RU2465984C2 - Method of accelerated determination of optimum cutting speed - Google Patents
Method of accelerated determination of optimum cutting speed Download PDFInfo
- Publication number
- RU2465984C2 RU2465984C2 RU2011106685/02A RU2011106685A RU2465984C2 RU 2465984 C2 RU2465984 C2 RU 2465984C2 RU 2011106685/02 A RU2011106685/02 A RU 2011106685/02A RU 2011106685 A RU2011106685 A RU 2011106685A RU 2465984 C2 RU2465984 C2 RU 2465984C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- cutting
- carbide
- optimal
- transition
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
- Turning (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 (АС №1028427, МПК 3 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, IPC 3
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 после специальной подготовки, 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°C 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 termination of the cutting experiments and after special preparation, including its cleaning, possible destruction and the choice of control place. Due to the different cooling rates of different areas of the tool material after the next heating during 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 occurring changes is reduced. Inaccuracies also arise due to the fact that a local random wear zone of the 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 (АС 841779, МПК 3 B23B 1/00, БИ №24, 1981), основанный на том, что оптимальной скорости режущего инструмента соответствует минимальная длина участка упрочения на контактной поверхности режущего инструмента. Выбор в качестве исходного параметра длины участка упрочения 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. Оптимальную скорость резания определяют на графике по минимальной длине участка упрочнения.A known method for determining the optimal cutting speed (AC 841779, IPC 3
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 area due to its small size, averaging 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 (АС №1227339, B23B 1/00, Б.И №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 определяют оптимальную скорость резания, соответствующую наибольшей температуре, при которой в структуре устанавливается минимальное значение уровня вакансионной дефектности.There is a method of determining the optimal cutting speed for carbide tools (AS 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) для режущих инструментов, оснащенных вольфрамокобальтовыми твердыми сплавами - группы применяемости К.The objective of the proposed method is to increase accuracy and reduce the complexity in determining the optimal cutting conditions (optimal cutting speed) for cutting tools equipped with tungsten-cobalt hard alloys - applicability group K.
Решение поставленной задачи в предлагаемом способе - определение оптимальной скорости резания твердосплавными режущими инструментами группы применяемости К в виде режущих пластин включает сначала проведение измерения температуры в зоне контакта инструментальный-обрабатываемый материал при различных скоростях резания с построением графической зависимости, а затем по построенной графической зависимости «скорость резания-температура резания» устанавливают в качестве оптимальной скорости резания скорость, при которой температура нагрева в зоне рабочего контакта инструментальный-обрабатываемый материал соответствует температуре предварительного нагрева твердосплавной режущей пластины в ячейке дилатометра, которая соответствует при повышении температуры переходу коэффициента термического расширения от линейного механизма изменения к параболическому.The solution of the problem in the proposed method is the determination of the optimum cutting speed by carbide cutting tools of the applicability group K in the form of cutting inserts, first includes measuring the temperature in the contact zone of the tool-processed material at various cutting speeds with the construction of a graphical dependence, and then using the constructed graphical dependence “speed cutting-cutting temperature "set as the optimal cutting speed the speed at which the temperature agreva in a work-tool contact zone the processed material meets the preheating temperature carbide cutting insert in a cell dilatometer, which corresponds with an increase in transition temperature thermal expansion coefficient of the ramp mechanism to parabolic.
Температура перехода характеризуется изменением коэффициента термического линейного расширения, когда процесс внешнего окисления поверхности твердосплавного режущего инструмента изменяется на интенсивное катастрофическое окисление, связанное с процессом нарастающей сублимации оксидного материала.The transition temperature is characterized by a change in the coefficient of thermal linear expansion, when the process of external oxidation of the surface of a carbide cutting tool changes to intense catastrophic oxidation associated with the process of increasing sublimation of the oxide material.
При температуре перехода в наибольшей степени проявляется эффект внешнего окисления и исключается катастрофическое окисление, формируется диссипативная поверхностная полиоксидная структура, обеспечивается наибольшее снижение адгезионного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов, происходит наибольшее повышение износостойкости режущего инструмента.At the transition temperature, the effect of external oxidation is manifested to the greatest extent and catastrophic oxidation is excluded, a dissipative surface polyoxide structure is formed, the greatest decrease in the adhesive interaction of the tool and the processed material is achieved, and the greatest increase in the wear resistance of the cutting tool occurs.
Процесс окисления твердых сплавов группы применяемости К происходит в несколько этапов. Имеются два основных, принципиально отличающихся этапа окисления твердосплавных группы применяемости К режущих инструментов: линейный и параболический.The process of oxidation of hard alloys of the applicability group K occurs in several stages. There are two main, fundamentally different stages of oxidation of carbide carbide groups of applicability To cutting tools: linear and parabolic.
Линейный характер внешнего окисления поверхности твердых сплавов группы применяемости К начинается при 20-30°С и продолжается примерно до температур 700-760°С.The linear nature of the external oxidation of the surface of the hard alloys of the applicability group K begins at 20-30 ° C and lasts approximately to temperatures of 700-760 ° C.
При дальнейшем повышении температуры линейный характер окисления (роста на поверхности окисной пленки) сменяется более интенсивным - параболическим, сопровождающимся переходом карбидной структуры твердого сплава в полиоксидную, локальным плавлением, сублимацией окислов полиоксидной структуры и катастрофическим разрушением (катастрофическое окисление).With a further increase in temperature, the linear character of oxidation (growth on the surface of the oxide film) is replaced by a more intense one - parabolic, accompanied by the transition of the carbide structure of the hard alloy to polyoxide, local melting, sublimation of the oxides of the polyoxide structure and catastrophic destruction (catastrophic oxidation).
Процесс внешнего окисления происходит в том случае, если образующаяся на поверхности окисная пленка имеет высокую степень пористости. В этих условиях кислород к неокисленной поверхности проникает через различные дефекты в окисной пленке.The process of external oxidation occurs if the oxide film formed on the surface has a high degree of porosity. Under these conditions, oxygen penetrates the unoxidized surface through various defects in the oxide film.
Основными видами дефектов в образовавшейся окисной пленке могут быть анионные и катионные вакансии, мелкие и крупные скопления этих дефектов, макропоры, мелкие и крупные трещины.The main types of defects in the formed oxide film can be anionic and cationic vacancies, small and large accumulations of these defects, macropores, small and large cracks.
Причинами образования указанных несовершенств являются химический состав компонентов твердого сплава, наличие легирующих элементов и примесей, особенности технологии получения твердых сплавов в целом и их компонентов в отдельности, условия, при которых происходит формирование окисных пленок на поверхности.The reasons for the formation of these imperfections are the chemical composition of the components of the hard alloy, the presence of alloying elements and impurities, the features of the technology for producing hard alloys in general and their components separately, the conditions under which the formation of oxide films on the surface occurs.
При температурах меньших перехода от линейного (низкотемпературного) к параболическому (высокотемпературному) изменению коэффициента термического расширения на контактных поверхностях твердосплавного режущего инструмента группы применяемости К формируется слишком тонкий, недостаточно сплошной и недостаточно когерентный по отношению к подложке оксидный состав.At temperatures lower than the transition from linear (low-temperature) to parabolic (high-temperature) changes in the coefficient of thermal expansion on the contact surfaces of the carbide cutting tool of the applicability group K, the oxide composition is formed too thin, insufficiently continuous, and not sufficiently coherent with respect to the substrate.
Вследствие этого полиоксидная структура в недостаточной мере выполняет защитные функции от износа.As a result of this, the polyoxide structure insufficiently performs protective functions against wear.
