Повышение работоспособности сменных многогранных пластин из композиционной керамики, полученной методом искрового плазменного спекания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Пожидаев Сергей Сергеевич

• Пожидаев Сергей Сергеевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Пожидаев Сергей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СМЕННЫХ МНОГОГРАННЫХ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН

1.1 Назначение и области применения режущих пластин

1.2 Эксплуатационные свойства и области применения материалов для режущих пластин

1.3 Виды режущей керамики и области ее применения

1.4 Технологии получения материалов для режущих пластин

1.5 Влияние параметров искрового плазменного спекания на свойства получаемых материалов

1.6 Выводы по главе

Глава 2. ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА АШв-Б^-ТЮ МЕТОДОМ ИСКРОВОГО ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ

2.1 Принцип действия и схема искрового плазменного спекания

2.2 Характеристики технологического оборудования для искрового плазменного спекания

2.3 Методы измерения характеристик материалов

2.4 Методика обработки экспериментальных данных

2.5 Получение опытных образцов из материала АЬОз-БЮ^^ТЮ методом искрового плазменного спекания

2.5.1 Исходные порошковые материалы

2.5.2 Рентгенофазовый анализ

2.5.3 Анализ фазового состава на сканирующем электронном микроскопе

2.5.4 Измерение плотности

2.5.5 Определение оптимального фазового состава

2.5.6 Обработка на распылительной сушке

2.5.7 Статистическая обработка экспериментальных данных

2.5.8 Выбор рациональных параметров искрового плазменного спекания

2.6 Экспериментальное исследование характеристик опытных образцов из

материала Л1203-81С№-Т1С

2.6.1 Измерение твердости и плотности образцов

2.6.2 СЭМ анализ микроструктуры

2.6.3 Измерение трещиностойкости

2.6.4 Результаты измерения прочности на изгиб

2.6.5 Результаты измерения удельного электрического сопротивления

2.7 Выводы по главе

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СМЕННЫХ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ПО КРИТЕРИЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

3.1 Особенности изнашивания и разрушения режущих пластин из керамики

3.2 Объекты и задачи экспериментального исследования

3.3 Изготовление опытных образцов режущих пластин электроэрозионным методом

3.4 Условия проведения исследований на износостойкость при резании

3.5 Результаты исследований на износостойкость при резании

3.6 Результаты исследований на износостойкость на машине трения

3.7 Выводы по главе

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СМЕННЫХ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ПО КРИТЕРИЮ ПРОЧНОСТИ

4.1 Механика разрушения и критерии прочности инструментального материала

4.1.1 Пластическая прочность инструментального материала

4.1.2 Хрупкая прочность инструментального материала

4.1.3 Технологический критерий прочности инструментальных материалов

4.2 Моделирование параметров процесса резания при токарной обработке

4.2.1 Ширина и толщина срезаемого слоя

4.2.2 Угол наклона условной плоскости сдвига

4.2.3 Контактные силовые нагрузки на резец

4.2.4 Контактные тепловые нагрузки на резец

4.2.5 Температуры в зоне резания

4.3 Сопротивление обрабатываемого материала пластическому сдвигу

4.4 Моделирование прочности режущих пластин при токарной обработке

4.4.1 Термомеханический подход при моделировании прочности инструмента

4.4.2 Методы определения напряжений и температур в инструменте

4.4.3 Алгоритм моделирования прочности инструмента

4.5 Сравнительный анализ работоспособности режущих пластин из разных материалов по критерию прочности

4.5.1 Исходные данные и условия расчетного анализа

4.5.2 Расчет силовой и тепловой нагрузки на режущую пластину

4.5.3 Расчет напряжений и температур в режущей пластине

4.5.4 Определение предельных режимов резания по критерию прочности пластины

4.6 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение работоспособности сменных многогранных пластин из композиционной керамики, полученной методом искрового плазменного спекания»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. С развитием технологий, проектирование и разработка новых материалов для режущих инструментов является важной задачей для удовлетворения растущих технологических требований в области машиностроения. Ожидается, что технологии получения режущих инструментов, которые претерпели значительное изменение с начала XX века по настоящее время, получат дальнейшее развитие и в будущем.

Металлорежущие инструменты по особенностям конструкций можно разделить на цельный, когда державка инструмента составляет единое целое с режущим элементом, составной, когда инструмент представляет собой неразъёмное соединение его элементов, и сборный, когда инструмент состоит из разъёмных элементов. Наиболее перспективным представляется сборный режущий инструмент [1], где возможность замены его режущей части, а именно сменных многогранных режущих пластин (СМП), введет к уменьшению затрат.

С развитием машиностроения повышаются требования к эксплуатационным характеристикам различных готовых изделий, что введет к увеличению объемов механической обработки труднообрабатываемых материалов, что в свою очередь введет к повышению требований к эксплуатационным характеристикам режущих пластин.

Выбор материала для режущих пластин является одним из наиболее важных факторов механической обработки. Для того, чтобы правильно выбрать материал, необходимо учитывать условия эксплуатации режущей пластины, т.к. инструмент значительно изнашивается в ходе процесса резания и подвергается воздействию высоких температур и силовых нагрузок. Поэтому условия его использования выдвигают соответствующие требования к материалу режущей пластины. Таким образом, функциональная пригодность

инструментального материала определяется свойствами его поверхностной твердости, прочности и теплостойкости, стойкости к трещинообразованию, а также износостойкости. Для удовлетворения указанным требованиям были получены различные материалы, например, легированные и углеродистые инструментальные стали, которые являются одними из старейших представителей инструментальных материалов и успешно используются до настоящего времени.

В начале XX века, использование быстрорежущих сталей, в основном молибденовых и вольфрамовых, позволило существенно повысить скорость резания. Эти стали обладают хорошей износостойкостью и могут сохранять свою твердость при высокой температуре. Другой способ, который был разработан для повышения работоспособности режущего инструмента, - это нанесение всевозможных покрытий. Покрытия могут обеспечить повышение твердости, износостойкости и т.д. [22, 23] В качестве покрытий обычно используют нитрид титана (Т1К) [100], карбид титана (Т1С) [53], карбонитрид титана (Т1СК) [99] и оксид алюминия (Л1203) [105].

В качестве материалов для режущих пластин широко используются твердые сплавы различных высокотвердых и тугоплавких карбидов (титан, вольфрам, ниобий, тантал и др.), соединенных металлической связкой (никель, кобальт, молибден и др.).

