Фрактальный подход к процессу изнашивания твердосплавного инструмента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Кириченко, Виктор Викторович

• Кириченко, Виктор Викторович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кириченко, Виктор Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Виды инструментальных режущих материалов.

1.2. Механизмы изнашивания режущего инструмента.

1.3. Методы повышения работоспособности твердых сплавов.

1.3.1. Упрочнение поверхностных слоев инструмента твердыми покрытиями.

1.3.2. Разработка новых составов спеченых твердых сплавов.

1.3.3. Алмазная обработка спеченых твердых сплавов.

1.3.4. Упрочнения твердых сплавов высококонцентрированными источниками энергии.

1.3. Выводы.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Методика проведения стойкостных испытаний для исследования износа твердосплавного инструмента при точении.

2.2. Методики электронно-микроскопического исследования поверхностей износа и разрушения.

2.3. Мультифрактальная параметризация контактных поверхностей твердых сплавов и деформированных слоев обрабатываемых материалов.

2.3.1 Основные понятия о фракталах.

2.3.2 Фрактальная размерность.

2.3.3. Методология мультифрактальной параметризации структур.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.

3.1.Влияние структуры твердых сплавов на износостойкость инструмента.

3.2. Исследование изнашивания твердых сплавов с покрытием.

3.3. Выводы.

ГЛАВА 4. ФРАКТАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ПРОЦЕССАМ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ ИНСТРУМЕНТА ПРИ РЕЗАНИИ.

4.1. Алгоритмы оценки фрактальной размерности, показателей Ляпунова и информационной энтропии по временной реализации.

4.2. Исследование контактного взаимодействия при внешнем трении инструментального и обрабатываемого материалов на основе теории фракталов.

4.3. Мультифрактальная параметризация подошв нароста и прирезцовых слоев обрабатываемого материала.

4.4. Фрактальный подход к исследованию контактного взаимодействия и изнашивания инструмента при резании.

4.5. Выводы.

ГЛАВА 5. УПРАВЛЕНИЕ КОНТАКТНЫМИ ПРОЦЕССАМИ И ИЗНОСОМ ИНСТРУМЕНТА ПРИ РЕЗАНИИ.

5.1.Влияние размера зерна твердых покрытий на износостойкость режущего инструмента.

5.2. Влияние фрактальных свойств твердых сплавов и покрытий на их износостойкость.

5.3. Нейронносетевая модель управления контактными процессами при резании.

5.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Фрактальный подход к процессу изнашивания твердосплавного инструмента»

Актуальность работы. Механическая обработка материалов резанием сопровождается трением и изнашиванием режущего инструмента. Спечённые твёрдые сплавы широко используются для оснащения инструмента в виде многогранных неперетачиваемых пластин.

Интенсивность изнашивания твёрдосплавного инструмента существенно определяется коэффициентом трения, контактными напряжениями, температурой резания, свойствами обрабатываемого и инструментального материалов и т.д. Низкая стойкость режущего инструмента снижает производительность металлообрабатывающего оборудования, особенно на станках с ЧПУ и в условиях гибкого автоматизированного производства.

Решение задачи повышения износостойкости твердосплавного инструмента возможно лишь при углубленном изучении физических процессов, сопровождающих трение при резании, на основе фундаментальных подходов. К числу фундаментальных подходов следует отнести синергетику -теорию самоорганизации термодинамически неравновесных открытых систем.

В этой связи, систему резания необходимо рассматривать как неравновесную открытую систему. В системе резания, с позиций теории синергетики, находящейся вдали от термодинамического равновесия и получающей энергию от внешнего трения на контактных поверхностях инструмента и стружки возникают кинетически неустойчивые (хаотические), либо устойчивые структуры, вследствие ее самоорганизации. Такие структуры называют диссипативными. В свою очередь, кинетическую устойчивость таких вторичных структур, определяющих интенсивность изнашивания инструмента можно оценивать с позиций теории фракталов - фрактальной размерностью.

