RU2494839C1

RU2494839C1 - Method of accelerated determination of optimum cutting speed

Info

Publication number: RU2494839C1
Application number: RU2012109884/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Нестеренко; Юрий Иванович Тюрин; Торстеинн Инги Сигфуссон; Владислав Леонидович Бибик; Виталий Алексеевич Воловоденко; Татьяна Владимировна Копнова
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2013-10-10
Also published as: RU2012109884A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: proposed method relates to machining by high-alloy cutting tools of application category K in the form of tool tips.Proposed method comprises temperature measurements effected in the zone of contact between hard alloy and machined material at different cutting speeds to construct a graphical relationship. Then, constructed graph is used to set optimum cutting speed as that whereat heating temperature in said zone corresponds to temperature whereat wear is formed at chamfer formed in cutting on tool plate cutting wedge rear surface and roughness with the maximum fractal size corresponding to maximum wear resistance.

EFFECT: higher accuracy of determination.

3 dwg

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, МПК3 В23В 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, MPK3 В23В 1/00, BI No. 26, 1983), based on finding the latter by the selected initial parameter associated with changes in the characteristics of the crystal lattice. The crystal lattice period is chosen as the initial parameter for determining the optimal cutting speed, it is determined at various cutting speeds (temperatures), and the optimum speed is taken to be equal to the highest speed at which the lattice period will be maximum.

Процесс определения параметров кристаллической решетки с помощью дифрактометров является сложным и трудоемким. Исследование изменений в кристаллической решетке твердосплавной режущей пластинке производится после прекращения опытов по резанию и 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°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 termination of the cutting experiments and special preparation, including its cleaning, possible destruction and the choice of the place of control. 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 crystal lattice parameters are very approximate and have an insufficient degree of statistical significance.

Известен способ определения оптимальной скорости резания (АС 841779, МПК3 В23В 1/00, БИ №24, 1981), основанный на том, что наибольшей 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. По минимальной длине участка упрочнения на графике определяют оптимальную скорость резания.A known method for determining the optimal cutting speed (AC 841779, MPK3 VV 1/00, BI No. 24, 1981), based on the fact that the maximum speed of the cutting tool corresponds to the minimum length of the hardening area on the contact surface of the cutting tool. The choice of the length of the hardening section as the initial parameter is explained by the fact that its dimensions characterize the deformation state of the metal in the contact zone, the nature and gradient of the effective temperature fields, the conditions of interaction of the metal of the contact zone with the front surface of the tool and have a great influence on the wear rate of the cutting part of the tool. The measurement of the size of the hardening area is carried out using a microscope; build a graph of the dependence of the length of the hardening section on the cutting speed. The minimum length of the hardening section on the graph determines the optimal cutting speed.

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. Because 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 other methods, for example, by measuring the microhardness, 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, В23В 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 - скорости, при которой устанавливается в структуре минимальное значение уровня вакансионной дефектности.There is a method of determining the optimal cutting speed for carbide tools (AS No. 1227339, B23B 1/00, BI No. 16, 1986), selected as a prototype and consisting in the fact that the level of vacancy defects in the structure of the hard alloy is selected as the initial parameter . First, the degree of vacancy defects at various heating temperatures is successively measured. Then the optimum temperature - cutting speed is defined as the highest temperature - the speed at which the minimum value of the vacancy defect level is established in the structure.

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., ИЛ, 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 level of free energy of a solid is established, as a consolidating system consisting of individual microvolumes and at which a minimum adhesion intensity is likely to be observed wear (see, for example, Van Buren "Defects in crystals", M., IL, 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 вольфрам - кобальтовыми 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 проводят измерение температуры в зоне рабочего контакта твердый сплав - обрабатываемый материал при различных скоростях резания с построением графической зависимости, а затем по построенной графической зависимости устанавливают в качестве оптимальной скорости резания скорость, при которой температура нагрева в зоне рабочего контакта твердый сплав - обрабатываемый материал соответствует температуре образования на фаске износа, формируемой в процессе резания на задней поверхности режущего клина режущей пластины, шероховатости с наибольшей фрактальной размерностью, соответствующей наибольшей износостойкости режущего инструмента.The solution of the problem in the proposed method is the determination of the optimal cutting speed by carbide cutting tools of the applicability group K in the form of cutting inserts, first includes measuring the temperature in the working contact zone of the hard alloy — the material being processed at various cutting speeds with the construction of a graphical dependence, and then using the constructed graphical dependence set the speed at which the heating temperature in the working contact zone carbide - the processed material corresponds to the temperature of formation on the wear facet formed during cutting on the back surface of the cutting wedge of the insert, roughness with the highest fractal dimension, corresponding to the highest wear resistance of the cutting tool.

Величина и развитость шероховатости (степень фрактальности), формируемой в процессе резания на контактных поверхностях режущего инструмента зависит от состава и структуры твердого сплава, интенсивности адсорбции атомов и молекул кислорода контактными поверхностями режущего инструмента, состава и свойств, образующихся оксидных структур (полиоксидных пленок).The magnitude and development of the roughness (degree of fractality) formed during cutting on the contact surfaces of the cutting tool depends on the composition and structure of the hard alloy, the intensity of adsorption of atoms and oxygen molecules by the contact surfaces of the cutting tool, the composition and properties of the formed oxide structures (polyoxide films).

Обработка материалов (сталей), вызывающих интенсивный адгезионный износ осуществляется, как правило, твердосплавными, группы применяемости К, режущими инструментами, подвергающимися интенсивному окислению атомами и молекулами кислорода окружающей газовой среды. Образующиеся поверхностные структуры выполняют при резании роль твердой смазки и экранируют межмолекулярные взаимодействия. Оксидные структуры (полиоксидные пленки) оказывают большое влияние на процесс формирования степени развитости шероховатости контактных поверхностей у режущего инструмента. На образование оксидных пленок, их разрушение в результате адгезии и формирование шероховатости на контактных поверхностях режущего инструмента оказывают процессы адсорбции и ее этапы.The processing of materials (steels) that cause intense adhesive wear is carried out, as a rule, by carbide, group of applicability K, cutting tools, subjected to intense oxidation by atoms and oxygen molecules of the surrounding gas environment. The resulting surface structures play the role of a solid lubricant during cutting and screen intermolecular interactions. Oxide structures (polyoxide films) have a great influence on the formation of the degree of development of the roughness of the contact surfaces of the cutting tool. The formation of oxide films, their destruction as a result of adhesion and the formation of roughness on the contact surfaces of the cutting tool are affected by adsorption processes and its stages.

