxidation processes over sublimation processes, and the insufficiently effective manifestation of the endothermic effect at temperatures higher than optimal is explained by the predominance of sublimation processes over oxidation. Using this method, it is possible, based on the results of assessing the manifestation of the intensity of the endothermic effect of temperature, to predict the wear rate of carbide tool materials, to assess their quality, to calculate the most economically sound processing conditions when cutting difficult to treat steels and alloys.
На фиг.1 представлена графическая зависимость изменения интенсивности проявления эндотермического эффекта на поверхности и в приповерхностной структуре твердого сплава в зависимости от температуры:Figure 1 presents a graphical dependence of the intensity of the manifestation of the endothermic effect on the surface and in the surface structure of the hard alloy depending on temperature:
кривая 1 - для твердосплавной пластинки из первой партии образцов,curve 1 - for carbide plates from the first batch of samples,
кривая 2 - для твердосплавных пластинки из второй партии образцов.curve 2 - for carbide plates from the second batch of samples.
На фиг.2 представлена графическая зависимость изменения средней температуры в зоне резания от скорости резания:Figure 2 presents a graphical dependence of the change in average temperature in the cutting zone on the cutting speed:
кривая 1 - для твердосплавных режущих пластинок из первой партии образцов,curve 1 - for carbide cutting inserts from the first batch of samples,
кривая 2 - для твердосплавных режущих пластинок из второй партии образцов.curve 2 - for carbide cutting inserts from the second batch of samples.
Твердосплавные режущие пластинки были получены от двух разных предприятий-изготовителей.Carbide cutting inserts were obtained from two different manufacturers.
Пример осуществления способа "Определение оптимальной скорости резания"An example of the method "Determination of the optimal cutting speed"
Сначала твердосплавные пластинки помещались в специальное приспособление и измельчались. Затем отбиралась фракция с размерами от 1,0 до 2,0 мм, весом 20 г и помещалась в специальную алундовую капсулу. После этого капсулу с образцовым материалом устанавливали в рабочую зону (электрическую печь) на термографической установке и производили измерения. Скорость нагревания составляла 20°С/мин. Нагревание производили до 900°С. Было установлено, что наиболее высокая интенсивность проявления эндотермического эффекта для всех (4 штуки) образцов из первой партии твердосплавных пластинок происходит при температуре 726°С, а для всех (4 штуки) образцов из второй партии твердосплавных пластинок - при 718°С. На Фиг.1 представлена зависимость проявления интенсивности эндотермического эффекта от температуры нагревания приготовленной массы (пробы) для образцов из первой и второй партии твердосплавных пластинок.First, carbide inserts were placed in a special device and crushed. Then a fraction was selected with sizes from 1.0 to 2.0 mm, weighing 20 g, and placed in a special alundum capsule. After that, the capsule with the sample material was installed in the working area (electric furnace) on a thermographic installation and measurements were made. The heating rate was 20 ° C / min. Heating was performed to 900 ° C. It was found that the highest intensity of the manifestation of the endothermic effect for all (4 pieces) of samples from the first batch of carbide plates occurs at a temperature of 726 ° C, and for all (4 pieces) of samples from the second batch of carbide plates at 718 ° C. Figure 1 shows the dependence of the manifestation of the intensity of the endothermic effect on the heating temperature of the prepared mass (sample) for samples from the first and second batch of carbide plates.
Затем определялась температура резания в зоне контакта инструментального и обрабатываемого материалов от скорости резания. Обрабатываемым материалом служила труднообрабатываемая хромоникелевая сталь Х18Н10Т. Резание производилось при скоростях от 40 до 120 м/мин без использования СОЖ. Глубина резания и подача были постоянными и равнялись соответственно 1,5 мм и 0,23 мм/об. При резании использовались твердосплавные режущие пластины марки ВК8 из двух различных поставок. По данным исследований строилась зависимость изменения температуры в зоне контакта от скорости резания, показанная на фиг.2. Температура определялась с помощью высокочувствительного пирометра. Параллельно с этим проводились стойкостные испытания. Было установлено, что наиболее низкая интенсивность износа режущих инструментов соответствовала эксплуатации их при скорости резания, соответствующей той температуре в зоне контакта, при которой в наибольшей степени проявляется эндотермический эффект при нагревании твердосплавных проб.Then, the cutting temperature was determined in the contact zone of the tool and the processed material from the cutting speed. The material to be processed was the hard-working chromium-nickel steel X18H10T. Cutting was carried out at speeds from 40 to 120 m / min without the use of coolant. Depth of cut and feed were constant and equal to 1.5 mm and 0.23 mm / rev, respectively. When cutting, carbide inserts of the VK8 brand from two different deliveries were used. According to research, the dependence of the temperature change in the contact zone on the cutting speed, shown in figure 2, was built. The temperature was determined using a highly sensitive pyrometer. In parallel with this, persistent tests were carried out. It was found that the lowest wear rate of cutting tools corresponded to their operation at a cutting speed corresponding to that temperature in the contact zone at which the endothermic effect is most pronounced when carbide samples are heated.