Поэтому установление взаимосвязи, образующихся на контактных поверхностях вторичных структур, с их фрактальной размерностью и управление на этой основе интенсивностью изнашивания инструмента является актуальной задачей в теории резания металлов.

Цель работы: разработка механизма изнашивания твердосплавного инструмента на основе фрактального подхода к прочности материалов.

Научная новизна работы состоит в:

- разработке механизма изнашивания твердосплавного инструмента на основе оценки фрактальной размерности поверхностей изнашивания от времени и скорости резания;

- разработка методики оценки интенсивности изнашивания режущей части инструмента путём расчёта фрактальной размерности частиц износа;

- развитие новых представлений о причинах немонотонности зависимости стойкости (интенсивность изнашивания) твёрдосплавного инструмента в зависимости от скорости резания на основе разработанных механизмов изнашивания.

Практическую ценность представляют:

- разработанный алгоритм оценки фрактальной размерности частиц изнашивания твёрдых сплавов;

- экспресс-метод оценки фрактальных свойств износостойких покрытий;

- нейронно-сетевая модель управления контактными процессами.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Технология машиностроения» Комсомоль-ского-на-Амуре государственного технического университета.

Апробация работы: основные положения диссертационной работы докладывались на:

- международной научно-технической конференции «Фракталы и прикладная синергетика», г. Комсомольск-на-Амуре, 2002г.

- на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета в 1999-2004 гг.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4 печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов по работе. Диссертация изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 5 таблиц, библиографический список из 87 наименований.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Кириченко, Виктор Викторович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведена оценка фрактальной размерности поверхностных слоев инструмента в процессе его изнашивания и прирезцовых слоев стружки.

Показано, что фрактальная размерность поверхностей изнашивания в зависимости от времени и скорости резания изменяется. Причём с ростом скорости резания фрактальная размерность носит немонотонный характер

Показано, что фрактальная размерность на опорной поверхности стружки обрабатываемого материала определяется условиями резания и свойствами обрабатываемого материала.

2. Разработана кластерная модель «разрыхления» контактных слоев инструмента при резании и вырыва группы зерен карбидной фазы вследствие образования и ветвления микротрещин.

Предложены методы расчета интенсивности изнашивания режущего инструмента на основе оценки фрактальной размерности частиц износа.

3. Изучен сценарий потери структурной устойчивости поверхностных слоев инструментальных материалов. Показано, что потеря структурной устойчивости контактных поверхностей трения реализуется по сценарию «перемежаемости», что обусловливает ступенчатых характер зависимости изнашивания инструмента и фрактальной размерности частиц износа от времени резания, либо пути трения.

4. Фрактальный подход к процессу изнашивания режущего инструмента позволил указать причины немонотонности зависимости износа режущего инструмента от скорости резания. При низких скоростях резания пластическое течение прирезцовых слоев является двумерным, происходит циклическое нагружение, расшатывание и отрыв зерен или группы зерен карбидной фазы инструмента. При повышении скорости резания пластическое течение является преимущественно одномерным - близким к ламинарному и интенсивность изнашивания снижается. При высоких скоростях резания наблюдается хаотизация пластического течения частиц обрабатываемого материала, что, наряду с размягчением связки твердого сплава, способствует их перемешиванию в результате интенсивности износа повышается и реализуется ротационнопластический механизм изнашивания.

5. Разработан экспресс - метод оценки фрактальных свойств поверхностного микрорельефа твердых покрытий путем ее расчета по профилло-граммам поверхности покрытия, рассматривая их как временные ряды. На этой основе разработан алгоритм расчета фрактальной размерности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кириченко, Виктор Викторович, 2004 год

1. Андреев Г.С. Влияние тепловых и адгезионых явлений на работоспособность твердосплавного инструмента при периодическом резании // Вестник машиностроения. 1974. №10. с. 71-74.

2. Андреевский С.С., Уманский Я.С. Фазы внедрения. М.: Наука, 1977. - 240 с.