При температурах больших точки (границы) перехода от линейного к параболическому коэффициент термического расширения и процесс расширения структуры резко возрастают и, соответственно, интенсифицируется окисление твердых сплавов. Начинаются и ускоряются явления внутреннего окисления инструментального материала. В формирующемся полиоксидном соединении увеличивается объем участков локального плавления. Происходит рост летучих оксидов в полиоксидной массе. В итоге деградация вследствие окисления и сопутствующих ему процессов заканчивается обширным катастрофическим окислением (разрушением) и потерей устойчивости структуры.At temperatures of large points (boundaries) of the transition from linear to parabolic, the coefficient of thermal expansion and the process of expansion of the structure increase sharply and, accordingly, the oxidation of hard alloys is intensified. The phenomena of internal oxidation of instrumental material begin and accelerate. In the resulting polyoxide compound, the volume of local melting sites increases. The growth of volatile oxides in the polyoxide mass occurs. As a result, degradation due to oxidation and its accompanying processes ends with extensive catastrophic oxidation (destruction) and loss of stability of the structure.
При температуре, соответствующей переходу от линейного к параболическому характеру изменения от температуры коэффициента термического расширения (α), в наиболее оптимальной форме происходит процесс внешнего окисления и одновременно отсутствуют признаки катастрофического окисления (разрушения) структуры твердого сплава. При этом на поверхности твердых сплавов формируются когерентные оксидные пленки толщиной до 0,05-0,10 мкм, прочно связанные с поверхностью. Такие поверхностные оксидные структуры выполняют роль экрана при адгезионном взаимодействии режущего инструмента с обрабатываемым материалом, а при их разрушении являются твердой смазкой контактной зоны.At a temperature corresponding to the transition from a linear to parabolic nature of the change in temperature of the coefficient of thermal expansion (α), the process of external oxidation takes place in the most optimal form and at the same time there are no signs of catastrophic oxidation (destruction) of the structure of the hard alloy. At the same time, coherent oxide films with a thickness of up to 0.05-0.10 μm, firmly bound to the surface, are formed on the surface of hard alloys. Such surface oxide structures play the role of a screen during the adhesive interaction of the cutting tool with the processed material, and when they are destroyed, they are a solid lubricant of the contact zone.
Процесс формирования диссипативной полиоксидной структуры на рабочих поверхностях режущего клина, соответствующий достижению температуры перехода от линейного к параболическому характеру изменения от температуры коэффициента термического расширения, сопровождается достаточно высокой адсорбцией кислорода контактными поверхностями режущего инструмента, образованием и ростом полиоксидной пленки, стабилизацией ее свойств, частичным нарушением ее сплошности на участках действия высоких локальных контактных напряжений, перераспределением нагрузки на ее поверхность, интенсивной реконструкцией деградированной оксидной поверхности и т.д.The process of formation of a dissipative polyoxide structure on the working surfaces of the cutting wedge, corresponding to the achievement of the transition temperature from a linear to parabolic nature of the change in temperature of the coefficient of thermal expansion, is accompanied by a sufficiently high adsorption of oxygen by the contact surfaces of the cutting tool, the formation and growth of the polyoxide film, stabilization of its properties, partial violation of it continuity in areas of high local contact stresses, redistribution ELENITE load on its surface, intensive reconstruction degraded oxide surfaces, etc.
Степень заполнения адсорбируемой кислород поверхности при температуре точки перехода достигает наибольшей величины. Адсорбция включает последовательный процесс образование пленки диссоциированного кислорода, закрепление молекулярного кислорода на поверхности предыдущего слоя, рост пленки окисла. Захват поверхностью первого слоя кислорода и его диссоциация происходит мгновенно. С ростом слоев скорость уменьшается и через некоторый промежуток времени достигает стабильной величины. При выдержке поверхности с адсорбированным кислородом в вакууме скорость фиксации кислорода на поверхности при вторичном ее контакте с открытой атмосферой существенно возрастает. Представленная картина эффективной адсорбции кислорода контактной поверхностью режущего инструмента обеспечивается пульсирующим характером процесса стружкообразования, когда расположение контактного участка и его протяженность непрерывно изменяются. Реконструкция сплошности оксидной поверхности наиболее эффективно протекает именно при температуре перехода, когда при эпитаксии наращиваемого слоя обеспечивается когерентность формируемой структуры с карбидно-металлической основой и с боковой границей оксидной области, не подвергшейся разрушению.The degree of filling of the adsorbed oxygen surface at the temperature of the transition point reaches its maximum value. Adsorption includes a sequential process of the formation of a film of dissociated oxygen, the fixation of molecular oxygen on the surface of the previous layer, the growth of an oxide film. The capture by the surface of the first layer of oxygen and its dissociation occurs instantly. With the growth of layers, the velocity decreases and after a certain period of time reaches a stable value. When holding the surface with adsorbed oxygen in a vacuum, the rate of oxygen fixation on the surface during its secondary contact with an open atmosphere increases significantly. The presented picture of the effective adsorption of oxygen by the contact surface of the cutting tool is provided by the pulsating nature of the chip formation process, when the location of the contact section and its length are continuously changing. The reconstruction of the continuity of the oxide surface proceeds most efficiently precisely at the transition temperature, when the epitaxy of the growing layer ensures coherence of the formed structure with a carbide-metal base and with a lateral boundary of the oxide region that has not been destroyed.
Установлено, что для различных марок твердых сплавов группы применяемости K переход от линейного к параболическому характеру изменения коэффициента термического расширения (α) происходит при различных температурах. Основным фактором, изменяющим температуру перехода от одного механизма термического расширения к другому, является фазовое превращения кобальтовой связки из ферромагнитного состояния в антиферромагнитное. Вместе с тем на температуру начала этого превращения оказывают влияние твердофазные реакции, связанные с образованием твердого раствора карбида вольфрама в кобальте, окисление карбида вольфрама и кобальта, образование сложных оксикарбидов и полиоксидов.It was found that for various grades of hard alloys of the applicability group K, the transition from linear to parabolic nature of the change in the coefficient of thermal expansion (α) occurs at different temperatures. The main factor that changes the transition temperature from one mechanism of thermal expansion to another is the phase transformation of the cobalt bond from the ferromagnetic state to the antiferromagnetic one. At the same time, the onset temperature of this transformation is affected by solid-phase reactions associated with the formation of a solid solution of tungsten carbide in cobalt, the oxidation of tungsten carbide and cobalt, and the formation of complex oxycarbides and polyoxides.
Большое влияние на переход к интенсивному росту коэффициента термического расширения оказывает также процесс образования эвтектик с участием кислорода, и образование расплавов в локальных точках поверхности и приповерхностной структуры. Достаточно высокий вклад в тепловое расширение при этом вносят также и примеси, входящие в состав твердого сплава и имеющие при этом более высокое сродство к кислороду, чем основные компоненты. Эти элементы формируют при окислении систему точечных оксидных образований в структуре и наряду с вышеуказанными факторами существенно снижают силу взаимодействия атомов в карбидных зернах, кобальтовой прослойке и на межфазных границах. Вследствие этого происходит интенсивный рост коэффициента термического расширения.The formation of eutectics with the participation of oxygen and the formation of melts at local points on the surface and near-surface structure also have a great influence on the transition to an intensive increase in the coefficient of thermal expansion. A rather high contribution to thermal expansion is also made by impurities that are part of the hard alloy and which have a higher affinity for oxygen than the main components. During oxidation, these elements form a system of point oxide formations in the structure and, along with the above factors, significantly reduce the interaction strength of atoms in carbide grains, the cobalt interlayer, and at the interphase boundaries. As a result of this, an increase in the coefficient of thermal expansion occurs.