В настоящее время для высокоскоростной обработки материалов с повышенной твердостью (30 - 60 ИЯС) все большее применение получают различные керамические инструментальные материалы, как например Л1203. Керамические материалы имеют существенный недостаток - это относительно малые значения ударной вязкости и хрупкой прочности. Однако лобавление вторичной фазы приводит к улучшению характеристик керамических композиционных материалов (композитов). Так, в работе [4] показано, что при добавлении в матрицу диоксида алюминия вторичного металлического компонента, значительно увеличивается поверхностная твердость образца до ИУ 25 ГПа. В другой работе [117] авторами проведено

исследование композита, имеющего состав Al2Oз-SiC-TiC, с поверхностной твердостью до НУ 19 ГПа.

Хорошо известно, что структуры с меньшим размером зерна обладают более высокими физико-механическими характеристиками, по этой причине материалы с размером зерен в нанометрическом диапазоне являются перспективными.

К настоящему времени в области получения керамических пластин наибольшее распространение получили методы горячего изостатического прессования и горячего прессования. Однако данные методы отличаются длительным временем протекания процесса спекания, что приводит к росту зерен. Использование метода искрового плазменного спекания (ИПС), обладающего высокой скоростью процесса спекания и применяющий относительно высокое давление, позволяет сохранить исходную мелкозернистую структуру материала [4, 94, 107, 110, 113].

Помимо сохранения мелкого размера зерна, для улучшения физико-механических свойств керамических материалов одним из наиболее эффективных способов является включение вторичных фаз, например, волокон (нитевидных кристаллов) [96].

Исходная идея настоящей работы заключалась в разработке керамического материала с улучшенными физико-механическими свойствами, что позволит повысить износостойкость и прочность режущих пластин и рассматривать полученный материал как альтернативу существующим твердым сплавам и режущим керамикам при высокоскоростной обработке закаленных сталей.

Таким образом, применение технологии ИПС для получения новых видов керамических материалов для изготовления СМП с повышенными показателями работоспособности при токарной обработке закаленных сталей является актуальной научно-технической проблемой, решению которой посвящена настоящая работа.

Для получения нового керамического композиционного материала А1203-81С1-ТЮ, обладающего улучшенными физико-механическими свойствами, предложена композиция из порошка, состоящая из оксида алюминия (Л1203) с высокой твердостью, нитевидных волокон карбида кремния (БЮ1^ с высокой прочностью и карбида титана (ТЮ) с хорошими электропроводящими свойствами, что упрощает получение режущих пластин методом электроэрозионной обработки [87, 122]. Полученные опытные образцы пластин затем исследовались по показателям износостойкости и прочности.

Степень разработанности темы. С каждым годом технология искрового плазменного спекания становится все более распространённой в различных областях: медицина; авиастроение; информационные технологии и др. В исследованиях С.Н. Григорьева, Е.К. Папынова, Р. Торресильяса, Х. Порвал, Х. Мойа, М. Суареса и др. подтверждается способность получения новых высокопрочных материалов при помощи данной технологии. Использование технологии ИПС, по сравнению с аналогами, позволяет получать более твердые, трещиностойкие материалы с улучшенными показателями износостойкости.

В настоящие время технология ИПС все больше проникает в область производства сменных режущих пластин. Появляются новые работы по получению сменных режущих пластин из различных видов керамики и твердых сплавов.

Имеются многочисленные публикации российских и зарубежных ученых по получению и исследованию различных керамических композитов на основе Л1203, но работы по получению керамического композита Л1203-8Ю1-ТЮ методом ИПС практически отсутствуют.

В соответствии с исходным предположением автора, добавление нитевидных волокон БЮ в матрицу Л1203 оказывает упрочняющий и армирующий эффект, а добавление ТЮ увеличивает электропроводные свойства материала. Применение технологии ИПС позволяет сохранить

нанометрический размер зерен, что в итоге, как показано в данной работе, повышает физико-механические и режущие свойства нового вида керамического материала и делает его перспективным для применения в инструментальном производстве.

Цель и задачи работы. Цель настоящей работы заключается в повышении работоспособности СМП из исследуемой композиционной керамики на основе исследований их износостойкости и прочности при чистовой и получистовой токарной обработке заготовок из закаленных сталей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- определить состав и рациональное количественное соотношение компонент в полученном керамическом композиционном материале;

- определить технологические параметры ИПС, обеспечивающие наилучшие физико-механические характеристики полученного керамического материала и исследовать характеристики опытных образцов из полученного материала;

- изготовить и исследовать работоспособность опытных СМП из полученного материала по критериям износостойкости и прочности при токарной обработке заготовок из закаленной стали;

- разработать математическую модель для прогнозирования работоспособности СМП по критерию прочности инструментальных материалов;

- предложить практические рекомендации для применения новой композиционной керамики в качестве инструментального материала для чистового и получистового точения закаленных сталей.

Объект исследования. Сменные многогранные режущие пластины, изготовленные из предложенного состава композиционной керамики, полученной методом искрового плазменного спекания.

Предмет исследования. Физические связи и закономерности влияния параметров искрового плазменного спекания на физико-механические

характеристики опытных образцов из нового керамического материала, а также влияние режимов резания и свойств нового материала на показатели работоспособности СМП при чистовом и получистовом точении закаленных сталей.

Научная новизна. Научная новизна работы заключена в следующих положениях.

1. Разработана регрессионная математическая модель для определения технологических параметров ИПС, обеспечивающих наилучшие физико-механические свойства полученного керамического материала.

2. На основе применения МКЭ разработана математическая модель для численной оценки работоспособности СМП по критерию прочности Писаренко-Лебедева. Модель позволяет прогнозировать предельные режимы токарной обработки по критерию прочности СМП.

3. Расчетно-экспериментальным путем установлены зависимости износостойкости и прочности СМП из предложенного керамического материала от его физико-механических характеристик и режимов точения заготовок из закаленной стали ШХ15.

Теоретическая и практическая значимость работы. На основе проведенных исследований установлены регрессионные зависимости влияния параметров ИПС на плотность, твердость и трещиностойкость нового керамического материала. С помощью разработанной математической модели прочности СМП получены зависимости влияния свойств инструментального и обрабатываемого материала, геометрии СМП на величину предельных по критерию прочности режимных параметров обработки (£, У, ?) при чистовом и получистовом точении образцов из закаленной стали ШХ15.