Между оптимальными режимами эксплуатации режущего инструмента (оптимальной скоростью) и его износостойкостью имеется прямая связь. Оптимальная скорость эксплуатации режущего инструмента обеспечивает наибольшую его износостойкость при минимальных затратах на механическую обработку. Оптимальная скорость резания и эксплуатационные свойства твердосплавных режущих инструментов могут оцениваться по интенсивности и характеру развитости шероховатости рабочих поверхностей режущего клина. Как показали измерения и контроль, микрорельеф, образующейся поверхности износа, обладает фрактальными свойствами. Это проявляется в том, что при уменьшении масштаба измерения шероховатой поверхности ее площадь не стремиться к конечному пределу, а возрастает степенным образом. Основной характеристикой фрактальных поверхностей является их фрактальная размерность. Степень развитости шероховатой структуры поверхности износа (фрактальная размерность) тесным образом связана с механохимическими и электрофизическими свойствами приповерхностного слоя и поверхности. На фрактальную размерность поверхности износа оказывает влияние уровень величины и распределение по размерам карбидных зерен твердого сплава, состав карбидных зерен, состав и свойства кобальтовой связки, состав и степень дефектности межзеренных и межфазных границ, наличие примесей, сорбционные свойства микрорельефа, электрические и магнитные свойства поверхности и объема. С увеличением развитости шероховатости фаски износа на задней поверхности режущего клина (ее удельной площади) фрактальная размерность поверхности возрастает. Рост удельной поверхности сопровождается также увеличением степени вакансионной дефектности структуры изнашиваемого материала. Последнее обстоятельство способствует интенсификации поверхностью износа адсорбции атомов и молекул окружающей газовой среды. Резание материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ инструмента из твердого сплава группы применяемости К (механическое разрушение, в результате отрыва мезо и микрочастиц поверхности), приводит к росту поверхностной дефектности и, одновременно, к активизации процессов последующей адсорбции кислорода и процессов окисления граней режущего клина. Окисные пленки, интенсивно образующиеся на контактных поверхностях режущего инструмента из твердого сплава группы применяемости К с одной стороны, экранируют адгезионное взаимодействие и выполняют роль твердых смазок, что приводит к снижению износа. С другой стороны специфический характер разрушения приповерхностной оксидно-карбидной структуры способствует образованию развитого микрорельефа и, соответственно, высокой фрактальной размерности. Представленные закономерности проявляют себя, как в период начального, так и в период нормального износа. При резании материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ, твердосплавными режущими инструментами группы применяемости К в период их начального и нормального изнашивания, повышение развитости шероховатости фасок износа связано с процессом самоорганизации структуры и способствует повышению износостойкости инструментального материала. Процесс самоорганизации (образование развитого микрорельефа) обеспечивает интенсивную адсорбцию кислорода и интенсивное окисление контактных поверхностей. Образующиеся оксидные пленки в свою очередь экранируют процессы адгезии, переноса тепла, массы и являются твердой смазкой. Рассматриваемые периодически протекающие процессы приводят к снижению износа. Кроме того, при указанном порядке саморегулирования явлений в зонах контакта инструментального и обрабатываемого материалов увеличение коэффициента трения, составляющих сил резания, резкое снижение качества обрабатываемой поверхности наступают при более высоких значениях параметров (критериях износа), характеризующих переход нормального износа к катастрофическому.There is a direct link between the optimal operating conditions of the cutting tool (optimal speed) and its wear resistance. The optimal speed of operation of the cutting tool provides its greatest wear resistance at the minimum cost of machining. The optimum cutting speed and operational properties of carbide cutting tools can be estimated by the intensity and nature of the development of the roughness of the working surfaces of the cutting wedge. As measurements and control have shown, the microrelief of the resulting wear surface has fractal properties. This is manifested in the fact that with a decrease in the measurement scale of a rough surface, its area does not tend to a finite limit, but increases exponentially. The main characteristic of fractal surfaces is their fractal dimension. The degree of development of the rough structure of the wear surface (fractal dimension) is closely related to the mechanochemical and electrophysical properties of the surface layer and surface. The fractal dimension of the wear surface is influenced by the level of size and size distribution of carbide grains of the hard alloy, the composition of carbide grains, the composition and properties of the cobalt bond, the composition and degree of defectiveness of grain and interphase boundaries, the presence of impurities, the sorption properties of the microrelief, the electrical and magnetic properties of the surface and volume. With an increase in the development of the roughness of the wear facet on the back surface of the cutting wedge (its specific area), the fractal dimension of the surface increases. The increase in the specific surface is also accompanied by an increase in the degree of vacancy defects in the structure of the wear material. The latter circumstance contributes to the intensification by the wear surface of the adsorption of atoms and molecules of the surrounding gas medium. Cutting materials that cause intense adhesive wear of a tool from a hard alloy of the applicability group K (mechanical failure due to tearing of meso and microparticles of the surface) leads to an increase in surface imperfection and, at the same time, to activation of the processes of subsequent adsorption of oxygen and oxidation of the edges of the cutting wedge. Oxide films intensively formed on the contact surfaces of a cutting tool made of hard alloy of the applicability group K, on the one hand, shield the adhesive interaction and play the role of solid lubricants, which leads to reduced wear. On the other hand, the specific nature of the destruction of the surface oxide-carbide structure promotes the formation of a developed microrelief and, accordingly, a high fractal dimension. The presented patterns manifest themselves both in the initial and in the period of normal wear and tear. When cutting materials that cause intense adhesive wear with carbide cutting tools of the applicability group K during their initial and normal wear, an increase in the development of the roughness of the wear chamfers is associated with the process of self-organization of the structure and helps to increase the wear resistance of the tool material. The process of self-organization (the formation of a developed microrelief) provides intensive oxygen adsorption and intense oxidation of contact surfaces. The resulting oxide films in turn shield the processes of adhesion, heat transfer, mass and are a solid lubricant. Considered periodically occurring processes lead to reduced wear. In addition, with the indicated procedure for self-regulation of phenomena in the contact zones of tool and work materials, an increase in the coefficient of friction, components of cutting forces, a sharp decrease in the quality of the work surface occurs at higher values of the parameters (wear criteria) characterizing the transition from normal to catastrophic wear.

Из представленного следует, что увеличение развитости шероховатости фаски износа и, соответственно, фрактальной размерности тесно связано с повышением износостойкости (времени работы резца, до установленного критерия затупления, например, по задней поверхности) режущего инструмента. Следовательно, определение режимов резания (определение оптимальной скорости резания) с учетом степени развитости, формируемого микрорельефа поверхности износа является важным этапом, тесно связанным с износостойкостью и производительностью механической обработки.From the presented it follows that the increase in the development of the roughness of the wear facet and, accordingly, the fractal dimension is closely associated with an increase in the wear resistance (cutter operating time, up to the established dullness criterion, for example, along the back surface) of the cutting tool. Therefore, the determination of cutting conditions (determination of the optimal cutting speed), taking into account the degree of development of the formed microrelief of the wear surface, is an important step closely related to the wear resistance and machining performance.