Разброс состава и свойств твердых сплавов одной марки, но принадлежащих к общей группе применяемости К, приводит и к разбросу значений α от некоторого оптимального значения, при котором происходит переход от линейного к параболическому характеру изменения от температуры коэффициента термического расширения. Вместе с тем температурный переход характеризуется образованием на поверхности и в приповерхностной области эффективной диссипативной структуры, обеспечивающей наибольшее повышение износостойкости режущего инструмента за счет экранирования межмолекулярного взаимодействия и снижения коэффициента трения вследствие выполнения этой структурой роли твердой смазки. Наибольшее снижение интегрального износа режущего инструмента происходит при некоторой, оптимальной для конкретного твердого сплава температуре эксплуатации, соответствующей переходу от низкотемпературного (линейного) к высокотемпературному (параболическому) характеру изменения от температуры коэффициента термического расширения (α) и при которой в наибольшей степени проявляется эффект оптимального внешнего окисления. Ниже и выше указанной температуры (или некоторого узкого диапазона температур) эффект оптимального внешнего окисления проявляется в меньшей мере, а структуры, формирующиеся на поверхности и в приповерхностной области режущего клина при резании материалов и вызывающие интенсивный адгезионный износ, не обеспечивают наиболее высокую износостойкость режущего инструмента. Образование на поверхности режущего клина оксидных пленок (когерентно связанных с подложкой), в результате оптимального внешнего окисления, сопровождается повышением ее теплоемкости и снижением теплопроводности и, соответственно, снижением вероятности разрушения режущего инструмента вследствие адгезионного взаимодействия его с обрабатываемым материалом. Интенсивное за счет высокой теплопроводности снижение температуры на поверхности не приводит к неизбежному локальному микросвариванию инструментального и обрабатываемого материалов в зонах образования активных центров. Реализация благоприятной ситуации (с точки зрения снижения интенсивности износа) для режущего инструмента, связанной с оптимальным внешним окислением поверхности, являющимся следствием оптимальной адсорбции вещества из окружающей газовой среды контактными поверхностями режущего инструмента, ростом поверхностной оксидной структуры (пленки) до критических размеров, частичным окислением приповерхностной области за счет диффузии свободного кислорода и кислорода, входящего в состав поверхностных оксидов, перераспределением кислорода в приповерхностной области, образованием твердых растворов с участием кислорода и элементов, входящих в состав объемной структуры твердых сплавов и диффундирующих, в свою очередь, к поверхности, образованием двойного заряженного слоя, происходит при температуре, наиболее оптимальной для протекания указанных процессов. Эта температура соответствует переходу от линейного к параболическому характеру изменения от температуры коэффициента термического расширения, и при которой в наиболее оптимальной форме происходит внешнее окисление поверхности, и одновременно отсутствуют признаки катастрофического окисления (разрушения) структуры твердого сплава.A scatter in the composition and properties of hard alloys of the same brand, but belonging to the general applicability group K, also leads to a scatter in the values of α from a certain optimal value, at which a transition from linear to parabolic nature of the temperature expansion coefficient of thermal expansion occurs. At the same time, the temperature transition is characterized by the formation on the surface and in the near-surface region of an effective dissipative structure that provides the greatest increase in the wear resistance of the cutting tool due to the shielding of intermolecular interaction and a decrease in the friction coefficient due to the role of solid lubricant by this structure. The greatest decrease in the integral wear of the cutting tool occurs at a certain operating temperature that is optimal for a particular hard alloy, which corresponds to a transition from a low-temperature (linear) to a high-temperature (parabolic) nature of the change in temperature of the coefficient of thermal expansion (α) and at which the effect of optimal external oxidation. Below and above the indicated temperature (or some narrow temperature range), the effect of optimal external oxidation is manifested to a lesser extent, and the structures that form on the surface and in the surface region of the cutting wedge during cutting of materials and cause intense adhesive wear do not provide the highest wear resistance of the cutting tool. The formation of oxide films (coherently connected with the substrate) on the surface of the cutting wedge, as a result of optimal external oxidation, is accompanied by an increase in its heat capacity and a decrease in thermal conductivity and, accordingly, a decrease in the likelihood of destruction of the cutting tool due to its adhesive interaction with the processed material. The intense decrease in surface temperature due to high thermal conductivity does not lead to the inevitable local micro-welding of tool and processed materials in the zones of formation of active centers. The implementation of a favorable situation (from the point of view of reducing the wear rate) for the cutting tool, associated with optimal external surface oxidation, which is the result of optimal adsorption of the substance from the surrounding gas environment by the contact surfaces of the cutting tool, the growth of the surface oxide structure (film) to critical sizes, partial oxidation of the surface regions due to the diffusion of free oxygen and oxygen, which is part of the surface oxides, by redistribution of oxygen in the near-surface region, the formation of solid solutions with the participation of oxygen and elements that make up the bulk structure of hard alloys and diffuse, in turn, to the surface, the formation of a double charged layer, occurs at a temperature that is most optimal for these processes. This temperature corresponds to the transition from a linear to parabolic nature of the change in temperature of the coefficient of thermal expansion, and at which the surface is oxidized in the most optimal form, and at the same time there are no signs of catastrophic oxidation (destruction) of the structure of the hard alloy.
Большое влияние на процесс оптимального внешнего окисления оказывает наличие в объемной структуре твердого сплава различных примесей, более или менее активных по отношению к кислороду, которые участвуют в локальном окислении или восстановлении компонентов твердого сплава, а также в образовании двойного электрического слоя, являющегося эффективным экраном против межмолекулярного взаимодействия. Движение примесей к поверхности происходит за счет диффузии, активированной нагреванием. Диффузия примесей из объема интенсифицирует встречную диффузию кислорода. Примеси способствуют также формированию когерентных к подложке диссипативных оксидных структур. В наибольшей степени это проявляется в диапазоне температур, сопровождающихся переходом от линейного к параболическому характеру изменения от температуры коэффициента термического расширения (α). Вследствие этого центры образования оксидов формируются вблизи поверхностных дефектов подложки (ступеней, выходов дислокаций и др.) и ориентируются так, чтобы параметры решеток растущего в процессе окисления кристалла и поверхности незатронутой окислением находились в максимальном приближении. Образование поверхностных оксидных пленок и приповерхностных оксикарбидных структур сопровождается повышением химической стабильности поверхности, снижением ее внутренней энергии и энтропии. Снижение реакционной способности поверхности приводит, соответственно, к снижению адгезионной активности в зоне трибологического контакта. В итоге происходит снижение концентрации активных центров на контактных поверхностях режущего инструмента, снижается уровень актов микросваривания в локальных точках, а следовательно, уменьшается и износ твердосплавного режущего инструмента. Образующаяся в результате оптимального внешнего окисления поверхностная структура предопределяет изотропный характер фононных колебаний кристаллической решетки. Мощность теплового потока, направленного в объемную структуру твердого сплава, и скорость его распространения являются при этом