Практическая ценность работы заключается в следующих положениях: - получены патенты (ЯШ63892Ш, КШ63894Ш, ЯШ63896Ш) на разработку устройств для получения изделий из композиционных порошков;

- предложены обоснованные рекомендации для выбора технологических параметров ИПС, обеспечивающих наилучшие физико-механические свойства исследуемого керамического материала;

- предложены обоснованные практические рекомендации для применения исследованной смешанной керамики в качестве инструментального материала, как альтернатива стандартным твердым сплавам и режущей керамике при чистовом и получистовом точении закаленных сталей.

Методы исследования. Работа выполнена на основе применения методов теории резания и методов общей теории прочности конструкционных материалов, а также МКЭ для расчетного анализа напряжений и температур в СМП. Изучение состава и свойств нового композиционного керамического материала выполнялось с помощью современных методов металлографического и металлофизического анализов, сканирующей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа. Измерения выполнены на лицензированном оборудовании и поверенных приборах в лабораторных условиях. Достоверность результатов подтверждается адекватностью применяемых методов, повторяемостью результатов экспериментов и согласованием теоретических и экспериментальных данных в пределах 20% относительной погрешности, а также экспериментальных данных других авторов.

Положения, выносимые на защиту. Основные положения, выносимые на защиту:

- технология получения нового композиционного керамического материала на основе применения метода ИПС, рациональные параметры технологического процесса, обеспечивающие получение опытных образцов материала с улучшенными физико-механическими свойствами;

- результаты исследований на износостойкость СМП из предложенного материала при высокоскоростном точении заготовок из закаленной стали ШХ15;

- модели и алгоритмы для численной оценки прочности СМП с учетом силовых и тепловых воздействий при токарной обработке;

- результаты расчетно-экспериментальных исследований и анализа работоспособности по критериям износостойкости и прочности СМП из исследуемого материала, режущей керамики ВОК-200 и твердого сплава Т15К6 при точении заготовок из закаленной стали ШХ15.

Степень достоверности и апробация результатов диссертационной работы обеспечена обоснованным применением теории резания и теории прочности материалов, материаловедения, совпадением расчетных и экспериментальных данных в пределах 20% относительной погрешности. Экспериментальные исследования проводились на лицензированном оборудовании и поверенных приборах в лабораторных условиях, приближенных к производственным.

Исследования по тематике диссертационной работы выполнялись автором в рамках государственного задания в сфере научной деятельности Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект №0707-2020-0025.

Основные результаты диссертации докладывались на различных научных конференциях в 2014-2018 гг., в том числе среди победителей в рамках программы «УМНИК». Работа докладывалась на Всероссийской научно-технической конференции «Современные достижения в области создания перспективных неметаллических композиционных материалов и покрытий для авиационной и космической техники», Москва: ФГУП ВИАМ, 18 декабря 2015г., на международной научно-практической конференции «Будущее машиностроения России», Москва: МГТУ им. Баумана, 24-27 сентября 2019г., на Всероссийской научно-технической конференции «Машиностроение: оптимизация и современные технологии», Уфа: УГАТУ, 23-25 декабря 2019г.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 2.5.5

- «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» в части пунктов 2, 3, 4.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 1-го приложения и списка литературы из 126 наименований, содержит 76 рисунков и 69 таблиц. Общий объем работы составляет 190 страницы машинописного текста.

Глава 1. МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СМЕННЫХ МНОГОГРАННЫХ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН

Основные тенденции развития в современной металлообработке касаются повышения качества и снижения себестоимости продукции. Добиться конкурентного преимущества можно за счет внедрения новых материалов и инновационных технологий для производства более качественного режущего инструмента.

1.1 Назначение и области применения режущих пластин

Режущие пластины из различных материалов (твердые сплавы, керамика и др.) гарантируют высококачественную обработку жаростойких и труднообрабатываемых металлов и их сплавов, цветных металлов, а также различных вязких материалов. Помимо этого, пластины успешно используются при черновой и чистовой обработке чугуна и пластмасс. Легкость монтажа сменных пластин на инструмент, а также высокая степень износостойкости гарантируют потребителю надежную и продолжительную работу, а также ощутимый экономический эффект.

Использование пластин в качестве режущего элемента позволяет значительно повысить скорости резания, снизить общие затраты за цикл обработки, а также улучшить показатели качества поверхности обрабатываемой заготовки. Можно также отметить, что применение сменных пластин совместно со специальной инструментальной оправкой позволяет решать практически все технологические задачи в области механической обработки резанием.

При использовании сменных пластин снижаются усилия резания и, таким образом, их влияние на свойства обрабатываемого материала, что важно

при качественной обработке заготовок из цветных металлов, высокопрочных сплавов титана и алюминия.

Использование режущих пластин значительно уменьшает коробление и снижает внутренние напряжения в обрабатываемом металле. Модульные сменные пластины используются для обработки шестерен и шестеренных колес. Керамические пластины позволяют обрабатывать качественные быстрорежущие стали.

Сменные пластины находят широкое применение при токарной обработке, позволяя успешно и оперативно решать всевозможные технологические задачи. Простой и быстрый монтаж сменных пластин, надежное крепление в сочетании с хорошей износостойкостью гарантируют высокое качество обработки. Применение твердосплавных сменных пластин в несколько раз экономичнее по сравнению с монолитными инструментами. Их использование на предприятии считается оправданным и является признаком применения инновационных технологий в производственном процессе.

Для обработки закаленных сталей с высокой твердостью (30-60 ИЯС) в настоящее время достаточно широко применяются пластины из режущей керамики смешанного типа, например, оксидной режущей керамики, легированной карбидом титана Л12Оз-ТЮ и ее различные модификации (ВОК-60, В0К-200 и др.) не содержащие дефицитных Со и других элементов.

Инструменты, оснащенные СМП на основе режущей керамики, имеют ряд преимуществ по сравнению с твердыми сплавами по твердости, износостойкости и теплостойкости, что позволяет применять их при резании на более высоких скоростях для обработке закаленных и легированных сталей по сравнению с твердосплавным инструментом.