Таким образом, последовательность в определении оптимальной скорости резания является следующей: сначала из графика зависимости «интенсивность проявления эндотермического эффекта - температура нагревания твердосплавной испытываемой массы», определяют температуру наиболее интенсивного проявления эндотермического эффекта (оптимальную температуру), затем с помощью графика зависимости «скорость резания - температура резания» и на основании имеющейся оптимальной температуры проявления эндотермического эффекта, полученной из предыдущей зависимости, определяют оптимальную скорость резания.Thus, the sequence in determining the optimal cutting speed is as follows: first, from the graph of the dependence “intensity of manifestation of the endothermic effect - heating temperature of the carbide test mass”, determine the temperature of the most intense manifestation of the endothermic effect (optimal temperature), then using the graph of the dependence “cutting speed - cutting temperature ”and based on the available optimum temperature for the manifestation of the endothermic effect obtained from previous boiling depending determine an optimal cutting speed.
Для первой партии резцов оптимальная скорость резания составила 77,2 м/мин, для второй - 75,5 м/мин. Стойкостные испытания, проведенные при различных скоростях резания, постоянной подаче, равной 0,23 мм/об, и глубине резания 1,5 мм, показали, что именно при скорости резания, равной 77,2 м/мин, соответствующей температуре 726°С в зоне контакта для первой партии режущих пластинок, и при скорости резания, равной 75,5 м/мин, соответствующей температуре в зоне контакта, равной 718°С, для второй партии режущих пластинок наблюдаются минимальные интенсивности износа. Оптимальные скорости резания, полученные для первой и второй партий твердосплавных режущих пластинок по способу в соответствии с прототипом равнялись соответственно 82 и 78 м/мин. Проведенные стойкостные испытания показали, что при этих скоростях резания наблюдается повышенная интенсивность износа твердосплавных режущих инструментов по сравнению с их эксплуатацией при скоростях резания, полученных по предлагаемому способу. При этом, в результате статистической обработки было получено, что коэффициент вариации износостойкости по предлагаемому способу для первой партии режущих пластинок составил 0,19; для второй - 0,23. По прототипу соответственно 0,26 м 0,29. Это указывает на больший разброс износостойкости режущих инструментов, эксплуатируемых на скорости резания, определяемой по прототипу, и на предпочтительный характер выбора оптимальной скорости резания по предлагаемому способу. В итоге износостойкость режущих инструментов обеих партий твердосплавных пластин, эксплуатируемых на режимах резания, определенных с помощью прототипа, оказалась ниже по сравнению с пластинами, эксплуатируемыми на режимах резания в соответствии с предлагаемым способом.For the first batch of cutters, the optimal cutting speed was 77.2 m / min, for the second - 75.5 m / min. Durability tests carried out at various cutting speeds, a constant feed of 0.23 mm / rev and a cutting depth of 1.5 mm showed that it is with a cutting speed of 77.2 m / min, corresponding to a temperature of 726 ° C in the contact zone for the first batch of cutting inserts, and at a cutting speed of 75.5 m / min, corresponding to a temperature in the contact zone of 718 ° C, the minimum wear rates are observed for the second batch of cutting inserts. The optimal cutting speeds obtained for the first and second parties of carbide cutting inserts by the method in accordance with the prototype were 82 and 78 m / min, respectively. Conducted persistent tests showed that at these cutting speeds there is an increased wear rate of carbide cutting tools compared to their operation at cutting speeds obtained by the proposed method. Moreover, as a result of statistical processing, it was found that the coefficient of variation of wear resistance according to the proposed method for the first batch of cutting inserts was 0.19; for the second - 0.23. According to the prototype, respectively 0.26 m 0.29. This indicates a greater range of wear resistance of cutting tools operated at a cutting speed determined by the prototype, and the preferred nature of the selection of the optimal cutting speed by the proposed method. As a result, the wear resistance of cutting tools of both batches of carbide inserts operated at cutting conditions determined using the prototype turned out to be lower in comparison with inserts operated at cutting modes in accordance with the proposed method.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008116521/02A RU2374038C1 (en) | 2008-04-25 | 2008-04-25 | Method of definition of optimal cutting speed |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008116521/02A RU2374038C1 (en) | 2008-04-25 | 2008-04-25 | Method of definition of optimal cutting speed |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2374038C1 true RU2374038C1 (en) | 2009-11-27 |