постоянными. Спектр частот тепловых колебаний кристаллической решетки остается однородным. Удельный вес мод высокочастотных колебаний кристаллической решетки преобладает над удельным весом низкочастотных колебаний. Это является одним из условий поддерживания на заданном уровне величины коэффициента линейного термического расширения в области перехода от линейного расширения к параболическому. Вследствие указанных причин диффузия кислорода в структуру твердых сплавов группы применяемости К со стороны поверхности является контролируемой, а процесс поверхностного окисления самоуправляемым. Процесс самоорганизации проявляется также при реконструкции окисленной поверхности, подвергшейся локальному разрушению в результате адгезионного взаимодействия с обрабатываемым материалом. Причем восстановление поверхности происходит с соблюдением правил соответствия параметров нарастающего кристалла, подложки и боковых границ. Оксидные поверхностные образования, участвующие в создании диссипативного слоя, являются эффективным препятствием для межмолекулярного взаимодействия вследствие их значительной нестехиометрии и гибкости химической связи между металлическим и неметаллическим элементами. Последнее обстоятельство обуславливает у полиоксидной пленки высокую диэлектрическую проницаемость. Деградация поверхностной оксикарбидной структуры в процессе резания материалов происходит периодически, вследствие образования и последующего разрушения адгезионных связей между обрабатываемым и инструментальным материалом. В связи с этим большое значение для пленки имеет высокая ее добротность, включающая наличие достаточной электрической (тепловой) прочности и теплопроводности, которые в совокупности обеспечивают высокую работоспособность полиоксидной структуры в зоне трибологического контакта. Отмеченные качества поверхностной полиоксидной массы в наибольшей степени формируются при переходе от низкотемпературного (линейного) к высокотемпературному (параболическому) характеру изменения от температуры коэффициента термического расширения (α). При этом в оптимальной форме проявляется эффект окисления поверхности и достигается оптимальный геометрический микрорельеф поверхностной полиоксидной пленки (структуры), что, в общем, и приводит к повышению износостойкости режущего инструмента. Таким образом, при оптимальных скоростях резания и соответствующим этим скоростям температурам эксплуатации твердых сплавов, сопровождающимся эффектом оптимального внешнего окисления на поверхности и в приповерхностной области формируется такая диссипативная структура, которая предохраняет их от интенсивного адгезионного износа и способствует повышению ресурса работы режущих инструментов.A great influence on the process of optimal external oxidation is exerted by the presence in the bulk structure of the hard alloy of various impurities, more or less active with respect to oxygen, which are involved in the local oxidation or reduction of the components of the hard alloy, as well as in the formation of a double electric layer, which is an effective screen against intermolecular interactions. The movement of impurities to the surface occurs due to diffusion activated by heating. The diffusion of impurities from the volume intensifies the counter diffusion of oxygen. Impurities also contribute to the formation of dissipative oxide structures coherent to the substrate. This is manifested to the greatest extent in the temperature range, accompanied by a transition from a linear to parabolic nature of the change in temperature of the coefficient of thermal expansion (α). As a result, the centers of oxide formation are formed near the surface defects of the substrate (steps, dislocation yields, etc.) and are oriented so that the lattice parameters of the crystal growing on the surface and not affected by oxidation are in the maximum approximation. The formation of surface oxide films and surface hydroxycarbide structures is accompanied by an increase in the surface chemical stability and a decrease in its internal energy and entropy. A decrease in the surface reactivity leads, respectively, to a decrease in the adhesive activity in the tribological contact zone. As a result, the concentration of active centers on the contact surfaces of the cutting tool decreases, the level of microwelding acts at local points decreases, and, therefore, the wear of carbide cutting tools also decreases. The surface structure formed as a result of optimal external oxidation determines the isotropic nature of the phonon vibrations of the crystal lattice. The power of the heat flux directed into the bulk structure of the hard alloy, and its propagation velocity are constant. The frequency spectrum of thermal vibrations of the crystal lattice remains uniform. The specific gravity of high-frequency vibration modes of the crystal lattice prevails over the specific gravity of low-frequency vibrations. This is one of the conditions for maintaining at a given level the coefficient of linear thermal expansion in the region of transition from linear expansion to parabolic. Due to these reasons, the diffusion of oxygen into the structure of hard alloys of the group of applicability K from the surface is controlled, and the process of surface oxidation is self-controlled. The self-organization process also manifests itself in the reconstruction of an oxidized surface, which underwent local destruction as a result of adhesive interaction with the processed material. Moreover, the restoration of the surface occurs in compliance with the rules for matching the parameters of the growing crystal, substrate, and side boundaries. Oxide surface formations involved in the creation of a dissipative layer are an effective obstacle to intermolecular interaction due to their significant non-stoichiometry and the flexibility of the chemical bond between metallic and non-metallic elements. The latter circumstance causes a high dielectric constant in a polyoxide film. The degradation of the surface oxycarbide structure during the cutting of materials occurs periodically, due to the formation and subsequent destruction of the adhesive bonds between the processed and tool material. In this regard, its high quality factor is of great importance for the film, including the availability of sufficient electrical (thermal) strength and thermal conductivity, which together provide a high performance polyoxide structure in the tribological contact zone. The noted qualities of the surface polyoxide mass are most formed during the transition from a low-temperature (linear) to a high-temperature (parabolic) nature of the change in temperature of the coefficient of thermal expansion (α). At the same time, the effect of surface oxidation is manifested in the optimal form and an optimal geometric microrelief of the surface polyoxide film (structure) is achieved, which, in general, leads to an increase in the wear resistance of the cutting tool. Thus, at optimal cutting speeds and operating temperatures of hard alloys corresponding to these speeds, accompanied by the effect of optimal external oxidation, a dissipative structure is formed on the surface and in the near-surface region, which protects them from intensive adhesive wear and helps to increase the life of cutting tools.
В итоге в качестве оптимальной скорости резания принимают скорость, при которой температура нагрева в зоне рабочего контакта соответствует выбранной температуре предварительного нагрева твердосплавного инструмента, а именно температуре, при которой происходит переход от низкотемпературного (линейного) к высокотемпературному (параболическому) характеру изменения от температуры коэффициента термического расширения (α) и при которой в оптимальной форме проявляется эффект внешнего окисления. При этом пользуются экспериментально полученной графической зависимостью: «скорость резания-температура резания».As a result, the optimum cutting speed is the speed at which the heating temperature in the working contact zone corresponds to the selected temperature of the carbide tool preheating, namely, the temperature at which the transition from low-temperature (linear) to high-temperature (parabolic) nature of the change in temperature of the thermal coefficient expansion (α) and in which the effect of external oxidation is manifested in the optimal form. In doing so, they use the experimentally obtained graphic relationship: “cutting speed-cutting temperature”.