3. Ан Х.С., Чижик С.А., Дубравин A.M., Атомно-силовая микроскопия поверхности трения TiN // Трение и износ, т.20,№6. с. 613-622.

4. Анфицеров В.Н., Бобров Г.В., Дружинин Л.К. н др, Порошковая металлургия и напыленные покрытия. М.: Металлургия, 1987. -792 с.

5. Армарего И. Дж. А., Браун P. X. Обработка металлов резанием / Пер. с англ. В. А. Пастунова. М., 1977.

6. Байрамов Ч.Г. Природа изнашивания твердосплавного режущего инструмента. Баку: Элм, 2000 - 192 с.

7. Беккер М.С., Куликов М.Ю., Никоноров А.В. Роль структуры инструментального материала в процессе изнашивания твердосплавного режущего инструмента. // Вестник машиностроения. 1997. №10. с. 30-33.

8. Бобров В.Ф., Иванов В.В. Режущие свойства титановых твердых сплавов при непрерывном точении углеродистых и легированных инструментальных сталей. // Вестник машиностроения. 1979. №3. с. 53-56.

9. Бурыкина А.Л. Самсонов Г.В. К вопросу о механизме адгезионного взаимодействия металлов и металлоподобных соединений. // Порошковая металлургия. 1970. №3. с. 37-41.

10. Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. -М.: Машиностроение, 1986. 192 с.

11. Встовский Г.В., Колмаков А.Г. Использование подходов теории информации в физике конденсированных сред // Синергетика 2000, с. 55 -64.

12. Иванова B.C., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксагоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994. - 383 с.

13. Гленсдорф П., Пригожин И.Р. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. М.: Мир. 1973. 280 с.

14. Гордон М.Б. Исследования трения и смазки при резании металлов. В кн.: «Трение и смазка при резании металлов». Чебоксары, Изд-во ЧГУ, 1972. с. 7-73.

15. Гнюсов С.Ф. Тарасов С.Ю. Фазовые превращения в твердом сплаве при трении и оценка фрактальных свойств поверхностей трения. // Трение и износ, 2000, т. 21, №1, с. 82-88.

16. Гуревич Д.М. Механизм изнашивания титановольфрамового твердого сплава // Вестник машиностроения. 1980. №11. с. 41-43.

17. Жилин В.А., Субатомный механизм износа режущего инструмента. Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета, 1973. - 168 с.

18. Жилин В.А., Стебленко В.П. Пластический износ режущего инструмента с пластинами из твердого сплава // Станки и инструмент. 1979. №3. с. 36-38.

19. Журков С.Н. Дилатонный механизм прочности твердого тела. -1983. т.25. -вып. 10. - с. 3119-3123.

20. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания. М.: Машгиз, 1956.-365 с.

21. Зорев Н.Н., Клауч Д.Н., Богатырев В.А., и др. 0 природе износа твердосплавного инструмента//Вестник машиностроения, 1971.-№ 11. -с. 70-73.

22. Зорев Н.Н., Фетисова З.М. Обработка резанием тугоплавких сплавов. М.: Машиностроение, 1966. - 227 с.

23. Кабалдин Ю.Г Структурно-энергетический подход к процессу изнашивания режущего инструмента. // Вестник машиностроения, 1990, №12,с.62-68.

24. Кабалдин Ю.Г. Структура, прочность и износостойкость композиционных инструментальных материалов. Владивосток: Дальнаука, 1996.- 183 с.

25. Кабалдин Ю.Г. Универсальная модель изнашивания режущего инструмента и методы повышения его работоспособности. // Вестник машиностроения, 1993, №11, с.31-34.

26. Кабалдин Ю.Г. Шпилев A.M. Синергетический подход к анализу динамических процессов в технологических системах // Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов. Вып. 10 / Под ред. А.В. Пуша-М.: МГТУ «Станкин», 1998. с. 9-13

27. Кабалдин Ю.Г., Бурков А.А., Кожевников Н.Е., Изотов С.А. Прогнозирование работоспособности инструмента из твердых сплавов и быстрорежущей стали методом внутреннего трения // Машиностроитель. 1986. №5. с. 23-24.