Family
ID=41476571
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008116521/02A RU2374038C1 (en) | 2008-04-25 | 2008-04-25 | Method of definition of optimal cutting speed |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2374038C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2494839C1 (en) * | 2012-03-14 | 2013-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of accelerated determination of optimum cutting speed |
| RU2496903C1 (en) * | 2012-03-07 | 2013-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный технический университет" | Method for material processing by cutting |
-
2008
- 2008-04-25 RU RU2008116521/02A patent/RU2374038C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2496903C1 (en) * | 2012-03-07 | 2013-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный технический университет" | Method for material processing by cutting |
| RU2494839C1 (en) * | 2012-03-14 | 2013-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of accelerated determination of optimum cutting speed |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Komarov et al. | The effect of steel substrate pre-hardening on structural, mechanical, and tribological properties of magnetron sputtered TiN and TiAlN coatings | |
| Keddam et al. | Characterization, tribological and mechanical properties of plasma paste borided AISI 316 steel | |
| Makuch et al. | Laser surface alloying of commercially pure titanium with boron and carbon | |
| Dybkov et al. | Formation of boride layers at the Fe–10% Cr alloy–boron interface | |
| Teppernegg et al. | Evolution of residual stress and damage in coated hard metal milling inserts over the complete tool life | |
| Agrawal et al. | Metastable high entropy alloys: An excellent defect tolerant material for additive manufacturing | |
| Krupp et al. | Internal nitridation of nickel-base alloys. Part I. Behavior of binary and ternary alloys of the Ni-Cr-Al-Ti system | |
| Keddam et al. | Kinetic investigation and wear properties of Fe 2 B layers on AISI 12L14 steel | |
| Iordanova et al. | Changes of microstructure and mechanical properties of cold-rolled low carbon steel due to its surface treatment by Nd: glass pulsed laser | |
| Kreuzeder et al. | Fabrication and thermo-mechanical behavior of ultra-fine porous copper | |
| Keddam et al. | Characterization and diffusion kinetics of the plasma paste borided AISI 440C steel | |
| Al-rubaiey et al. | The influence of microstructure on the corrosion rate of carbon steels | |
| Jakubéczyová et al. | Investigation of thin layers deposited by two PVD techniques on high speed steel produced by powder metallurgy | |
| Haghshenas et al. | On room-temperature nanoindentation response of an Al–Li–Cu alloy | |
| RU2370750C1 (en) | Method of forecasting wear resistance of cemented-carbide cutting tool | |
| Gonzalez-Moran et al. | Improved mechanical and wear properties of H13 tool steel by nitrogen-expanded martensite using current-controlled plasma nitriding | |
| RU2374038C1 (en) | Method of definition of optimal cutting speed | |
| Mozgovoy et al. | High temperature friction and wear performance of PVD coatings under press hardening contact conditions | |
| Ozbek et al. | The effect of plasma detonation parameters on residual stresses developed in the plasma modified layer | |
| RU2569920C1 (en) | Procedure for forecast of wear resistance of hard alloy cutting tools | |
| RU2374040C1 (en) | Method for determination of optimal cutting speed | |
| Labisz et al. | Effect of laser feeding on heat treated aluminium alloy surface properties | |
| RU2230630C1 (en) | Method for determining optimal cutting speed | |
| RU2494839C1 (en) | Method of accelerated determination of optimum cutting speed | |
| Barel et al. | The effect of heat treatment and HCF performance on hydrogen trapping mechanism in timetal LCB alloy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100426 |