Процесс адсорбции молекул кислорода на контактных поверхностях твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К состоит из двух стадий. Первый этап включает физическую адсорбцию. Ее интенсивность связана со степенью поляризации молекул кислорода поверхностью, формирующихся площадок износа на режущем клине. Поляризующая способность поверхности зависит от поверхностной энергии, с ростом удельного значения которой (развитости микрорельефа) она возрастает. С увеличением развитости микрорельефа фаски износа степень концентрации кислорода на единице номинальной его поверхности возрастает. При определенных условиях физическая адсорбция кислорода на поверхности переходит в химическую. Второй этап адсорбции - химическая, включает химическое взаимодействие атомов кислорода с атомами контактных поверхностей. В результате, на поверхностях формируются соединения кислорода с карбидом вольфрама и кобальтом. Поверхностные оксидные и полиоксидные структуры (пленки) образуются на основе ковалентной или ионной типов связей между атомами. Причем, удельный вес ковалентной химической связи, имеющей более высокую жесткость соединения атомов, по сравнению с ионной, характерной для оксидных пленок вольфрама несколько выше, чем у оксидных пленок кобальта. Вследствие этого удельный вес хрупкого разрушения и соответственно формирования более развитого микрорельефа износа на поверхности и в приповерхностной области контактной зоны оксидных и оксикарбидных фаз вольфрама значительно выше удельного веса хрупкого разрушения оксидной фазы кобальта. С ростом в составе компонентов твердого сплава свободного углерода, а также некоторых примесей щелочных и щелочноземельных металлов (калий, натрий, кальций) возрастает вероятность образования сложных оксидных и оксикарбидных соединений (вольфрамовых бронз), формирующихся за счет перекрытия валентных электронных облаков отдельных элементов. В этом случае, в итоге химических взаимодействий и превращений, образуются поверхностные и приповерхностные структуры оксидов вольфрама и кобальта, у которых доля ковалентной связи между элементами возрастает (за счет увеличения электронной плотности в соединении), а их разрушение, происходящее в зоне контакта режущего и обрабатываемого материалов, сопровождается формированием более развитого микрорельефа. Образование вольфрамовых бронз способствует также фрагментации поверхностных оксидных структур. Формирование более мелких структурных фрагментов приводит, в процессе резания, к более мелкофракционному (дисперсному) разрушению поверхностной и приповерхностной полиоксидной и оксикарбидной структуры. Этому способствуют также значительные температурные градиенты и высокие растягивающие напряжения, действующие в мелкодисперсной структуре. Дисперсный характер разрушения оксидных и полиоксидных частиц и конгломератов способствует и более эффективному исполнению ими роли твердой смазки в зонах контакта. В итоге, на контактных поверхностях режущего инструмента формируется более развитая поверхность разрушения, что и приводит, затем, к более интенсивной адсорбции кислорода данным микрорельефом, к более эффективному процессу формирования диссипативных полиоксидных поверхностных структур, выполняющих, например, роль твердых смазок, обеспечивает более эффективное снижение интегрального износа.The process of adsorption of oxygen molecules on the contact surfaces of carbide cutting tools of the applicability group K consists of two stages. The first step involves physical adsorption. Its intensity is related to the degree of polarization of oxygen molecules by the surface of the formed wear sites on the cutting wedge. The polarizing ability of a surface depends on surface energy, with an increase in its specific value (development of the microrelief), it increases. With an increase in the development of the microrelief of the wear facet, the degree of oxygen concentration per unit of its nominal surface increases. Under certain conditions, the physical adsorption of oxygen on the surface becomes chemical. The second stage of adsorption, the chemical, involves the chemical interaction of oxygen atoms with atoms of contact surfaces. As a result, oxygen compounds with tungsten carbide and cobalt are formed on the surfaces. Surface oxide and polyoxide structures (films) are formed on the basis of covalent or ionic types of bonds between atoms. Moreover, the specific gravity of the covalent chemical bond, which has a higher stiffness of the compound of atoms, compared with the ionic one characteristic of tungsten oxide films is slightly higher than that of cobalt oxide films. As a result, the specific gravity of brittle fracture and, accordingly, the formation of a more developed wear microrelief on the surface and in the near-surface region of the contact zone of tungsten oxide and oxycarbide phases is significantly higher than the specific gravity of brittle fracture of the cobalt oxide phase. With the increase in the composition of the components of the hard alloy of free carbon, as well as some impurities of alkali and alkaline earth metals (potassium, sodium, calcium), the likelihood of the formation of complex oxide and oxycarbide compounds (tungsten bronzes), which are formed due to the overlap of valence electron clouds of individual elements, increases. In this case, as a result of chemical interactions and transformations, surface and surface structures of tungsten and cobalt oxides are formed, in which the proportion of covalent bonds between elements increases (due to an increase in the electron density in the compound), and their destruction occurs in the contact zone of the cutting and the processed materials, accompanied by the formation of a more developed microrelief. The formation of tungsten bronzes also contributes to the fragmentation of surface oxide structures. The formation of smaller structural fragments leads, during the cutting process, to a finer fractional (dispersed) destruction of the surface and surface polyoxy and oxycarbide structures. Significant temperature gradients and high tensile stresses acting in the finely dispersed structure also contribute to this. The dispersed nature of the destruction of oxide and polyoxide particles and conglomerates also contributes to a more effective performance of the role of solid lubricant in the contact zones. As a result, a more developed fracture surface forms on the contact surfaces of the cutting tool, which leads, then, to more intensive oxygen adsorption by this microrelief, to a more efficient process of the formation of dissipative polyoxide surface structures, performing, for example, the role of solid lubricants, provides a more effective reduction integral wear.

Таким образом, степень развитости образующегося микрорельефа площадок износа на контактных поверхностях будет зависеть от характера, формирующихся химических связей между компонентами поверхности твердосплавной композиции и кислородом и интенсивности хрупкого разрушения, происходящего в микрообъемах поверхностной и приповерхностной структуры твердого сплава. Причем, оба фактора, и характер и процесс образования химических связей, и последующее разрушение сформированных поверхностных и приповерхностных структур тесным образом связаны и оказывают друг на друга существенное влияние на степень взаимного проявления.Thus, the degree of development of the resulting microrelief of the wear sites on the contact surfaces will depend on the nature of the chemical bonds between the surface components of the carbide composition and oxygen and on the intensity of brittle fracture occurring in the microvolumes of the surface and surface structures of the hard alloy. Moreover, both factors, both the nature and the process of formation of chemical bonds, and the subsequent destruction of the formed surface and surface structures are closely related and have a significant effect on each other on the degree of mutual manifestation.

Большое влияние на характер разрушения поверхностного слоя и образования развитого микрорельефа, характеризующегося высокой фрактальной размерностью, оказывает низкое значение коэффициентов интенсивности разрушения, образующейся поверхностной и приповерхностной оксидной и оксикарбидной структуры на контактных поверхностях режущего клина. Это обеспечивает, с одной стороны, низкую трещиностойкость оксидной пленки, а с другой эффективное ветвление образующихся трещин. Высокую способность к ветвлению, образующихся при разрушении приповерхностной структуры трещин обеспечивает высокая степень поверхностной дефектности полиоксидных и оксикарбидных пленок. В поверхностных полиоксидных структурах, формирующихся на контактных поверхностях режущего инструмента, содержится значительная концентрация вакансий, мелких и крупных пор. В оксидных и оксикарбидных пленках вольфрама основную часть вакансионного поля составляют катионные вакансии, а в оксидных пленках кобальта - анионные вакансии. С увеличением концентрации обеих типов вакансий, при одновременном снижении их объединений (мелких и крупных пор), развитость микрорельефа при разрушении поверхностных структур увеличивается. Последнее обстоятельство сопровождается увеличением фрактальной размерности. Увеличению вакансий и снижению мелких и крупных пор способствует наличие в структуре различных примесей и в том числе щелочных и щелочноземельных металлов.A large influence on the nature of the destruction of the surface layer and the formation of a developed microrelief, characterized by a high fractal dimension, is exerted by the low value of the fracture intensity coefficients formed by the surface and surface oxide and oxycarbide structures on the contact surfaces of the cutting wedge. This provides, on the one hand, low crack resistance of the oxide film, and on the other, effective branching of the resulting cracks. The high ability to branch formed during the destruction of the surface structure of cracks provides a high degree of surface imperfection of polyoxide and oxycarbide films. The surface polyoxide structures formed on the contact surfaces of the cutting tool contain a significant concentration of vacancies, small and large pores. In tungsten oxide and oxycarbide films, the majority of the vacancy field is formed by cationic vacancies, and in cobalt oxide films by anionic vacancies. With an increase in the concentration of both types of vacancies, with a simultaneous decrease in their associations (small and large pores), the development of the microrelief with the destruction of surface structures increases. The latter circumstance is accompanied by an increase in fractal dimension. The presence of various impurities, including alkali and alkaline earth metals, contributes to an increase in vacancies and a decrease in small and large pores.