Резюмируя, можно выделить следующие основные технологические преимущества керамических СМП:

+ увеличение срока службы режущего инструмента;

+ обеспечение высокой точности размеров и качества обрабатываемой поверхности;

+ уменьшение потерь времени на замену режущего инструмента;

+ обеспечение высокой скорости резания;

+ функциональность;

+ экономичность, за счет использования одной и той же державки.

Вместе с тем, СМП из режущей керамики имеют ряд недостатков, которые препятствуют их более широкому применению:

- наличие объемных и поверхностных дефектов структуры (микропоры, микротрещины, растягивающие остаточные напряжения), обусловленные технологией получения керамики;

- достаточно высокую чувствительность к хрупкому разрушению при динамических (циклических) силовых и тепловых нагрузках, например, при фрезеровании;

- относительно низкую прочность на растяжение и ударную вязкость.

1.2 Эксплуатационные свойства и области применения материалов для

режущих пластин

В современном автоматизированном машиностроительном производстве применяются определенные инструментальные материалы, которые в пределах своих возможностей удовлетворяют необходимым требованиям для изготовления режущих пластин. В зависимости от технологической задачи используются следующие инструментальные материалы (рисунок 1.1):

• твердые сплавы;

• режущая керамика;

• сверхтвердые материалы.

прочность ударная вязкость величина подачи глубина резания

твердость теплостойкость износостойкость скорость резания

Рис. 1.1 Современные инструментальные материалы для изготовления

режущих пластин

Легированные быстрорежущие стали с добавлением хрома, вольфрама, ванадия, кобальта и углерода имеют твердость до 64...67 ИЯС и теплостойкость до 620.670 °С. Такие свойства позволяют использовать быстрорежущую сталь на чистовых и получистовых операциях на относительно высоких скоростях резания жаропрочных, углеродистых, низколегированных и коррозионностойких сталей.

Композиционные твердые сплавы включают тугоплавкие и с повышенной твердостью сплавы карбиды титана, вольфрама, тантала и др., которые соединены металлическими связками из молибдена, никеля, кобальта и др. Режущие пластины из твердых сплавов обладают высокой твердостью до 86.94 ИЯЛ и теплостойкостью до 800.1000 °С. Кроме того, износостойкость таких инструментов с повышением скорости превышает износостойкость инструментов из быстрорежущих сталей. Вместе с тем, твердые сплавы уступают быстрорежущим сталям по прочностным характеристикам (ударная вязкость, изгибная прочность). Основная область применения инструментов

из этого материала - черновая, получистовая, чистовая обработка и прерывистое резание.

Инструменты из режущей керамики, не уступая по твердости, допускают более высокие скорости резания, чем твердосплавные инструменты. Характерной чертой режущей керамики является отсутствие связки, что позволяет сохранять высокую прочность при нагреве и дает возможность применять этот материал для обработки при скоростях резания превышающих допустимый предел для твердосплавных материалов в 2,5 раза. Инструменты из режущей керамики обладают высокой твердостью (91...94 ИЯЛ) и теплостойкостью (до 1200.1300 °С), что обеспечивает им высокую износостойкость. Однако, из-за отсутствия связки режущая керамика имеет низкую стойкость к трещинообразованию, прочность и сопротивляемость циклическим силовым и тепловым нагрузкам. По этим причинам керамические инструменты используются в основном при чистовой и получистовой токарной обработке при условии достаточной жесткости технологической системы с малым уровнем колебаний. Керамические инструменты чувствительны к обработке с большими сечениями среза, а также к прерывистому резанию с применением СОТС из-за вероятности внезапного разрушения режущей части. Поэтому режущая керамика пока не получила достаточно широкого практического применения на производстве, что связано с ее высокой стоимостью и функциональными ограничениями при обработке материалов.

В настоящие время с развитием современных технологий материалов, появляются и новые сверхтвердые материалы, которые применяются в разных областях науки и техники, включая инструментальное производство. Такие материалы требуют последующей механической обработки, которую не могут обеспечить инструменты из вышеперечисленных материалов. В связи с этим появляется необходимость создания новых инструментальных материалов или модификации уже существующих, а также создания новых технологий

для их получения, которые сделают их более экономичными для широкого применения в различных областях.

1.3 Виды режущей керамики и области ее применения

В настоящие время различные керамические композиции используются в качестве инструментальных материалов для реализации различных операций и обработки широкого спектра конструкционных материалов [27, 45, 65].

Все керамические режущие инструменты обладают высокой тепло- и износостойкостью при высоких рабочих температурах. Такие специфические свойства режущей керамики позволяют использовать ее при высокоскоростном точении и обеспечивать высокую производительность обработки материалов повышенной твердости. Режущую керамику можно разделить на несколько основных групп, представленных на рисунке 1.2.

Рис. 1.2 Разновидности режущей керамики Оксидная керамика изготавливается на основе Л12О3, получившего широкое распространение благодаря своей высокой твердости. Тем не менее,

Л12О3 обладает низкими показателями прочности на изгиб и трещиностойкости, что ограничивает его применение. Для частичной компенсации недостатков данного материала добавляют ZrO2 (оксид циркония), который позволяет уменьшить образование трещин и повышает прочность на изгиб. В результате соединения этих элементов образуется материал, обладающий высокой химической стойкостью, но имеющий недостаточную термостойкость. Поэтому оксидная керамика применяется для изготовления режущего инструмента для токарной обработки незакаленных сталей и ковких чугунов.

Повысить прочность, трещиностойкость, а также теплопроводность и другие свойства матрицы из Л12О3 можно путем «армирования» ее волокнами карбида кремния (SiCw) [98, 111, 121, 61]. Режущую керамику имеющую состав A12O3-SiCw принято называть армированной. Режущие инструменты из такого материала обладают высокой твердостью, трещиностойкостью, теплопроводностью и стойкостью к тепловому удару, что является благоприятными свойствами для резания труднообрабатываемых материалов, таких как никелевые сплавы [86, 109, 119]. Армированная керамика, за счет своих свойств, позволяет применять высокие скорости резания [29, 61, 62, 63], что снижает время обработки в несколько раз [49]. Режущий инструмент из армированной керамики в основном применяется для получистовой и чистовой токарной обработки жаростойких сплавов, а также серого чугуна и никелевых сплавов.