Полигон изменения коэффициента линейного термического расширения для твердых сплавов группы применяемости K состоит из двух ярко выраженных участков. Первый участок включает диапазон, в пределах которого наблюдается монотонное увеличение α от температуры. На данном участке происходят процессы умеренного внешнего окисления. Второй участок включает диапазон, в пределах которого наблюдается интенсивное повышение α от температуры и достижение участка, на котором изменение коэффициента линейного термического расширения становится максимальным. Такой характер поведения α связан в том числе с особенностями взаимодействия адсорбируемого кислорода с поверхностью, когда наряду с внешним окислением резко интенсифицируются и процессы внутреннего окисления. На данном участке расширения структуры адсорбция кислорода поверхностью и скорость диффузии кислорода в объемную структуру твердого сплава контролируется процессами и свойствами соединений, формирующимися в приповерхностной области. В состав приповерхностной зоны входят локальные области оксидных и оксикардидных соединений с различным соотношением между металлическими и неметаллическими компонентами. Они имеют различную форму и место расположения в структуре. Такое строение предполагает высокую вероятность перехода к катастрофическому окислению твердого сплава. При некоторой температуре этого участка, при которой достигается максимальное значение α, разной для различных марок твердых сплавов, наступает катастрофический износ режущего инструмента, группы применяемости K. Эксплуатация твердосплавных режущих инструментов на режимах, соответствующих температурным условиям, при которых на поверхности и в приповерхностной области формируется диссипативная структура, максимальным образом экранирующая разрушительные внешние воздействия (участок перехода от линейного к параболическому механизму изменения коэффициента термического расширения от температуры), обеспечивает наиболее высокую их эффективность. Таким образом скорость резания, при которой на контактных поверхностях режущего клина устанавливается температурный режим со средней температурой, близкой к температуре, при которой происходит переход от одного механизма изменения α от температуры к другому, является оптимальной.The polygon of variation of the coefficient of linear thermal expansion for hard alloys of the applicability group K consists of two distinct sections. The first section includes a range within which a monotonic increase in α from temperature is observed. In this area, moderate external oxidation processes occur. The second section includes a range within which there is an intense increase in α from temperature and the achievement of a section in which the change in the coefficient of linear thermal expansion becomes maximum. This character of the behavior of α is connected, inter alia, with the features of the interaction of adsorbed oxygen with the surface, when, along with external oxidation, the processes of internal oxidation are sharply intensified. At this site of expansion of the structure, the adsorption of oxygen by the surface and the rate of oxygen diffusion into the bulk structure of the hard alloy are controlled by the processes and properties of compounds formed in the near-surface region. The composition of the near-surface zone includes local regions of oxide and oxycardid compounds with different ratios between metallic and non-metallic components. They have a different shape and location in the structure. Such a structure implies a high probability of a transition to catastrophic oxidation of the hard alloy. At a certain temperature of this section, at which the maximum value of α is reached, which is different for different grades of hard alloys, catastrophic wear of the cutting tool, applicability group K occurs. The operation of carbide cutting tools in conditions corresponding to the temperature conditions under which on the surface and in the near-surface region is formed dissipative structure that maximally shields destructive external influences (section of the transition from linear to parabolic mechanism the thermal expansion coefficient changes with temperature), provides the highest efficiency. Thus, the cutting speed at which the temperature regime is established on the contact surfaces of the cutting wedge with an average temperature close to the temperature at which the transition from one mechanism of variation of α from temperature to another occurs is optimal.
При оптимальной скорости (температуре) резания устанавливается некоторая эффективная глубина и степень деградации (внутреннего окисления) структуры, обеспечивающая когерентность связи между подложкой и растущим при окислении оксидном слое.At the optimal cutting speed (temperature), a certain effective depth and degree of degradation (internal oxidation) of the structure are established, which ensures coherence of the bond between the substrate and the oxide layer growing during oxidation.
Изменение коэффициента линейного термического расширения тесным образом связано с изменением теплоемкости твердого сплава. Теплоемкость, в свою очередь, зависит от уровня внешней энергии, возбуждающей у кристаллической решетки движение электронов, фононные и магнонные (спиновые) колебания. На первом участке изменение α от температуры сопровождается ростом энергии электронов. На втором участке увеличение α сопровождается ростом уровня фононных и магнонных колебаний кристаллической решетки. При линейном расширении на поверхности твердого сплава происходит образование и рост тонкой окисной пленки. При переходе к параболическому окислению начинается и интенсифицируется наряду с поверхностным внутреннее окисление твердого сплава. На поверхности и в приповерхностной области формируются соединения (оксиды, полиоксиды и т.д), нарушающие однородность и устойчивость структуры материала. При этом снижается магнитная упорядоченность, созданная спиновым взаимодействием, увеличивается степень симметрии кристаллической структуры. Вследствие этого уровень фононных и магнонных колебаний в общем спектре значительно возрастает. Последнее приводит также к росту теплоемкости и соответственно коэффициента термического расширения. Значительный вклад в расширение твердого сплава от температуры в области его перехода от линейного характера изменения к параболическому вносит спиновое разупорядочение, которое пропорционально количеству образующихся спиновых волн (магнонов). Чем выше концентрация магнонов, тем выше α. С поверхностным и приповерхностным окислением кобальта и переходом его в антиферромагнитное состояние число магнонов и, соответственно, коэффициент термического расширения резко возрастают.A change in the coefficient of linear thermal expansion is closely related to a change in the heat capacity of the hard alloy. The heat capacity, in turn, depends on the level of external energy that excites electron motion, phonon and magnon (spin) vibrations in the crystal lattice. In the first section, a change in α from temperature is accompanied by an increase in electron energy. In the second section, an increase in α is accompanied by an increase in the level of phonon and magnon vibrations of the crystal lattice. With linear expansion, a thin oxide film forms and grows on the surface of the hard alloy. Upon transition to parabolic oxidation, internal oxidation of the hard alloy begins and intensifies along with surface oxidation. On the surface and in the near-surface region, compounds are formed (oxides, polyoxides, etc.) that violate the uniformity and stability of the material structure. In this case, the magnetic ordering created by the spin interaction decreases, and the degree of symmetry of the crystal structure increases. As a result, the level of phonon and magnon vibrations in the total spectrum increases significantly. The latter also leads to an increase in the specific heat and, accordingly, the coefficient of thermal expansion. A significant contribution to the expansion of a hard alloy from temperature in the region of its transition from a linear to a parabolic change is made by spin disordering, which is proportional to the number of spin waves (magnons) formed. The higher the concentration of magnons, the higher α. With surface and near-surface oxidation of cobalt and its transition to the antiferromagnetic state, the number of magnons and, accordingly, the coefficient of thermal expansion sharply increase.
На величину температуры, при которой происходит переход от линейного механизма расширения структуры к параболическому и создаются оптимальные условия для формирования на поверхности эффективной полиоксидной структуры, оказывают большое влияние состав и термодинамические свойства твердых сплавов (состав карбидных зерен, степень стехиометрии карбидов, наличие примесей в карбидных зернах и кобальтовой прослойке, степень взаимодействия кобальта с карбидным зерном на границах фаз, дефектность кристаллических решеток компонентов твердого сплава, наличие или дефицит свободного углерода, наличие в структуре газовых элементов и т.д). Отмеченные факторы оказывают большое влияние на теплофизические, электрические и другие свойства образующихся поверхностных полиоксидных структур, что в общем и предопределяет высокие эксплуатационные показатели твердосплавных режущих инструментов группы применяемости K, эксплуатируемых при скоростях резания, соответствующих температуре перехода.The temperature at which the transition from the linear mechanism of expansion of the structure to the parabolic occurs and optimal conditions are created for the formation of an effective polyoxide structure on the surface are greatly affected by the composition and thermodynamic properties of hard alloys (composition of carbide grains, degree of stoichiometry of carbides, the presence of impurities in carbide grains and cobalt interlayer, the degree of interaction of cobalt with carbide grain at the phase boundaries, the defectiveness of the crystal lattices of the components of the solid alloy, the presence or deficiency of free carbon, the presence in the structure of gas elements, etc.). The noted factors have a great influence on the thermophysical, electrical, and other properties of the formed surface polyoxide structures, which in general determines the high performance of carbide cutting tools of the applicability group K, operated at cutting speeds corresponding to the transition temperature.