Контакт инструментальных поверхностей с обрабатываемым материалом является неоднородным и не сплошным. Поверхности режущего клина не одновременно и не в равной степени подвергаются окислению за счет атмосферного кислорода и за счет кислорода, входящего в состав структуры твердого сплава (внутреннее окисление). Характер хрупкого разрушения контактных поверхностей режущего клина вследствие адгезионного взаимодействия с обрабатываемым материалом будет определяться степенью трансформации структуры, происходящей при ее окислении. Развитие окисления, от мгновенного, характеризующегося образованием окисной пленки, состоящей из одного слоя атомов, до многоэтапного, характеризующегося образованием многослойной пленки интенсифицируется в результате формирования в поверхностной и приповерхностной оксидной структуре активных областей - активных центров. Активные центры имеют пониженную энергию ионизации и способствуют эффективному захвату адсорбируемых атомов и молекул кислорода и удержанию их на поверхности. Основными центрами захвата инструментальной поверхностью атомов и молекул кислорода являются неоднородные по составу области в виде наличия вакансий, примесных атомов или их комбинаций.The contact of tool surfaces with the processed material is heterogeneous and not continuous. The surfaces of the cutting wedge are not simultaneously and not equally oxidized by atmospheric oxygen and by oxygen, which is part of the structure of the hard alloy (internal oxidation). The nature of the brittle fracture of the contact surfaces of the cutting wedge due to the adhesive interaction with the processed material will be determined by the degree of transformation of the structure that occurs during its oxidation. The development of oxidation, from instantaneous, characterized by the formation of an oxide film consisting of a single layer of atoms, to a multi-stage, characterized by the formation of a multilayer film, is intensified as a result of the formation of active regions, active centers, in the surface and near-surface oxide structures. Active centers have a reduced ionization energy and contribute to the effective capture of adsorbed oxygen atoms and molecules and their retention on the surface. The main centers of capture by the instrumental surface of oxygen atoms and molecules are regions that are heterogeneous in composition in the form of vacancies, impurity atoms, or combinations thereof.

Интенсивность захвата атомов и молекул кислорода контактной инструментальной поверхностью (контакт происходит с обрабатываемым материалом) возрастает со снижением давления в межконтактной области (пространство между поверхностями контакта). Чем ниже давление в межконтактной области, тем сильнее захват, проникающих в эту область атомов и молекул кислорода. Процесс захвата происходит в условиях высокой конкуренции между различными активными центрами (центрами захвата) поверхности. Наиболее вероятными центрами захвата являются следующие структурные дефекты: анионная вакансия в комбинации с электроном в структуре оксидной пленки вольфрама, катионная вакансия в комбинации с дыркой в структуре оксидной пленки кобальта, примесный ион и катионная вакансия в комбинации с анионной вакансией в структуре оксида вольфрама, примесный ион и анионная вакансия в комбинации с катионной вакансией в структуре оксида кобальта, атомарные центры в кристаллах с одновалентными катионными примесями, ионы одно и двухвалентной примеси в анионной вакансии в структуре оксида вольфрама, периодический процесс перехода примесного иона из катионной подрешетки в анионную и наоброт, процесс деформационного перемешивания катионной и анионной подрешеток. Рассмотренные статические и динамические активные центры имеют энергию ионизации значительно меньшую, чем у атомов, составляющих поверхностную структуру твердого сплава. Вследствие этого, данные структурные дефекты активно участвуют в осуществлении адсорбционного процесса. Они способствуют захвату и удержанию атомов и молекул кислорода в поле действия электронных и атомных сил в течение всего периода времени, необходимого для осуществления химических реакций с элементами поверхности, и формирования на поверхности стехиометрического оксидного ландшафта. В процессе разрушения такой структуры (твердой смазки) при адгезионном взаимодействии инструментальной поверхности с обрабатываемым материалом интенсивность износа поверхности контакта значительно снижается, а ее фрактальная размерность возрастает. Таким образом, высокая, формируемая развитость истираемой поверхности, при сильном адгезионном износе, способствует, как ее интенсивному окислению, так и снижению ее разрушения.The rate of capture of oxygen atoms and molecules by the contact tool surface (contact occurs with the material being processed) increases with decreasing pressure in the intercontact region (the space between the contact surfaces). The lower the pressure in the intercontact region, the stronger the capture of oxygen atoms and molecules penetrating into this region. The capture process occurs in conditions of high competition between various active centers (capture centers) of the surface. The most probable trapping centers are the following structural defects: anionic vacancy in combination with an electron in the structure of a tungsten oxide film, a cationic vacancy in combination with a hole in the structure of a cobalt oxide film, an impurity ion and a cationic vacancy in combination with an anionic vacancy in the structure of tungsten oxide, an impurity ion and anionic vacancy in combination with a cationic vacancy in the structure of cobalt oxide, atomic centers in crystals with monovalent cationic impurities, ions of one and divalent impurities in an anionic vacancy in the structure of tungsten oxide, the periodic process of transition of an impurity ion from the cationic sublattice to the anionic and vice versa, the process of strain mixing of the cationic and anionic sublattices. The considered static and dynamic active centers have an ionization energy significantly lower than that of the atoms that make up the surface structure of the hard alloy. As a consequence, these structural defects are actively involved in the implementation of the adsorption process. They contribute to the capture and retention of oxygen atoms and molecules in the field of action of electronic and atomic forces during the entire period of time necessary for chemical reactions with surface elements and the formation of a stoichiometric oxide landscape on the surface. In the process of destruction of such a structure (solid lubricant) during the adhesive interaction of the tool surface with the processed material, the wear surface of the contact surface decreases significantly, and its fractal dimension increases. Thus, the high, developed development of the abraded surface, with strong adhesive wear, contributes to both its intense oxidation and the reduction of its destruction.

Эффективность взаимодействия атомов и молекул кислорода с изнашиваемой инструментальной поверхностью оценивается с помощью коэффициента аккомодации. Коэффициент аккомодации представляет собой меру эффективности теплообмена и используется для оценки степени заполнения поверхности адсорбируемыми газовыми атомами и молекулами. С увеличением в составе поверхности твердых сплавов углерода, щелочных и щелочно-земельных элементов интенсивность захвата атомов и молекул кислорода нагретой (при резании) изнашиваемой поверхностью возрастает. При этом повышается роль химической адсорбции в синтезе на поверхности полиоксидных формирований. Образующиеся полиоксиды имеют более высокое значение относительной диэлектрической проницаемости, более эффективно выполняют роль экранирования межповерхностного взаимодействия и являются более эффективной твердой смазкой. Результатом высокой степени аккомодации адсорбируемых атомов и молекул является формирование эффективной оксидной структуры, при разрушении которой возникает развитая поверхность, имеющая высокую фрактальную размерность и. д.The effectiveness of the interaction of atoms and oxygen molecules with a wearing tool surface is estimated using the accommodation coefficient. The accommodation coefficient is a measure of the heat transfer efficiency and is used to assess the degree of surface filling with adsorbed gas atoms and molecules. With an increase in the composition of the surface of solid carbon alloys, alkaline and alkaline-earth elements, the capture rate of oxygen atoms and molecules by a heated (during cutting) wear surface increases. At the same time, the role of chemical adsorption in the synthesis of polyoxide formations on the surface increases. The resulting polyoxides have a higher relative permittivity, more efficiently play the role of shielding inter-surface interaction and are more effective solid lubricant. The result of a high degree of accommodation of adsorbed atoms and molecules is the formation of an effective oxide structure, the destruction of which leads to a developed surface with a high fractal dimension and. d.