Режущий инструмент из смешанной керамики является одним из наиболее популярных при точении жаропрочных сплавов и твердых материалов, точении и растачивании заготовок из серого чугуна. Добавление вторичной фазы (TiC, Ti(C,N), TiB2 и др.) в матрицу Л12О3 значительно улучшает механические свойства материала [101, 104, 118]. Например, добавление TiC или TiB2 (борид титана) повышает трещиностойкость, твердость и прочность относительно Л12О3, что, в свою очередь, повышает износостойкости режущего инструмента и обеспечивает широкий диапазон

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пожидаев Сергей Сергеевич, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аверченков, В. Автоматизация выбора режущего инструмента для станков с ЧПУ / В. Аверченков, А. Аверченков. - Москва: Флинта, 2011. - 99 с.

2. Адлер, Ю.П. Введение в планирование эксперимента / Ю.П. Адлер. -Москва: Металлургия, 1968. - 91 с.

3. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В Маркова, Ю.В. Грановский. - Москва: Наука, 1976. - 103 с.

4. Алварез, Э. Свойства нанокомпозитных материалов, полученных искро-плазменным методом на основе оксидной керамики / Э. Алварез, К. Гутиеррез, С.Н. Торресильяс, А.А. Окунькова // Перспективные материалы. - 2014. - с. 43-50.

5. Алямовский, А.А. Инженерные расчеты в Solidworks Simulation / А.А. Алямовский. - Москва: ДМК Пресс, 2010. - 464 с.

6. Андриевский, Р. А. Прочность тугоплавких соединений / Р. А. Андриевский, А. Г. Лапин, Г. А. Рымашевский. - Москва: Металлургия, 1974. - 232 с.

7. Андриевский, Р. А. Прочность тугоплавких соединений и материалов на их основе/ Р. А. Андриевский, И. И. Спивак. - Челябинск: Металлургия, 1989. - 368 с.

8. Артамонов, Е. В. Исследование напряжений, деформаций и прочности сменных режущих пластин методом конечных элементов: монография / Е. В. Артамонов, Т. Е. Помигалова, М. Х. Утешев. - Тюмень: Изд-во ТНГУ, 2002. - 140 с.

9. Артамонов, Е.В. Повышение работоспособности сборных режущих инструментов на основе исследования напряженно-деформированного состояния и прочности сменных твердосплавных пластин: автореф. дис.

на соиск. учен. степ. док. техн. Наук (05.03.01) / Артамонов Евгений Владимирович; ТГНУ. - Томск,2003. - 16 с.

10. Астафьев, В. И. Нелинейная механика разрушения / В. И. Астафьев, Ю. Н. Радаев, Л. В. Степанова. - Самара: Изд-во Самарского университета, 2001. - 534 с.

11. Бакунов, В. С. Прочность и структура керамики / В. С. Бакунов, А. В. Беляков. - Москва: Огнеупоры и техническая керамика, 1998. - №3. - с. 11-15.

12. Баррет, Ч. С Структура металлов / Ч.С. Баррет, Т. Б. Массальский. - Пер. с англ. в двух частях. - М.: Металлургия, 1984. - 344 с.

13. Бахвалов, Н. С. Численные методы / Н. С. Бахвалов, Н. П. Жидков, Г. М. Кобельников. - М.: Наука, 1975. - 632 с.

14. Бернштейн, М. Л. Структура деформированных металлов / М. Л. Берштейн. - М.: Металлургия, 1977. - 432 с.

15. Бобров, В.Ф. Основы теории резания металлов / В.Ф Бобров. - Москва: Машиностроение, 1975. - 132 с.

16. Борисенко, В. А. Прочность и твердость тугоплавких материалов при высоких температурах / В. А. Борисенко. - Киев: Наукова думка, 1984. - с. 211.

17. Брокс, Д. Основы механики разрушения / Д. Броск. - Пер. с англ. - М.: Высшая школа, 1980. - 368 с.

18. Васин, С. А. Резание материалов: термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: учебник для технических вузов. / С. А. Васин, А. С. Верещака, В. С. Кушнер. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 448 с.

19. Верещака, А. С. Работоспособность инструмента из смешанной керамики с нанодисперсным многослойным покрытием при обработке закаленной инструментальной стали / А. С. Верещака, Е. С. Сотова, А.А. Верещака. - М.: Технические науки. Машиностроение и машиноведение, 2014. - с. 177-184

20. Верещака, А. С. Резание материалов / А. С. Верещака, В. С. Кушнер. -М.: Высшая школа, 2009. - 535 с.

21. Владимиров, В. И. Физическая природа разрушения металлов / В. И. Владимиров. - М.: Металлургия, 1984. - 280 с.

22. Волосова, М. А. Исследование влияния комбинированной поверхностной обработки на физико-механические характеристики оксидной и нитридной режущей керамики / М. А. Волосова. - М.: Вестник МГТУ СТАНКИН, 2013. - №2(25) - с. 39-43.

23. Волосова, М. А. Технологические принципы осаждения износостойких нанопокрытий для применения в инструментальном производстве / М. А. Волосова, С. Н. Григорьев. - М.: Упрочняющие технологии и покрытия, 2010. - с. 37-42.

24. Галлагер, Р. Метод конечных элементов / Р. Галлагер; пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 428 с.

25. Григорьев, С. Н. Автоматизированная система термопрочностных расчетов керамических режущих пластин / С. Н. Григорьев, В. И. Мяченков, В. В. Кузин. - М.: Вестник Машиностроения, 2011. - №11. -с. 26-31.

26. Григорьев, С. Н. Влияние свойств керамики на напряженно-деформированное состояние режущей пластины в условиях установившейся теплопроводности / С. Н. Григорьев, В. В. Кузин, Д. Буртон, А. Д. Бартако. - Москва: Вестник Машиностроения, 2012. - №4. - с. 76-80.

27. Григорьев, С.Н. Перспективы применения инструментов с керамическими режущими пластинами в современной металлообработке / С.Н. Григорьев, В.В. Кузин // Стекло и керамика -2011 - №8 - с. 17 - 22.

28. Грубый, С. В. Моделирование процесса резания твердосплавными и алмазными резцами: учебное пособие / С. В. Грубый. - М.: Изд-во МГТУ им Баумана, 2010. - 108 с.

29. Зверев, И.А. Исследование износостойкости и прочности токарных режущих сменных пластин из нового композитного керамического материала / И.А. Зверев, С.С. Пожидаев // Будущее машиностроения России. Сборник докладов конференции. МГТУ им. Н.Э. Баумана. -2019. - С. 52-58.

30. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. - М.: Мир, 1975. - 525 с.

31. Зорев, Н. Н. Вопросы механики процесса резания / Н.Н. Зорев. -Москва: Машгиз, 1956. - 367 с.

32. Зорев, Н. Н. Развитие науки о резании металлов / Н. Н. Зорев, Г. И. Грановский, М. Н. Ларин. - М.: Машиностроение, 1967. - 415 с.

33. Зорев, Н.Н. Обработка резанием тугоплавких сплавов / Н.Н. Зорев, 3. М. Фетисова. - Москва: Машиностроение, 1966. - 224 с.

34. Иванова, В. С. Синергетика. Прочность и разрушение металлических материалов / В. С. Иванова. - М.: Наука, 1992. - 512 с.

35. Кац, М. Д. Погрешности и условия применения импульсных методов определения теплофизических характеристик материалов: автореф. ... дисс. канд. физ.-мат. наук / М. Д. Кац. - Томск, 2009. - 23 с.

36. Качанов, Л. М. Основы механики разрушения / Л.М. Качанов. - М.: Наука, 1974. - 311 с.

37. Киффер, Р. Твердые сплавы / Р. Киффер, Ф. Березовский. - Москва: Металлургия, 1971. - 392 с.

38. Клушин, М. И. Резание металлов / М. И. Клушин. - Москва: Машгиз, 1958. - 453 с.

39. Колмогоров, В. Л. Напряжение, деформация, разрушение / В. Л. Колмогоров. - Л.: Металлургия, 1970. - 229 с.

40. Крагельский, И. В. Трение и износ / И.В. Крагельский. - Москва: Машиностроение, 1969. - 480 с.

41. Креймер, Г. С. Прочность твердых сплавов / Г. С. Креймер. - Москва: Металлургия, 1971. - 246 с.

42. Кузин, В. В. Инструменты с керамическими режущими пластинами / В. В. Кузин. - Москва: Янус-К, 2006. - 160 с.

43. Кузин, В. В. Микроструктурная модель керамической режущей пластины / В. В. Кузин. - Москва: Вестник машиностроения, 2011. - №5. - с. 72-76.

44. Кузин, В. В. Особенности изнашивания и разрушения керамических режущих пластин / В. В. Кузин, В. Н. Аникин, С. Ю. Федоров, М. Ю. Федоров. - Москва: Вестник Машиностроения, 2010. - №11. - с. 50-56.

45. Кузин, В. В. Эффективное применение высокоплотной керамики для изготовления режущих и деформирующих инструментов / В. В. Кузин // Новые огнеупоры. - 2010. - №12. - с. 13-19.

46. Лоладзе, Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента / Т. Н. Лоладзе. - Москва: Машиностроение, 1982. - 320 с.

47. Макаров, А. Д. Оптимизация процессов резания / А. Д. Макаров. -Москва: Машиностроение, 1976. - 278 с.

48. Макклинток, А. Деформация и разрушение металлов / А. Макклинток, А. Аргон. - Пер. с англ. - М.: Мир, 1970. - 443 с.

49. Маслов, А.Р. Современная режущая керамика / А.Р. Маслов // Главный механик - 2008. - №8. - с. 14-19

50. Масляков, Д. В. Определение сопротивления пластической деформации в зоне стружкообразования с учетом совместного влияния условий деформирования и особенностей фазово-кристаллического строения обрабатываемого материала: автореф. ... дис. канд. техн. наук: 05.03.01 / Д. В. Масляков. - Рыбинск, 2002. - 16 с.

51. Морозов, Е. М. Метод конечных элементов в механике разрушения / Е. М. Морозов, Г. П. Никишков. - М.: ЛКИ, 2008. - 256 с.

52. Налимов, В.В. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов / В.В. Налимов, Н.А. Чернов. - Москва: Наука, 1965. -101 с.

53. Оганян, Г. В. Повышение надежности твердосплавных инструментов путем ионного азотирования и нанесения износостойкого покрытия: дис. ... канд. тех. наук 05.03.01 / Оганян Гайк Вартанович - 1998. - 54 с.

54. Основы планирования эксперимента: учеб.-метод. пособие для студентов спец. 190800 / К.М. Хамханов. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2001. - 111 с.

55. Остафьев, В.А. Расчет динамической прочности режущего инструмента / В.А Остафьев. - Москва: Машиностроение, 1979. - 168 с.

56.Патент РФ № 163892 «Устройство для получения изделий из композиционных порошков» // Дата приоритета - 17.12.2015. Бюл. №2 22. / Торресильяс, Р., Солис П., Журавлев М.В., Пожидаев С.С. [и др.].

57. Патент РФ № 163894 «Устройство для получения изделий из композиционных порошков» // Дата приоритета - 17.12.2015 Бюл. №2 22. / Торресильяс, Р., Солис П., Пристинский Ю.О., Пожидаев С.С. [и др.].

58. Патент РФ № 163896 «Устройство для получения изделий из композиционных порошков» // Дата приоритета - 08.12.2015 Бюл. №2 22. / Торресильяс, Р., Солис П., Пожидаев С.С., Смирнов А.В. [и др.].

59. Писаренко, Г.С. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии / Г.С. Писаренко, А.А Лебедев. - Киев: Наукова думка, 1976. - 415 с.

60. Писаренко, Г.С. Сопротивление материалов деформированию и разрушению при сложном напряженном состоянии / Г.С. Писаренко, А.А. Лебедев. - Киев: Наукова Думка, 1969. - 208 с.

61. Пожидаев, С.С. Исследование износостойкости и прочности токарных сменных режущих пластин из композитной керамики / С.С. Пожидаев, И.А. Зверев // Вестник МГТУ «СТАНКИН» №3 (50). - 2019. - С. 7-14.

62. Пожидаев, С.С. Исследование износостойкости и прочности токарных сменных режущих пластин из нового керамического материала / С.С. Пожидаев, И.А. Зверев // Металлообработка: оптимизация и

современные технологии. Сборник докладов конференции. УГАТУ. -2019. - С. 22-28.