28. Кабалдин Ю.Г., Олейников А.И., Шпилев A.M., Бурков А.А. Математическое моделирование самоорганизующихся процессов в технологических системах обработки резанием. Владивосток: Дальнаука, 2000. -195 с.

29. Кабалдин Ю.Г., Шпилев A.M. Повышение надежности процессов механообработки в автоматизированном производстве. Владивосток: Дальнаука, 1996. - 264 с.

30. Кабалдин Ю.Г., Шпилев A.M. Самоорганизующиеся процессы в технологических системах обработки резанием. Диагностика. Управление. Владивосток: Дальнаука, 1998. - 266 с.

31. Кабалдин Ю.Г., Шпилев A.M. Синергетика. Управление процессами механообработки в автоматизированном производстве. Комсомольск-на-Амуре: Комс.-на-Амуре гос. техн. ун-т, 1997. - 260 с.

32. Кабалдин Ю.Г., Шпилев A.M. Синергетический подход к процессам механообработки в автоматизированном производстве. // Вестник машиностроения, 1996. №8. с. 13-19.

33. Под ред. Ю.Г. Кабалдина: Комсомольск-на-Амуре, Комс.-на-Амуре гос. техн. ун-т. 1996. с. 38-43.

34. Кабалдин Ю.Г., Шпилев A.M., Молоканов Б.И. Физические основы диагностики износа инструмента в автоматизированном производстве // Вестник машиностроения. 1991. №4. с. 48-51.

35. Кипарисов С.С., Левинский Ю.В., Петров А.П. Карбид титана. Получение, свойства, применение. М.: Металлургия, 1987. - 216 с.

36. Костецкий Б.И. Стойкость режущих инструментов. М.: Маш-гиз, 1979. - 158 с.

37. Кремнев Л.С. Особенности разрушения инструментальных материалов // Металловедение и термическая обработка металлов, №4, 1994. с. 17-20.

38. Кретинин О.В. Исследование спектра ТЭДС и сил при резании: Науч. тр. / Горьковский политехи, инст-т. Горький, 1970. Т.26. Вып. 4. с. 25-56.

39. Ким В.А. К фрактальной параметризации триботехнического процесса. // Сб. «Синергетика 2000. Самоорганизующиеся процессы в технике и технологиях». Комсомольск-на-Амуре, 2000, с. 212-218.

40. Кретинин О.В., Соловьев М.Ю. Лахонин А.И. Диагностирование режущего инструмента на основе анализа ЭДС резания и виброакустической эмиссии // Тезисы докладов зональной научно-технической конференции. Андропов, 1988. - 69 с.

41. Лоладзе Т.Н. Износ режущего инструмента. М.: Машгиз, 1958. - 355 с.

42. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982 - 25 с.

43. Лоладзе Т.Н., Бетанели. А.И. Прочность режущего инструмента // Развитие науки о резании металлов / Под ред. Н.Н. Зорева. М.: Машиностроение, 1967. с. 157-181.

44. Майстренко A.J1. Экспериментальные методы определения тре-щиностойкости сверхтвердых материалов //Заводская лаборатория. 1981. №8. с. 72-78.

45. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. Нью-Йорк, 1982.-254 с.

46. Новиков Н.В. О влиянии скорости нагружения и температуры на трещиностойкость твердых сплавов // Проблемы прочности, 1980. №10. с. 61-64

47. Одиноков В.И. О конечно-разностном представлении дифференциальных соотношений теории пластичности. Прикл. механика, 1985. Т. 21. №1. С. 97-102.

48. Николис Г., Пригожин И.Р. Самоорганизация в неравновесных системах. Пер. с англ. М.: Мир. 1979. 308 с.

49. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск: Наука, 1985. - 230 с.