Процесс поверхностной диффузии захваченных атомов и молекул кислорода является одним из основных этапов в реализации эффективной адсорбции. В процессе диффузии атомы и молекулы находят оптимальные в термодинамическом отношении положения в поверхностной структуре. Уменьшение поверхностной энергии у твердосплавного режущего инструмента группы применяемости К при увеличении диффузионной подвижности адсорбата, при образовании равновесных поверхностных оксидных формирований приводит к снижению интенсивности адгезионных взаимодействий с обрабатываемым материалом. При этом снижаются локальные контактные напряжения, увеличивается развитость поверхности износа, возрастает фрактальная размерность микрорельефа. Большое влияние на диффузионную подвижность атомов и молекул кислорода оказывают примеси щелочных и щелочноземельных металлов, входящие в вольфрамовую компоненту твердого сплава. С ростом концентрации указанных примесей до верхнего допустимого предела скорость диффузии кислорода увеличивается.The process of surface diffusion of trapped oxygen atoms and molecules is one of the main stages in the implementation of effective adsorption. In the process of diffusion, atoms and molecules find thermodynamically optimal positions in the surface structure. A decrease in the surface energy of the carbide cutting tool of the applicability group K with an increase in the diffusion mobility of the adsorbate, with the formation of equilibrium surface oxide formations, leads to a decrease in the intensity of adhesive interactions with the processed material. At the same time, local contact stresses decrease, the development of the wear surface increases, and the fractal dimension of the microrelief increases. A great influence on the diffusion mobility of oxygen atoms and molecules is exerted by impurities of alkali and alkaline earth metals included in the tungsten component of the hard alloy. With an increase in the concentration of these impurities to the upper acceptable limit, the oxygen diffusion rate increases.

Наиболее развитая шероховатая поверхность на задней грани режущего клина (фаске износа) формируется при некоторой оптимальной температуре, соответствующей оптимальной скорости резания. Ниже и выше оптимальной температуры, действующей в зоне контакта на задней поверхности режущего инструмента развитость микрорельефа поверхности износа ниже, а величина фрактальной размерности меньше, чем та, которая получается при оптимальной скорости резания. При температурах, (скоростях) ниже оптимальных, низкая развитость микрорельефа поверхности износа и малая величина фрактальной размерности обусловлены недостаточно высокой интенсивностью образования оксидных пленок и их не высокими эксплуатационными характеристиками (низкая экранирующая способность от адгезионных проявлений, низкие качества оксидных пленок, как твердой смазки). Это происходит вследствие низкой активности адсорбционных процессов. В результате контактная поверхность режущего клина в значительной степени является свободной от оксидных пленок. Последнее обстоятельство приводит к интенсивному межмолекулярному взаимодействию твердого сплава и обрабатываемого материала, а поверхность износа частично покрывается металлоподобным слоем обрабатываемого материала. Активные участки с металлическими наслоениями подвергаются высокочастотным циклическим нагрузкам за счет периодического «микросваривания» с обрабатываемым материалом и, в итоге, отделяются от контактной поверхности режущего инструмента. Износ в данном случае существенно интенсифицируется, а сама поверхность износа является значительно неупорядоченной с наличием глубоких впадин и высоких выступов и незначительной развитостью микрорельефа.The most developed rough surface on the rear edge of the cutting wedge (wear facet) is formed at a certain optimum temperature corresponding to the optimal cutting speed. Below and above the optimum temperature operating in the contact zone on the rear surface of the cutting tool, the development of the microrelief of the wear surface is lower, and the fractal dimension is smaller than that obtained at the optimum cutting speed. At temperatures (speeds) below optimal, the low development of the microrelief of the wear surface and the low fractal dimension are due to the insufficiently high rate of formation of oxide films and their low operational characteristics (low shielding ability from adhesive manifestations, low quality of oxide films as a solid lubricant). This is due to the low activity of adsorption processes. As a result, the contact surface of the cutting wedge is largely free of oxide films. The latter circumstance leads to intense intermolecular interaction of the hard alloy and the processed material, and the wear surface is partially covered by a metal-like layer of the processed material. Active areas with metal layers are subjected to high-frequency cyclic loads due to periodic "micro-welding" with the processed material and, as a result, are separated from the contact surface of the cutting tool. Depreciation in this case is significantly intensified, and the wear surface itself is significantly disordered with the presence of deep depressions and high protrusions and an insignificant development of the microrelief.

При температурах, (скоростях) выше оптимальных, низкая развитость микрорельефа поверхности износа и малая величина фрактальной размерности обусловлены интенсивным образованием оксидных пленок и их интенсивной сублимацией. Это происходит вследствие высокой активности адсорбционных процессов, высокой скорости окисления поверхности и высокой скорости испарения сформированных оксидов. Вследствие этого в зонах трения отсутствуют структуры, которые способствовали бы снижению контактных напряжений. При этом между обрабатываемым материалом и твердым сплавом возникает сильное межмолекулярное взаимодействие, которое приводит к интенсивному «микросвариванию» в локальных точках контакта, переходящее к расширенному, а затем и к сплошному. Последнее приводит к значительному увеличению усадки стружки, росту силы резания, интенсивному изнашиванию, за счет активизации внутреннего окисления по межзеренным границам и макроразрушению режущего клина. Элементы шероховатой структуры фаски износа в данном случае формируются в результате пластических вырывов частей структуры твердого сплава, а развитость микрорельефа значительно понижается. Износ, при этом, начинает носить, все в большей степени, пластический характер. Фрактальная размерность шероховатости износа в данном случае резко снижается.At temperatures (speeds) higher than optimal, the low development of the microrelief of the wear surface and the low fractal dimension are due to the intense formation of oxide films and their intense sublimation. This is due to the high activity of adsorption processes, a high rate of surface oxidation and a high rate of evaporation of the formed oxides. As a result of this, there are no structures in the friction zones that would help reduce contact stresses. In this case, a strong intermolecular interaction arises between the material being processed and the hard alloy, which leads to intense “micro-welding” at local points of contact, which goes over to expanded and then to continuous. The latter leads to a significant increase in shrinkage of chips, an increase in cutting force, intensive wear, due to the activation of internal oxidation along grain boundaries and macrocracking of the cutting wedge. The elements of the rough structure of the wear facet in this case are formed as a result of plastic tearing of parts of the structure of the hard alloy, and the development of the microrelief is significantly reduced. Depreciation, at the same time, begins to bear, increasingly, a plastic character. The fractal dimension of the roughness of wear in this case is sharply reduced.