В процессе резания различных сталей и сплавов твердосплавные режущие инструменты (группы K) подвергаются интенсивному адгезионному износу. Наиболее низкая интенсивность износа у твердосплавных режущих инструментов была установлена при их эксплуатации в диапазоне оптимальных режимов резания - оптимальных температур, соответствующих переходу от линейного механизма изменения коэффициента термического расширения к параболическому, при котором происходит оптимальный характер окисления структуры, обеспечивающей наименьшую интенсивность износа. Эволюция поверхностной и приповерхностной структуры твердосплавного режущего инструмента в этом случае носит следующий характер. Сначала атомы кислорода адсорбируются поверхностью твердого сплава. Их мгновенное размещение происходит одновременно в октаэдрических и тетраэдрических пустотах, получивших вследствие теплового воздействия достаточное термическое расширение своего объема. Часть атомов кислорода за счет диффузии проникает в приповерхностную область и создает условие для дальнейшей эффективной адсорбции кислорода поверхностью из окружающей газовой среды. На границах фаз формируются сложные оксиды с незначительной прочностью химической связью. Это обусловлено низкой растворимостью карбида вольфрама в кобальте при температуре перехода от линейного механизма расширения к параболическому. Вследствие этого уровень сжимающих и растягивающих напряжений на границах оксидных фаз вольфрама и кобальта достаточно низкий, а характер возможной диструкции полиоксидного ландшафта от действия адгезионных актов не будет являться катастрофическим. Созданный в результате разрушения адгезионной связи очаг разрушения в данном случае носит в основном локальный характер и концентрируется на площади, включающей 2-3 карбидных зерна. Регенерация структуры в углублении, возникшем вследствие разрушения, зависит от характера пульсирующих процессов при резании, перехода от состояния вакуума в образовавшейся полости к интенсивной адсорбции и к состоянию, когда в полости вследствие изменения места контакта (вследствие его подвижности) создается повышенное давление кислорода. Уровень трансформации структуры снижается по мере увеличения расстояния от поверхности в направлении объема твердого сплава. В процессе поверхностных реакций достигается некоторая эффективная глубина деградации структуры - оптимальная, с позиции снижения износа, и характерная для конкретного твердого сплава и определенной температуры перехода от линейного механизма расширения к параболическому.In the process of cutting various steels and alloys, carbide cutting tools (K groups) undergo intensive adhesive wear. The lowest wear rate of carbide cutting tools was established during their operation in the range of optimal cutting conditions - optimal temperatures, corresponding to the transition from a linear mechanism of variation of the coefficient of thermal expansion to parabolic, at which the optimum character of oxidation of the structure, which provides the lowest wear rate, occurs. The evolution of the surface and subsurface structure of a carbide cutting tool in this case is as follows. First, oxygen atoms are adsorbed on the surface of a hard alloy. Their instantaneous placement occurs simultaneously in the octahedral and tetrahedral voids, which, due to the thermal effect, have received sufficient thermal expansion of their volume. Part of the oxygen atoms due to diffusion penetrates into the surface region and creates the condition for further effective adsorption of oxygen by the surface from the surrounding gas environment. Complex oxides with insignificant chemical bond strength are formed at the phase boundaries. This is due to the low solubility of tungsten carbide in cobalt at a transition temperature from a linear to a parabolic expansion mechanism. As a result, the level of compressive and tensile stresses at the boundaries of the oxide phases of tungsten and cobalt is quite low, and the nature of the possible degradation of the polyoxide landscape from the action of adhesive acts will not be catastrophic. In this case, the fracture zone created as a result of breaking the adhesive bond is mainly local in nature and concentrates on an area including 2–3 carbide grains. The regeneration of the structure in the depression caused by the destruction depends on the nature of the pulsating processes during cutting, the transition from the vacuum state in the formed cavity to intensive adsorption, and to the state when an increased oxygen pressure is created in the cavity due to a change in the contact point (due to its mobility). The level of transformation of the structure decreases with increasing distance from the surface in the direction of the volume of the solid alloy. In the process of surface reactions, a certain effective depth of structure degradation is achieved — optimal, from the point of view of wear reduction, and characteristic of a particular hard alloy and a certain transition temperature from a linear to a parabolic expansion mechanism.
Наиболее высокие результаты с точки зрения создания оптимальных условий для трущихся пар, выражающихся в максимальном снижении интенсивности износа, достигаются при эксплуатации твердосплавных режущих инструментов при оптимальных скоростях резания (температурах), соответствующих переходу от линейного механизма расширения структуры к параболическому. При температурах эксплуатации ниже и выше температуры перехода деградированный поверхностный слой не достигает оптимальных геометрических и физико-химических параметров и свойств. При температурах ниже температуры проявления эффекта внешнего окисления в поверхностном слое не достигается необходимая степень деградации и создания оптимальной поверхностной диссипативной структуры и, соответственно, не обеспечивается снижение интенсивности адгезионных процессов до достаточного уровня. При температурах выше температуры перехода создаются условия для катастрофического разрушения формирующегося оксидного диссипативного слоя и твердосплавной структуры в целом вследствие ее интенсивного окисления и сублимации. Эксплуатация твердосплавных режущих инструментов в обоих случаях отклонения от оптимальных скоростей резания приводит к интенсификации их износа.The highest results from the point of view of creating optimal conditions for rubbing couples, expressed in the maximum reduction in wear rate, are achieved when carbide cutting tools are used at optimal cutting speeds (temperatures) corresponding to the transition from a linear mechanism of expansion of the structure to parabolic. At operating temperatures lower and higher than the transition temperature, the degraded surface layer does not reach optimal geometric and physicochemical parameters and properties. At temperatures below the temperature, the manifestation of the effect of external oxidation in the surface layer does not achieve the necessary degree of degradation and create the optimal surface dissipative structure and, accordingly, does not provide a decrease in the intensity of adhesive processes to a sufficient level. At temperatures above the transition temperature, conditions are created for the catastrophic destruction of the formed oxide dissipative layer and the carbide structure as a whole due to its intense oxidation and sublimation. The operation of carbide cutting tools in both cases, deviations from the optimal cutting speeds leads to an intensification of their wear.
Как показывают эксперименты, на скорость резания (температуру нагрева), при которой происходит переход от линейного механизма расширения структуры к параболическому, оказывают влияние 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. Однако и после упрочняющей обработки соблюдается найденная закономерность: наиболее низкая интенсивность износа проявляется при скоростях резания (температурах), соответствующих переходу от линейного к параболическому механизму расширения.As experiments show, the cutting speed (heating temperature) at which the transition from the linear mechanism of expansion to parabolic occurs is influenced by various types of reinforcing effects 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. However, even after hardening treatment, the found pattern is observed: the lowest wear rate is manifested at cutting speeds (temperatures) corresponding to the transition from linear to parabolic expansion mechanism.
Измерение коэффициента термического расширения производят на высокотемпературном дилатометре DIL-402PC. Образцами служат твердосплавные режущие пластины группы применяемости K.The coefficient of thermal expansion is measured on a high-temperature dilatometer DIL-402PC. Carbide inserts of applicability group K are samples.
Нагревание образцов производят в пространстве между керамическими прободержателями в диапазоне температур от 25 до 1000°C в условиях открытой атмосферы. Скорость нагревания составляет 3-15°C/мин. Дилатометр оснащен компьютером и соответствующими программами для обработки полученных данных и построения зависимостей. Получают зависимость изменения коэффициента термического расширения от температуры. Температуру, при которой происходит переход от линейного характера расширения образца к параболическому, выбирают в качестве оптимальной температуры.The samples are heated in the space between the ceramic sample holders in the temperature range from 25 to 1000 ° C in an open atmosphere. The heating rate is 3-15 ° C / min. The dilatometer is equipped with a computer and corresponding programs for processing the obtained data and building dependencies. Get the dependence of the coefficient of thermal expansion on temperature. The temperature at which the transition from the linear nature of the expansion of the sample to the parabolic takes place, is chosen as the optimum temperature.