50. Пилянкевич А.Н., Бритун В.Ф. Препарирование образцов тугоплавких соединений для исследования на просвет в электронном микроскопе //Порошковая металлургия. 1981. №11. с. 97-101.

51. Подураев В.Н. и др. Технологическая диагностика резания методом акустической эмиссии. / В.Н. Подураев, А.А. Барзов, В.А. Горелов. -М.: Машиностроение, 1988. 56 с.

52. Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н., Вершинин Г.А., Орлов П.В. Износостойкость твердых сплавов системы WC-Co, модифицированных пучками различной интенсивности. // Трение и износ, 1998, т. 19, №4, с. 475-479.

53. Полещенко К.Н., Полетика М.Ф., Геринг Г.И. и др. Фазовый состав и износостойкость приповерхностных слоев твердого сплава WC-Co, облученного 1газометаллическими ионными пучками. // Физика металлов и металловедение, 1995, вып.1, с.113 —116.

54. Протопопов Б.Е. Генерация солитонов вверх по потоку: численный анализ зависимости от ключевых параметров // ПМТФ, №3, 1993, С. 88-94.

55. Протопопов Б.Е. Численное моделирование явления генерации солитонов движущейся областью высокого давления // ПМТФ, №3, 1991, С. 78 84.

56. Розенберг A.M., Розенберг Ю.А. Механика пластического деформирования в процессах резания и деформирующего протягивания. -Киев: Наукова думка, 1990. 320 с.

57. Рыжкин А.А., Филинчук А.И., Щучев К.Г., Климов М.М. Термодинамический подход к оценке интенсивности изнашивания трущихся металлов. // Трение и износ, 1982, т.З, №5. С. 367-372.

58. Сальников А.С., Атомно-энергетическая модель трения, // Металловедение и термическая обработка металлов. 1993, №7 с.27-32.

59. Самойлов B.C., Эйхманс Э.Ф., Фальковский В.А, и др. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент. Справочник. М.: Машиностроение, 1988, - 368 с.

60. Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. М.: Наука. 1991. 136 с.

61. Самсонов Г.В., Прядко И.Ф., Прядко Л.Ф. Конфигурационная модель вещества. Киев: Накува Думка, 1971. - 273 с.

62. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием: Справочник / Под общей ред. С.Г. Энтелиса, Э.М. Берлинера. М.: Машиностроение, 1995. - 496с.

63. Справочник по практическому металловедению / B.JI. Пилюшен-ко, Б.Б. Винокур, С.Е. Кондратов и др. К.: Техника, 1984. - 135 с.

64. Тарасов С.Ю., Колубаев А.В., Липицкий А.Г. Применение теории фракталов к анализу процессов трения. // Письма в ФТЖ, 1999, т.25, №3, с.82-88.

65. Талантов Н. В.//Физические процессы при резании металлов. Волгоград, 1984. С. 3—37.

66. Тот Л. Карбиды и нитриды переходных металлов. М.: Мир, 1974. - 294с.

67. Трение, изнашивание и смазка: Справ. В 2 кн./Под ред. И. В. Краге льского и В. В. Алисина. К, 1979.

68. Федер Е. Фракталы. М.: Мир, 1991. -254 с.

69. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976. - 527с.

70. Фактография и атлас фактографии. Справочник: Пер. с англ. /Под ред. М.Л. Берштейна. М.: Металлургия, 1982. - 489 с.

71. Чапорова И.Н., Репина Э.И., Сапранова Э.Н. Структура и свойства спеченных твердых сплавов. // Тр. МиТОН. 1984. №2. с. 52-55.

72. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах. М.: Мир, 1979. 279 с.

73. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Машиностроение, 1969.-680 с.

74. Якубов Ф.Я. и др. Энергетические аспекты износа режущего инструмента. Комсомольск-на-Амуре, - 1989. с. 53-54.

75. Якубов Ф.Я. Энергетические соотношения процесса механической обработки материалов. Ташкент: Фан, 1965. - 104 с.