С целью определения оптимальной скорости резания производят кратковременные стойкостные испытания режущих инструментов группы применяемости К, при резании сталей или сплавов, вызывающих интенсивный адгезионный износ при различных температурах (скоростях) обработки. Величина фрактальной размерности мало зависит от времени резания и существенно зависит от температуры (скорости резания). За критерий информативной работы каждого конкретного режущего инструмента принимают время резания при каждой температуре (скорости резания) в течение 2-5 мин. Меньшее время резания берут для обрабатываемых материалов, вызывающих более интенсивный адгезионный износ, а большее время резания берут для обрабатываемых материалов, вызывающих менее интенсивный адгезионный износ. Температуру в процессе резания (испытаний) устанавливают (и регистрируют) с помощью специального высокочувствительного пирометра. Фрактальную размерность шероховатости фаски износа на задней поверхности у подвергшихся испытаниям режущих инструментов измеряли с помощью бесконтактного трехмерного профилометра. Строятся графики зависимости величины фрактальной размерности от температуры и температуры от скорости резания. Наконец, на основании ранее полученной зависимости фрактальной размерности от температуры и температуры от скорости резания определяют оптимальную скорость резания, при которой на фаске износа задней поверхности режущего инструмента формируется максимальная величина фрактальной размерности. Для твердых сплавов вольфрам кобальтовой группы (группа применяемости К) наибольшая величина фрактальной размерности на задней поверхности фаски износа при обработке материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ, формируется примерно при температурах от 675 до 775°С. Причем с увеличением в составе вольфрамовой компоненты твердого сплава примесей щелочных и щелочноземельных металлов температурная область, при которой наблюдается наибольшее значение фрактальной размерности микрорельефа поверхности износа, смещается в сторону более низких температур, а при увеличении, указанных примесей в кобальтовой компоненте - в сторону более высоких температур. Это расширяет температурную область эффективного использования режущих инструментов. Оптимальные режимы обработки резанием сталей или сплавов выбирают на основании температуры, при которой формируется оптимальный шероховатый микрорельеф на поверхности износа с наибольшей фрактальной размерностью. Все действия по проведению измерений по выявлению величины фрактальной размерности на поверхности износа режущих пластин носят несложный и нетрудоемкий характер и, по сравнению с аналогами и прототипом, имеют более высокую точность в определении оптимальной температуры и, соответственно, скорости резания.In order to determine the optimal cutting speed, short-term resistant testing cutting tools of the applicability group K, when cutting steels or alloys that cause intense adhesive wear at various temperatures (speeds) of processing. The magnitude of the fractal dimension depends little on the cutting time and substantially depends on the temperature (cutting speed). The cutting time at each temperature (cutting speed) for 2-5 minutes is taken as a criterion for the informative operation of each specific cutting tool. Less cutting time is taken for the processed materials, causing more intense adhesive wear, and a longer cutting time is taken for the processed materials, causing less intense adhesive wear. The temperature during the cutting (testing) is set (and recorded) using a special highly sensitive pyrometer. The fractal dimension of the roughness of the wear facet on the rear surface of the tested cutting tools was measured using a non-contact three-dimensional profilometer. Plots of the dependence of the fractal dimension on temperature and temperature on cutting speed are plotted. Finally, based on the previously obtained dependence of the fractal dimension on temperature and temperature on the cutting speed, the optimal cutting speed is determined at which the maximum value of the fractal dimension is formed on the wear facet of the back surface of the cutting tool. For tungsten carbides of the cobalt group (applicability group K), the largest fractal dimension on the back surface of the wear facet during processing of materials that cause intense adhesive wear is formed at temperatures from about 675 to 775 ° C. Moreover, with an increase in the composition of the tungsten component of the hard alloy of impurities of alkali and alkaline earth metals, the temperature region at which the greatest value of the fractal dimension of the microrelief of the wear surface is observed shifts toward lower temperatures, and with an increase in these impurities in the cobalt component, toward higher temperatures . This extends the temperature range for the efficient use of cutting tools. The optimal processing conditions by cutting steels or alloys are selected based on the temperature at which the optimal rough microrelief is formed on the wear surface with the highest fractal dimension. All actions to take measurements to identify the fractal dimension on the wear surface of the cutting inserts are simple and easy, and, in comparison with analogues and prototype, 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 высокой эффективностью использования твердосплавных режущих инструментов при обработке материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ. Это, как показано, достигается за счет использования в качестве информативного параметра наибольшую величину фрактальной размерности шероховатости фаски износа на задней поверхности режущего клина, получаемую при эксплуатации твердосплавного режущего инструмента группы применяемости К при оптимальной скорости резания. С помощью предлагаемого способа представляется возможным по результатам оценки фрактальной размерности 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, the high efficiency of the use of carbide cutting tools in the processing of materials that cause intense adhesive wear. This, as shown, is achieved by using the largest value of the fractal dimension of the roughness of the wear facet on the rear surface of the cutting wedge as an informative parameter, obtained by operating a carbide cutting tool of applicability group K at the optimal cutting speed. Using the proposed method, it is possible, based on the results of evaluating the fractal dimension, to calculate the most economically feasible processing modes when cutting hard materials that cause intense adhesive wear of the cutting tool.

Морфология поверхности износа исследовалась с применением бесконтактного трехмерного профилометра MICRO MEASURE 3D station французской фирмы STIL. Профилометр работает следующим образом. Световой пучок диаметром 2 мкм освещает обследуемую поверхность импульсами с частотой 30 Гц, 100 Гц, 300 Гц или 1000 Гц. Частота световых импульсов выбирается в зависимости от интенсивности отражаемого от поверхности света и зависит от состояния поверхности (шероховатости, степени блеска и черноты). Для обследования поверхности износа у режущих пластин из твердого сплава ВК8 следует выбирать частоту 100 Гц. Она обеспечивает наиболее четкое воспроизведение обследуемого профиля износа. Пучок света, генерируется галогенной лампой. Затем по волокнисто - оптическому проводнику передается к датчику, где он формируется в луч. Высота выступов и впадин определяется из разности интенсивностей падающего и отраженного света. Шероховатость поверхности вычисляется из проверенного профиля, зарегистрированного (установленного) на отрезке определенной длины. Профилометр снабжен цифровой камерой, позволяющей десятикратно увеличивать изображение изношенной поверхности. Следовательно, с помощью камеры можно визуально выбирать место обследования. Обработка получаемых профилей производилась с использованием компютерной программы Maunta ins Map Universal v. 2. 0. 13. На основании измерения шероховатости в автоматическом режиме, в соответствии с компютерной программой, определялась величина фрактальной размерности.The morphology of the wear surface was studied using a non-contact three-dimensional profilometer MICRO MEASURE 3D station of the French company STIL. The profilometer works as follows. A light beam with a diameter of 2 μm illuminates the examined surface with pulses with a frequency of 30 Hz, 100 Hz, 300 Hz, or 1000 Hz. The frequency of light pulses is selected depending on the intensity of the light reflected from the surface and depends on the state of the surface (roughness, gloss and blackness). To examine the wear surface of VK8 carbide inserts, a frequency of 100 Hz should be selected. It provides the most accurate reproduction of the examined wear profile. A beam of light generated by a halogen lamp. Then it is transmitted through the fiber optic conductor to the sensor, where it is formed into a beam. The height of the protrusions and depressions is determined from the difference in the intensities of the incident and reflected light. The surface roughness is calculated from a verified profile registered (installed) on a segment of a certain length. The profiler is equipped with a digital camera that allows you to magnify ten times the image of a worn surface. Therefore, using the camera, you can visually select the location of the examination. Processing of the obtained profiles was carried out using the computer program Maunta ins Map Universal v. 2. 0. 13. 13. Based on the roughness measurement in automatic mode, in accordance with the computer program, the value of the fractal dimension was determined.

Контроль шероховатости и определение фрактальной размерности определяли на фаске износа, расположенной на задней поверхности режущего клина (у сменной режущей пластины) в ее центральной области. Для всех контролируемых пластин координаты места диагностирования должны быть одними и теми же.Roughness control and determination of fractal dimension were determined on the wear facet located on the back surface of the cutting wedge (at the removable cutting insert) in its central region. For all monitored plates, the coordinates of the diagnostic location should be the same.

С помощью предлагаемого способа представляется возможным по результатам оценки величины фрактальной размерности микрорельефа изношенной поверхности, в результате проведения кратковременных стойкостных испытаний, производить определение оптимальной скорости резания для режущих инструментов группы применяемости К для партии изготовляемой предприятием твердосплавной продукции или поступающей на металлообрабатывающее предприятие.Using the proposed method, it is possible, based on the results of evaluating the fractal dimension of the microrelief of the worn surface, as a result of short-term resistance tests, to determine the optimal cutting speed for cutting tools of applicability group K for a batch of hard-alloy products manufactured by an enterprise or delivered to a metal processing enterprise.

На фиг.1 представлена зависимость изменения температуры от скорости резания:Figure 1 shows the dependence of temperature changes on 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.