63. Пожидаев, С.С. Применение искрового плазменного спекания для получения сверхпрочного электропроводного А1203-Б1С,^Т1С нанокомпозита / С.С. Пожидаев, А.Е. Селезнев, С.В. Новиков, П.Ю. Перетягин, П.Н., В. Солис // Современные достижения в области создания перспективных неметаллических композиционных материалов и покрытий для авиационной и космической техники. Сборник докладов конференции. ФГУП ВИАМ. - 2015. - С.22.

64. Полетика, М. Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента / М. Ф. Полетика. - Москва: Машиностроение, 1969. - 114 с.

65. Пронин, А.И. Особенности применения сверхтвердых материалов / А.И. Пронин, Б.Я. Мокрицкий, С.В. Виноградов // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. - 2010. - №2. - с. 88-92.

66. Райхельзон, В.А. Обработка резанием сталей, жаропрочных и титановых сплавов с учетом их физико-механических свойств / В.А. Райхельзон. - М.: Изд-во "Техносфера", 2018, - 507 с.

67. Резников, А. Н. Теплофизика резания / А. Н. Резников. - Москва: Машиностроение, 1969. - 288 с.

68. Резников, А.Н. Тепловые процессы в технологических системах / А.Н. Резников, Л.А. Резников. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.

69. Рехт, Р.Ф. Разрушающий термопластический сдвиг / Р.Ф. Рехт // Труды Американского общества инженеров механиков. Пер. с англ., т. 31, сер. Е, № 2. М: Мир, 1964, с. 189 - 193.

70. Розенберг, А. М. Элементы теории процесса резания металлов / А. М. Розенберг, А. Н. Еремин. - Москва: Машгиз, 1956. - 319 с.

71. Селютин, А. А. Синтез и характеристики нанорегулярных сорбентов на основе оксида / А. А. Селютин, П. Д. Колоницкий, Н. Г. Суходолов, Е.

В. Шрейнер, Н. В. Краснов, Е. П. Подольская. - Санкт-Петербург: Научное приборостроение, 2013. - 116 с.

72. Силин С. С. Теоретическое определение параметров процесса резания. В кн.: Производительная обработка и технологическая надежность деталей машин. Межвузовский сб. научных трудов, № 6, Ярославль, изд. Ярославского политехнического ин-та, 1977, с. 3—16.

73. Силин, С. С. Метод подобия при резании материалов / С.С. Силин. -Москва: Машиностроение, 1979. - 152 с.

74. Смирнов-Аляев, Г.А. Теория пластических деформаций металлов / Г.А. Смирнов-Аляев, В.М. Розенберг. - М.: Машгиз, 1956. - 143 с.

75. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. / под ред. А.Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. - М.: Машиностроение, 1986. - 656 с.

76. Талантов, Н. В. Контактные процессы и износ режущих поверхностей инструмента. Труды Ижевского механического ин-та / Н.В. Талантов // Сб. Совершенствование процессов резания и повышение точности металлорежущих станков. - 1969. - 3—80 с.

77. Талантов, Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента / Н.В. Талантов. - М.: Машиностроение, 1992. - 240 с.

78. Тихомиров В.Б. Планирование и анализ эксперимента (при проведение исследований в легкой и текстильной промышленности). М., «Легкая индустрия», 1974, 262 с.

79.Торресильяс, Р и др. Исследование физико-механических свойств керамических материалов. Отчет о научном исследовании по договору № 14.В25.31.0012, номер гос. регистрации №1037700246451 / Р. Торресильяс, А.А. Окунькова, С.С. Пожидаев, Ю.А. Мельник, Солис Пинарготе Н. В. и др. - Москва: МГТУ СТАНКИН, 2013. - 99 с.

80. Третьяков, И. П. Исследование прочности режущей части пластин сплавов при нормальной и повышенной температурах / И. П. Третьяков, Н. В. Яцук. - Киев: Техника, 1972. - 131—135 с.

81. Фридман, Я.Б. Механические свойства металлов. Механические испытания. Конструкционная прочность / Я.Б. Фридман. - М.: Машиностроение, 1974. - т. 1. - 68 с.

82. Хикс, Ч.Р. Основные принципы планирования эксперимента / Ч.Р. Хикс. - Москва: Мир, 1967. - 101 с.

83. Хирт, Дж. Теория дислокаций / Дж. Хирт, И. Лоте. - М.: Атомиздат, 1972. - 599 с.

84. Черепанов, Т.П. Механика разрушения / Т.П. Черепанов, Л.В. Ершов. -М.: Машиностроение, 1977. - 224 с

85. Aucote, J. Interaction of ceramic cutting tools with nickel-based alloys / J. Aucote, S.R. Foster // Material Science Technology - 1986. - Vol. 2. - P. 700-708

86. Borsa, C.E. Processing and properties of Al2O3/SiC nanocomposites / C.E. Borsa, S. Jiao, R.I. Todd, R.J. Brook // J. Microsc. - 1995. - Vol. 177. - P. 305-312.

87.Cai, F. Preparation, microstructures and properties of Al2O3-TiC composites / F. Cai, D. McLachlan, N. Axen, R. Manyatsa // Ceramics International -2002. - Vol. 28. - P. 217-222

88. Campbell-Smith P. D. Sinterización por Spark Plasma Sintering (SPS) de materiales compuestos para herramientas. - Oviedo, 2014.

89. Chae, J. H Microstructural evolution of Al2O3-SiC nanocomposites during spark plasma sintering / J.H. Chae, K.H. Kima, Y.H. Choa, J. Matsushita, J. Yoon, K.B. Shima // Journal of Alloys and Compounds, - 2006. - Vol. 413. -P. 259-264.

90. Chaskalovic, J. Finite Element Methods for Engineering Sciences. -Springer. - 2008. - P. 267

91. Choudhury, I.A. Machinability of nickelbase super alloys: a general review / I.A. Choudhury, M.A. El-Baradie // Journal of Material Processing Technology - 1998. - V. 77. - P. 278-284.

92. Clemares María Isabel Alvarez, Fernández Carmen Cerecedo, Rodriguez Luis Antonio Díaz, Rivera Francisco Guitián, San Millán Ramón Torrecillas, Juárez Víctor Manuel Valcárcel. Ceramic/alpha-alumina whiskers composite materials and method for obtaining same, WO2012152971A1

93. Corral José Serafín Moya, San Millán Ramón Torrecillas, García Carlos Pecharromán, Rodriguez Luis Antonio Díaz, Sonia López-Esteban, Suárez Teresa Rodríguez, González Carlos Fidel Gutiérrez, Osoro Gustavo Mata. Method for obtaining a nanostructured composite material having a ceramic matrix, which can be machined by electroerosion, and resulting product, W02011012765A2

94. Demuyncka, M. Densification of alumina by SPS and HP: A comparative study / M. Demuyncka, J. Erauwa, O. van der Biest, F. Delannay, F. Cambier // Journal of the European Ceramic Society - 2012. - Vol. 32. - P. 1957-1964.