Стойкостные испытания режущих инструментов группы применяемости K производят при резании сталей или сплавов, вызывающих интенсивный адгезионный износ на различных режимах (скоростях) обработки. Одновременно с помощью специального высокочувствительного пирометра в процессе резания определяют среднюю температуру в зоне резания. Строится график зависимости температуры от скорости резания. Наконец, на основании ранее полученного значения оптимальной температуры резания по графику «скорость резания-температура резания» определяют оптимальную скорость резания. Для твердых сплавов вольфрамокобальтовой группы (группа применяемости K) переход от линейного характера расширения при нагревании к параболическому осуществляется при температурах от 720 до 780°C. Причем с увеличением в составе твердого сплава кобальтовой компоненты температурная область, при которой проявляется переход, 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 на его поверхности в наибольшей степени проявляется эффект оптимального внешнего окисления. Все действия по проведению измерений по выявлению перехода от одного механизма расширения к другому носят несложный и нетрудоемкий характер и по сравнению с аналогами и прототипом имеют более высокую точность в определении оптимальной температуры и, соответственно, скорости резания.Durability tests of cutting tools of the applicability group K are performed when cutting steels or alloys that cause intense adhesive wear at various processing modes (speeds). At the same time, using a special highly sensitive pyrometer, the average temperature in the cutting zone is determined during the cutting process. A plot of temperature versus cutting speed is built. Finally, based on the previously obtained value of the optimum cutting temperature according to the schedule "cutting speed-cutting temperature" determine the optimal cutting speed. For hard alloys of the tungsten-cobalt group (applicability group K), the transition from the linear nature of expansion upon heating to parabolic occurs at temperatures from 720 to 780 ° C. Moreover, with an increase in the composition of the hard alloy of the cobalt component, the temperature region at which the transition 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 effect of optimal external oxidation is most manifested on its surface. All the steps to take measurements to identify the transition from one expansion mechanism to another are simple and easy, and in comparison with analogues and prototype they have higher accuracy in determining the optimum temperature and, accordingly, cutting speed.
Предлагаемый способ обладает высокой точностью в определении оптимальных режимов резания (скорости резания), а следовательно, и эффективностью в определении оптимальных условий эксплуатации твердосплавных режущих инструментов. Это, как показано, достигается за счет использования в качестве информативного исходного параметра температуры перехода от линейного к параболическому характеру изменения коэффициента термического расширения от температуры. Наиболее важной причиной большой точности в определении оптимальной температуры резания является высокая чувствительность между изменением коэффициента термического расширения и теплоемкостью твердого сплава, зависящих в том числе в одинаковой степени и от характера поверхностной деградации структуры. С помощью предлагаемого способа представляется возможным по результатам оценки точки перехода A, от одного механизма расширения структуры к другому, производить расчет наиболее экономически обоснованных режимов обработки при резании труднообрабатываемых материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ режущего инструмента.The proposed method has high accuracy in determining the optimal cutting conditions (cutting speed), and therefore, in determining the optimal operating conditions of carbide cutting tools. This, as shown, is achieved by using, as an informative initial parameter, the transition temperature from linear to parabolic in nature of the change in the coefficient of thermal expansion from temperature. The most important reason for the great accuracy in determining the optimum cutting temperature is the high sensitivity between the change in the coefficient of thermal expansion and the heat capacity of the hard alloy, which depend, inter alia, on the nature of the surface degradation of the structure. Using the proposed method, it is possible, based on the results of evaluating the transition point A, from one mechanism of expansion of the structure to another, to calculate the most economically feasible processing modes when cutting difficult to process materials, causing intense adhesive wear of the cutting tool.
На фиг.1 представлена графическая зависимость изменения коэффициента термического расширения для твердого сплава группы применяемости K от температуры.Figure 1 presents a graphical dependence of the change in the coefficient of thermal expansion for the hard alloy of the applicability group K on temperature.
На фиг.2 представлена графическая зависимость изменения коэффициентов термического расширения от температуры для двух образцов из твердого сплава группы применяемости K.Figure 2 presents a graphical dependence of the variation of the coefficients of thermal expansion on temperature for two samples of hard alloy of the applicability group K.
кривая 1 - для твердосплавной пластинки из первой партии образцов,curve 1 - for carbide plates from the first batch of samples,
кривая 2 - для твердосплавной пластинки из второй партии образцов.curve 2 - for carbide plates from the second batch of samples.
На фиг.3 представлена графическая зависимость изменения средней температуры в зоне резания от скорости резания:Figure 3 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 твердосплавной 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"
Реализация способа выполняется в такой последовательности. Сначала производят выборку твердосплавных режущих пластинок из сплава ВК8 (группа применяемости - K). Затем помещают конкретную пластину между прободержателями из оксида алюминия в рабочую ячейку высокотемпературного дилатометра DIL-402PC и производят измерение а от температуры. Нагревание производят от 25 до 1000°C в условиях открытой атмосферы. Скорость нагревания выбирают 5K/мин. Получают зависимость изменения коэффициента термического расширения от температуры.The implementation of the method is performed in such a sequence. First, carbide cutting inserts made of VK8 alloy are selected (applicability group - K). Then a concrete plate is placed between the sample holders of alumina in the working cell of the high-temperature dilatometer DIL-402PC and measure a from temperature. Heating is carried out from 25 to 1000 ° C in an open atmosphere. The heating rate is chosen 5K / min. Get the dependence of the coefficient of thermal expansion on temperature.
Как установлено, изменение коэффициента термического расширения от температуры имеет вид кривой с точкой перегиба. При увеличении температуры примерно до 680°C наблюдается линейный характер изменения коэффициента термического расширения от температуры. При дальнейшем увеличении линейный характер изменяется на параболический. Точка перегиба с температурой 760°C и является границей перехода от линейного характера изменения коэффициента термического расширения к параболическому. На фиг.1 представлена графическая процедура определения точки перехода (оптимальной температуры). Она (точка A) находится в результате пересечения касательных, проведенных к линейной и параболической функциям. При температуре точки перехода A происходит оптимальный характер внешнего окисления, а на поверхности формируются диссипативные структуры, обеспечивающие минимальную интенсивность износа режущего инструмента.As established, the change in the coefficient of thermal expansion from temperature has the form of a curve with an inflection point. As the temperature increases to about 680 ° C, a linear pattern of change in the coefficient of thermal expansion from temperature is observed. With a further increase, the linear character changes to parabolic. The inflection point with a temperature of 760 ° C is the boundary of the transition from the linear nature of the change in the coefficient of thermal expansion to parabolic. Figure 1 presents a graphical procedure for determining the transition point (optimal temperature). It (point A) is the result of the intersection of tangents drawn to linear and parabolic functions. At the temperature of the transition point A, the optimal nature of the external oxidation occurs, and dissipative structures are formed on the surface that ensure the minimum wear rate of the cutting tool.
Температуру, при которой происходит переход от линейного характера расширения образца к параболическому, выбирают в качестве оптимальной температуры. Для повышения значимости результатов измерения производят на нескольких образцах, а за оптимальную температуру принимают ее среднеарифметическое значение. Было установлено, что температура перехода от линейного характера расширения к параболическому для всех (4 штук) образцов из первой партии твердосплавных пластинок происходит при температуре 760°C, а для всех (4 штук) образца из второй партии твердосплавных пластинок при 750°C. На фиг.2 представлена зависимость изменения α от температуры нагревания для образцов из первой и второй партии твердосплавных пластинок.The temperature at which the transition from the linear nature of the expansion of the sample to the parabolic takes place, 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. It was found that the transition temperature from linear to parabolic expansion for all (4 pieces) samples from the first batch of carbide plates occurs at a temperature of 760 ° C, and for all (4 pieces) of the sample from the second batch of carbide plates at 750 ° C. Figure 2 presents the dependence of the change in α on the heating temperature 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 аустенитная сталь 12Х18Н10T. Резание производилось при скоростях от 60 до 80 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 партий. По данным исследований строилась зависимость изменения температуры в зоне контакта от скорости резания, показанная на фиг.3. 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 происходит переход от линейного характера расширения образца от температуры к параболическому.Then, the cutting temperature was determined in the contact zone of the tool and the processed material from the cutting speed. The material used was austenitic steel 12X18H10T. Cutting was carried out at speeds from 60 to 80 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 cutting inserts of the VK8 brand from two different batches were used. According to the research, the dependence of the temperature change in the contact zone on the cutting speed was constructed, shown in Fig.3. 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 the temperature in the contact zone at which the transition from the linear nature of the expansion of the sample from temperature to parabolic occurs.