На фиг.2 представлена зависимость изменения величины фрактальной размерности микрорельефа поверхности износа на задней грани резца от температуры (скорости) резания:Figure 2 presents the dependence of the changes in the fractal dimension of the microrelief of the wear surface on the rear edge of the cutter on the temperature (speed) of cutting:

На фиг.3 представлена схема выбора места для проведения контроля шероховатости поверхности, по результатам которой определяется фрактальная размерность:Figure 3 presents a diagram of the choice of location for monitoring the surface roughness, the results of which determine the fractal dimension:

позиция - 1 - режущая пластина,position - 1 - cutting insert,

позиция - 2 - режущая кромка,position - 2 - cutting edge,

позиция - 3 - фаска износа по задней поверхности,position - 3 - chamfer of wear on the rear surface,

позиция - 4 - участок диагностирования (путь сканирования луча). Твердосплавные режущие пластинки были получены от двух разных партий предприятия-изготовителя.position - 4 - plot diagnostics (path scan beam). Carbide inserts were obtained from two different batches of the manufacturer.

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 пластин из сплава ВК8 (группа применяемости - К) из двух различных партий. Затем выбранные режущие пластины подвергают кратковременным испытаниям на износостойкость. В качестве обрабатываемого материала используют хромоникелевую сталь аустенитного класса или другой материал, вызывающий интенсивный адгезионный износ. За критерий информативной работы режущей пластины (режущего инструмента) принимают время резания при каждой температуре (скорости резания) в течение 3 мин. Испытания производятся при различных температурах зоны контакта (различных скоростях резания в диапазоне от 40 до 100 мм/об, глубину резания и подачу принимают, соответственно, t=1,5 мм; S=0,2 мм/об). резания и подачу принимают, соответственно, t=1,5 мм; S=0,2 мм/об). Температура резания в процессе кратковременных испытаний при резании хромоникелевой стали 12Х18Н10Т измеряется с помощью высокочувствительного пирометра или методом естественной пары с последующей тарировкой. Обработка статистических данных, полученных при испытании пластин в процессе резания и построение графика зависимости «температура резания - скорость резания» осуществляется с помощью компютерной программы. После испытания режущих пластин (каждую испытывали в течении 3 мин), у испытанных твердосплавных режущих пластин производится обследование шероховатости фаски износа и определяется фрактальная размерность. Определение фрактальной размерности микрорельефа фаски износа производилось у режущих пластин, после их испытания при выбранной температуре (скорости) резания. Итоговая фрактальная размерность получалась, как средняя величина, полученная при обследовании четырех резцов. Масштабный коэффициент подобия при определении фрактальной размерности брался постоянным.The implementation of the method is performed in such a sequence. First, carbide cutting inserts made of VK8 alloy (applicability group - K) are sampled from two different batches. Then, the selected cutting inserts are subjected to short-term wear tests. As the material being processed, austenitic chromium-nickel steel or another material that causes intense adhesive wear is used. For the criterion of informative operation of the cutting insert (cutting tool) take the cutting time at each temperature (cutting speed) for 3 minutes Tests are carried out at different temperatures of the contact zone (different cutting speeds in the range from 40 to 100 mm / rev, the cutting depth and feed are taken, respectively, t = 1.5 mm; S = 0.2 mm / rev). cutting and feed take, respectively, t = 1.5 mm; S = 0.2 mm / rev). The cutting temperature during short-term tests when cutting 12Kh18N10T chrome-nickel steel is measured using a highly sensitive pyrometer or a natural pair method followed by calibration. Processing of statistical data obtained during testing of inserts during cutting and plotting the dependence “cutting temperature - cutting speed” is carried out using a computer program. After testing the cutting inserts (each was tested for 3 minutes), the tested carbide cutting inserts examine the roughness of the wear facet and determine the fractal dimension. The fractal dimension of the microrelief of the wear facet was determined on the cutting inserts, after they were tested at the selected cutting temperature (speed). The final fractal dimension was obtained as the average value obtained by examining four incisors. The scale similarity coefficient in determining the fractal dimension was taken constant.

При температуре резания 657°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов из первой партии твердосплавных пластин составила 1,10; 1,11; 1,09; 1,10. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,10. При температуре резания 675°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов составила 1,23; 1,21; 1,25; 1,23. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,23. При температуре резания 700°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов составила 1,38; 1,37; 1,39; 1,38. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,38. При температуре резания 720°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов составила 1,40; 1,41; 1,39; 1,40. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,40. При температуре резания 725°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов составила 1,39; 1,40; 1,38; 139. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,39. При температуре резания 750°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов составила 1,35; 1,34; 1,36; 1,35. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,35. При температуре резания 775°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов составила 1,20; 1,21; 1,19; 1,20. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,20. При температуре резания 790°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов составила 1,10; 1,11; 1,09; 1,10. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,10.At a cutting temperature of 657 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for four tested cutters from the first batch of carbide inserts was 1.10; 1.11; 1.09; 1.10. The average fractal dimension was 1.10. At a cutting temperature of 675 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for the four tested cutters was 1.23; 1.21; 1.25; 1.23. The average fractal dimension was 1.23. At a cutting temperature of 700 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for the four tested cutters was 1.38; 1.37; 1.39; 1.38. The average fractal dimension was 1.38. At a cutting temperature of 720 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for the four tested cutters was 1.40; 1.41; 1.39; 1.40. The average fractal dimension was 1.40. At a cutting temperature of 725 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for the four tested cutters was 1.39; 1.40; 1.38; 139. The average fractal dimension was 1.39. At a cutting temperature of 750 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for the four tested cutters was 1.35; 1.34; 1.36; 1.35. The average fractal dimension was 1.35. At a cutting temperature of 775 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for the four tested cutters was 1.20; 1.21; 1.19; 1.20. The average fractal dimension was 1.20. At a cutting temperature of 790 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for the four tested cutters was 1.10; 1.11; 1.09; 1.10. The average fractal dimension was 1.10.

При температуре резания 665°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов из второй партии твердосплавных пластин составила 1,10; 1,11; 1,09; 1,10. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,10. При температуре резания 675°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов составила 1,23; 1,22; 1,24; 1,23. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,23. При температуре резания 700°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов составила 1,42; 1,41; 1,43; 1,42. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,42. При температуре резания 725°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов составила 1,49; 1,50; 1,48; 1,49. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,49. При температуре резания 730°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов составила 1,50; 1,51; 1,49; 1,50. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,50. При температуре резания 750°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов составила 1,47; 1,46; 1,48; 1,47. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,47. При температуре резания 775°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов составила 1,32; 1,31; 1,33; 1,32. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,32. При температуре резания 785°С фрактальная размерность микрорельефа фаски износа для четырех испытанных резцов составила 1,20; 1,21; 1,19; 1,20. Средняя величина фрактальной размерности составила 1,20.At a cutting temperature of 665 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for four tested cutters from the second batch of carbide inserts was 1.10; 1.11; 1.09; 1.10. The average fractal dimension was 1.10. At a cutting temperature of 675 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for the four tested cutters was 1.23; 1.22; 1.24; 1.23. The average fractal dimension was 1.23. At a cutting temperature of 700 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for the four tested cutters was 1.42; 1.41; 1.43; 1.42. The average fractal dimension was 1.42. At a cutting temperature of 725 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for the four tested cutters was 1.49; 1.50; 1.48; 1.49. The average fractal dimension was 1.49. At a cutting temperature of 730 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for the four tested cutters was 1.50; 1.51; 1.49; 1.50. The average fractal dimension was 1.50. At a cutting temperature of 750 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for the four tested cutters was 1.47; 1.46; 1.48; 1.47. The average fractal dimension was 1.47. At a cutting temperature of 775 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for the four tested cutters was 1.32; 1.31; 1.33; 1.32. The average fractal dimension was 1.32. At a cutting temperature of 785 ° C, the fractal dimension of the microrelief of the wear facet for the four tested cutters was 1.20; 1.21; 1.19; 1.20. The average fractal dimension was 1.20.