Таким образом, последовательность в определении оптимальной скорости резания является следующей: сначала из графика зависимости «коэффициент термического расширения-температура нагревания твердосплавной испытываемой режущей пластины» определяют температуру перехода от линейного характера изменения коэффициента термического расширения к параболическому (оптимальную температуру), затем с помощью графика зависимости «скорость резания-температура резания» и на основании уже имеющейся температуры перехода, полученной из предыдущей зависимости, определяют оптимальную скорость резания.Thus, the sequence in determining the optimal cutting speed is as follows: first, the transition temperature from the linear nature of the change in the coefficient of thermal expansion to parabolic (optimal temperature) is determined from the graph of the coefficient of thermal expansion — heating temperature of the carbide tested insert ”, then using the graph of the dependence “Cutting speed-cutting temperature” and based on the existing transition temperature obtained from the previous Depending determine the optimum cutting rate.
Для первой партии резцов оптимальная скорость резания составила 72 м/мин, для второй - 69 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 72 м/мин, соответствующей температуре 760°C в зоне контакта для первой партии режущих пластинок, и при скорости резания, равной 69 м/мин, соответствующей температуре в зоне контакта, равной 750°C, для второй партии режущих пластинок наблюдается минимальная интенсивность износа. Оптимальные скорости резания, полученные для первой и второй партий твердосплавных режущих пластинок по способу, в соответствии с прототипом равнялись соответственно: 75 и 71 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 0,24; для второй - 0.27. По прототипу, соответственно, 0,26 и 0,31. 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 72 m / min, for the second - 69 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 at a cutting speed of 72 m / min, corresponding to a temperature of 760 ° C in the contact zone for the first batch of cutting inserts, and at a cutting speed of 69 m / min, corresponding to a temperature in the contact zone of 750 ° C, the minimum wear rate is observed for the second batch of cutting inserts. The optimal cutting speeds obtained for the first and second lots of carbide cutting inserts according to the method, in accordance with the prototype were respectively: 75 and 71 m / min. Conducted persistent tests showed that at these cutting speeds there is an increased wear rate of carbide cutting tools, compared with 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 0.24; for the second - 0.27. According to the prototype, respectively, 0.26 and 0.31. 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 |
|---|---|---|---|
| RU2011106685/02A RU2465984C2 (en) | 2011-02-22 | 2011-02-22 | Method of accelerated determination of optimum cutting speed |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011106685/02A RU2465984C2 (en) | 2011-02-22 | 2011-02-22 | Method of accelerated determination of optimum cutting speed |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011106685A RU2011106685A (en) | 2012-08-27 |
| RU2465984C2 true RU2465984C2 (en) | 2012-11-10 |
Family
ID=46937396
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011106685/02A RU2465984C2 (en) | 2011-02-22 | 2011-02-22 | Method of accelerated determination of optimum cutting speed |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2465984C2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112859590B (en) * | 2020-11-30 | 2022-12-09 | 西安交通大学 | Turning chatter cutting parameter optimization method and system based on workpiece deformation |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2168394C2 (en) * | 1999-08-25 | 2001-06-10 | Томский политехнический университет | Method for determining optimal cutting rate |
| RU2189887C1 (en) * | 2001-04-10 | 2002-09-27 | Томский политехнический университет | Method for determining optimal cutting speed |
| US6477927B1 (en) * | 2000-01-11 | 2002-11-12 | Seagate Technology Llc | Method for improving the machining accuracy of a precision machine tool |
| RU2230630C1 (en) * | 2002-12-06 | 2004-06-20 | Томский политехнический университет | Method for determining optimal cutting speed |
| RU2356699C1 (en) * | 2007-11-19 | 2009-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | Prediction method of wear resistance of hard-alloy cutting tool |
-
2011
- 2011-02-22 RU RU2011106685/02A patent/RU2465984C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2168394C2 (en) * | 1999-08-25 | 2001-06-10 | Томский политехнический университет | Method for determining optimal cutting rate |
| US6477927B1 (en) * | 2000-01-11 | 2002-11-12 | Seagate Technology Llc | Method for improving the machining accuracy of a precision machine tool |
| RU2189887C1 (en) * | 2001-04-10 | 2002-09-27 | Томский политехнический университет | Method for determining optimal cutting speed |
| RU2230630C1 (en) * | 2002-12-06 | 2004-06-20 | Томский политехнический университет | Method for determining optimal cutting speed |
| RU2356699C1 (en) * | 2007-11-19 | 2009-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | Prediction method of wear resistance of hard-alloy cutting tool |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011106685A (en) | 2012-08-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dutta et al. | The effect of tensile deformation by in situ ultrasonic treatment on the microstructure of low-carbon steel | |
| Kadolkar et al. | State of residual stress in laser-deposited ceramic composite coatings on aluminum alloys | |
| Jiang et al. | Microstructural evolution, microhardness and thermal stability of HPT-processed Cu | |
| Zhang et al. | Microstructural evolution and its correlation with hardening of WC-Ni cemented carbides irradiated by high-intensity pulsed ion beam | |
| Bataev et al. | Non-vacuum electron-beam boriding of low-carbon steel | |
| Raabe et al. | Texture and microstructure of rolled and annealed tantalum | |
| Gupta et al. | Enhanced mechanical properties of Q-carbon nanocomposites by nanosecond pulsed laser annealing | |
| Shulov et al. | Application of high-current pulsed electron beams for modifying the surface of gas-turbine engine blades | |
| RU2465984C2 (en) | Method of accelerated determination of optimum cutting speed | |
| RU2358838C1 (en) | Method of forecasting cemented-carbide tool wear resistance | |
| Dalcin et al. | Response of a DIN 18MnCrSiMo6-4 continuous cooling bainitic steel to different plasma nitriding gas mixtures | |
| Ozbek et al. | The effect of plasma detonation parameters on residual stresses developed in the plasma modified layer | |
| Zhao et al. | Effects of different scanning speeds on microstructure evolution and tribological properties of Inconel 718 alloy vacuum electron beam surface modification | |
| RU2569920C1 (en) | Procedure for forecast of wear resistance of hard alloy cutting tools | |
| Liu et al. | Residual stress analysis of TiN film fabricated by plasma immersion ion implantation and deposition process | |
| RU2374040C1 (en) | Method for determination of optimal cutting speed | |
| Hosseini et al. | Accurate measurement and evaluation of the nitrogen depth profile in plasma nitrided iron | |
| Erdélyi et al. | Determination of grain-boundary diffusion of Ag in nanocrystalline Cu by the Hwang–Balluffi method | |
| RU2534730C1 (en) | Procedure for forecast of wear resistance of hard alloy cutting tools | |
| Du et al. | One way of surface alloying treatment on iron surface based on surface mechanical attrition treatment and heat treatment | |
| RU2465985C1 (en) | Method of accelerated determination of optimum cutting speed | |
| RU2374038C1 (en) | Method of definition of optimal cutting speed | |
| Salanov et al. | Catalytic etching of platinoid gauzes during the oxidation of ammonia by air. Reconstruction of the surface of a platinoid gauze backside in the course of ammonia oxidation at 1133 K | |
| RU2494839C1 (en) | Method of accelerated determination of optimum cutting speed | |
| RU2230630C1 (en) | Method for determining optimal cutting speed |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130223 |