Измерение микрорельефа производилось в центре фаски износа. Линия сканирования находилась на расстоянии (по вертикали) 0,5hмм от режущей кромки и на расстоянии (по горизонтали) $\frac{1}{3} b = \frac{1}{3 S i n ϕ}$

t мм от вершины реза.The microrelief was measured at the center of the wear facet. The scan line was at a distance (vertical) of 0.5 hmm from the cutting edge and at a distance (horizontal)

\frac{one}{3} b = \frac{one}{3 S i n ϕ}

t mm from the top of the cut.

Длина сканирования составляла 0,58 мм. Где b, t и h, соответственно, длина режущей кромки, участвующая в снятии стружки, глубина резания и высота сформированной фаски износа. Главный угол в плане φ при резании составлял 60°. Схема измерения представлена на фиг.3.The scan length was 0.58 mm. Where b, t and h, respectively, the length of the cutting edge involved in chip removal, the depth of cut and the height of the formed bevel. The main angle in terms of φ during cutting was 60 °. The measurement scheme is presented in figure 3.

По результатам испытаний и измерений режущих пластин из выборок первой и второй партий строились зависимости: «температура резания - скорость резания» и «фрактальная размерность - температура резания». Из графика зависимости «фрактальная размерность - температура резания» для первой партии режущих пластин следует, что при температуре 720°С фрактальная размерность приобретает наибольшую величину. Ниже и выше указанной температуры величина фрактальной размерности имеет меньшее значение, чем она достигает при оптимальной температуре.According to the results of tests and measurements of cutting inserts from samples of the first and second lots, the dependences were built: “cutting temperature - cutting speed” and “fractal dimension - cutting temperature”. From the graph of the dependence "fractal dimension - cutting temperature" for the first batch of cutting inserts it follows that at a temperature of 720 ° C the fractal dimension acquires the greatest value. Below and above the indicated temperature, the value of the fractal dimension has a smaller value than it reaches at the optimum temperature.

Из графика зависимости «температура резания - скорость резания» определяют - по оптимальной температуре, при которой достигается наибольшее значение величины фрактальной размерности - оптимальную скорость резания. В конкретном примере оптимальная скорость резания составила 74 м/мин. При этой скорости резания достигается наибольшая износостойкость режущего инструмента группы применяемости - К из первой партии режущих пластин, при наибольшей экономической эффективности процесса.From the graph of the dependence "cutting temperature - cutting speed" is determined - at the optimum temperature at which the highest value of the fractal dimension value is reached - the optimal cutting speed. In a specific example, the optimum cutting speed was 74 m / min. At this cutting speed, the greatest wear resistance of the cutting tool of the applicability group is achieved - K from the first batch of cutting inserts, with the greatest economic efficiency of the process.

Из графика зависимости «фрактальная размерность - температура резания» для второй партии режущих пластин следует, что при температуре 730°С фрактальная размерность приобретает наибольшую величину. Ниже и выше указанной температуры величина фрактальной размерности имеет меньшее значение, чем она достигает при оптимальной температуре.From the graph of the dependence “fractal dimension - cutting temperature” for the second batch of cutting inserts it follows that at a temperature of 730 ° C the fractal dimension acquires the greatest value. Below and above the indicated temperature, the value of the fractal dimension has a smaller value than it reaches at the optimum temperature.

Из графика зависимости «температура резания - скорость резания» определяют по оптимальной температуре, при которой достигается наибольшее значение величины фрактальной размерности - оптимальную скорость резания. В конкретном примере оптимальная скорость резания составила 78 м/мин. При этой скорости резания достигается наибольшая износостойкость режущего инструмента группы применяемости - К из второй партии режущих пластин, при наибольшей экономической эффективности процесса.From the graph of the dependence "cutting temperature - cutting speed" is determined by the optimal temperature at which the highest value of the fractal dimension value is reached - the optimal cutting speed. In a specific example, the optimum cutting speed was 78 m / min. At this cutting speed, the greatest wear resistance of the cutting tool of the applicability group is achieved - K from the second batch of cutting inserts, with the greatest economic efficiency of the process.

В результате проведения сравнительных стойкостных испытаний режущих инструментов из первой и второй партии режущих пластин при скорости резания V=76 м/мин, подаче s=0,2 мм/об, t=1,5 мм и при критерии затупления по задней поверхности h=0,6 мм было установлено, что износостойкость режущих инструментов из второй партии режущих пластин, имеющих более высокое значение фрактальной размерности шероховатости поверхности износа выше износостойкости режущих инструментов из первой партии режущих пластин, имеющих более низкое значение фрактальной размерности шероховатости поверхности износа.As a result of comparative persistent tests of cutting tools from the first and second batch of cutting inserts at a cutting speed of V = 76 m / min, feed s = 0.2 mm / rev, t = 1.5 mm and with a criterion for blunting on the rear surface h = 0.6 mm, it was found that the wear resistance of cutting tools from the second batch of cutting inserts having a higher fractal dimension of the surface roughness of the wear is higher than the wear resistance of cutting tools from the first batch of cutting inserts having a lower fractal size surface roughness wear.

Было установлено, что наиболее низкая интенсивность износа режущих инструментов соответствовала эксплуатации их при скорости резания, соответствующей той температуре в зоне контакта, при которой наблюдается наибольшее значение величины фрактальной размерности шероховатости поверхности износа на задней грани режущего клина.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 largest value of the fractal dimension of the wear surface roughness at the rear edge of the cutting wedge is observed.

Таким образом, последовательность в определении оптимальной скорости резания является следующей. Сначала, из графика зависимости «фрактальная размерность - температура резания» определяют температуру, при которой наблюдается наибольшее значение фрактальной размерности шероховатости поверхности износа, затем с помощью графика зависимости «скорость резания - температура резания» и на основании уже имеющейся температуры резания, при которой наблюдается наибольшее значение величины фрактальной размерности, определяют оптимальную скорость резания.Thus, the sequence in determining the optimum cutting speed is as follows. First, from the graph of the dependence "fractal dimension - cutting temperature" determine the temperature at which the highest value of the fractal dimension of the surface roughness of the wear is observed, then using the graph of the dependence "cutting speed - cutting temperature" and based on the existing cutting temperature at which the highest the value of the fractal dimension, determine the optimal cutting speed.

Сравнительные стойкостные испытания, проведенные при различных скоростях резания, постоянной подаче, равной 0,20 мм/об и глубине резания 1,5 мм показали, что именно при скорости резания, равной 74 м/мин, соответствующей температуре 720°С в зоне контакта для первой партии режущих пластинок и, при скорости резания, равной 78 м/мин - соответствующей температуре в зоне контакта, равной 730°С - 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: 76 и 81 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.Comparative resistance tests carried out at various cutting speeds, a constant feed of 0.20 mm / rev and a cutting depth of 1.5 mm showed that it is with a cutting speed of 74 m / min, corresponding to a temperature of 720 ° C in the contact zone for the first batch of cutting inserts and, at a cutting speed of 78 m / min — the corresponding temperature in the contact zone equal to 730 ° 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 by the method, in accordance with the prototype, were, respectively: 76 and 81 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 variation in the 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 compared to inserts operated at cutting modes in accordance with the proposed method.

Claims

A method for determining the optimal cutting speed with carbide cutting tools of the applicability group K in the form of cutting inserts, which consists in first measuring the temperature in the working contact zone of the hard alloy — the material being processed at various cutting speeds with the construction of a graphical dependence, and then, using the constructed graphical dependence, they establish as an optimal cutting speed, the speed at which the heating temperature in the working contact zone is hard alloy - machined Methods and material corresponds to the temperature at the formation of wear chamfer formed during the cutting on the rear surface of the cutting wedge of the insert, with the greatest roughness fractal dimension corresponding to the highest wear resistance of the cutting tool.