95. Dusza, J. Handbook of Advanced Material Testing in Fracture Toughness and Strength testing of Ceramic Composites / J. Dusza, P. Sajgalik // Marcel Dekker. - 1995. - P. 137

96. Evans, A. G. The mechanical behaviour of ceramic matrix composites / A.G. Evans, D.B. Marschall // Acta Metallurgica. - 1989. - Vol. 37. - P. 32- 37

97. Gao, L Mechanical Properties and Microstructure of Nano-SiC±Al2O3 Composites Densified by Spark Plasma Sintering / L. Gao, H.Z. Wang, J.S. Hong, H. Miyamoto, K. Miyamoto, Y. Nishikawa, S.D. Torre. // Journal of the European Ceramic Society. - 1999. - Vol. 19. - P. 609-613.

98.Gutierrez-Gonzalez, C.F. Longer-lasting Al203-SiCw-TiC cutting tools obtained by spark plasma sintering / C.F. Gutierrez-Gonzalez, S. Pozhidaev, S. Rivera, P. Peretyagin, W. Solis, L.A. Diaz, A. Fernandez, R. Torrecillas // International Journal of Applied Ceramic Technology. - Vol. 14, Issue 3. - P. 367-373.

99.Pastor, H. Titanium-Carbonitride based alloys for cutting tools. Materials Science and Engineering / H. Pastor. // Materials Science and Engineering. -1988. - Vol. 105-106. - P. 401-409

100. Hedenqvist, P How TiN coatings improve the performance of high speed steel cutting tools / P. Hedenqvist, M. Olsson, P. Wallén, A. Kassman, S. Hogmark, S. Jacobson. // Surface and Coatings technology - 1990. - Vol. 41. - P. 243-256

101. Jianxin, D. Wear behavior and mechanisms of aluminabased ceramic tools in machining of ferrous and non-ferrous alloys / D. Jianxin, A. Xing // Tribology International - 1988 - Vol.30. - P. 807-813.

102. Jianxin, D. Wear resistance of Al2O3/TiB2 ceramic cutting tools in sliding wear tests and in machining processes / D. Jianxin, A. Xing // Journal of Material Processing Technology - 1997. - Vol. 72. - P. 249-255.

103. Kim, Y.-W. Pressureless sintering of alumina-titanium carbide composites / Y.-W. Kim, J.G. Lee // Journal of American Ceramic Society -1989. - Vol. 72. - P. 1333-1337.

104. Krell, A. Alumina tools for machining chilled cast iron, hardened steel / A. Krell, P. Blank, L.M. Berger, V. Richter // Journal of American Ceramic Society - 1999. - V. 78. - P. 65-73.

105. Kumar Sentihil, A. Wear behaviour of Alumina based ceramic cutting tools on machining steels / A. Kumar Sentihil, A. Durai Raja, T. Sornakumar. // Tribology international. - 2006. - Vol. 39. - P. 191-197.

106. Menéndez María Isabel Canal, Valdes Adolfo Fernández, San Millán Ramón Torrecillas. Coloured zirconia material, procedure for obtainment and applications thereof, W02010052359A1

107. Mishra Rajiv, S. Electric pulse assisted rapid consolidation of ultrafine alumina matrix composites / S. Mishra Rajiv, K. Mukherjee Amiya. // Materials Science and Engineering. - 2000. - Vol. 287. - P. 178-182.

108. Narutaki, N. High-speed Machining of Inconel718 with Ceramic Tools / N. Narutaki, Y. Yamane // CIRP Annals. - 1993. - Vol. 42. - P. 103-106.

109. Niihara, K. New Design Concept of Structural Ceramics - Ceramics Nanocomposites / K. Niihara // The Journal of the Japan Ceramic Society. -1991. -Vol. 10. - P. 974 - 982.

110. Nygren, M. On the preparation of bio-, nano- and structural ceramics and composites by spark plasma sintering / M. Nygren, S. Zhijian. // Solid State Sciences. - 2003. - Vol. 5. - P. 125-131.

111. Pozhidaev, S.S. Spark plasma sintering of electro conductive nanocomposite Al2O3-SiCw-TiC / S.S. Pozhidaev, A.E. Seleznev, N.W. Solis Pinargote, P.Yu. Peretyagin // Mechanics & Industry. - 2015. - Vol. 16. - N°7. - P. 1-6.

112. Richards, N. Use of ceramic tools for machining nickel based alloys / N. Richards, D.Aspinwall // International journal of Machine Tools and Manufacture. - 1989. - V. 29. - P. 575-588.

113. Rodriguez-Suarez, T Electroconductive Alumina-TiC-Ni nanocomposites obtained by Spark Plasma Sintering / T. Rodriguez-Suarez, J.F. Bartalome, A. Smirnov, S. Lopez-Estebana, L.A. Diaz, R. Torrecillas, J.S. Moya. // Ceramics International. - 2011. - Vol. 37. - P. 1631-1636.

114. San Millán Ramón Torrecillas, Clemares María Isabel Álvarez, Corral José Serafín Moya. Method for obtaining transparent ceramic materials of ceria-doped polycrystalline alpha alumina, and product obtained by means of said method, W02011036327A1

115. San Millán Ramón Torrecillas, Moreno Olga García, Tomás Maria Amparo Borrell, Valdes Adolfo Fernández. Composite material of electroconductor having controlled coefficient of thermal expansion, EP2514732A1

116. San Millán Ramón Torrecillas, Moreno Olga García, Valdes Adolfo Fernández Composite material having controlled coefficient of thermal expansion with oxidic ceramics and procedure for the obtainment thereof, EP2518037A1

117. Smirnov, B. Mechanical properties and microstructure of an Al203 -SiC-TiC composite / B.I. Smirnov, V. I. Nikolaev, T.S. Orlova, V.V. Shpeizman, A.R. Arellano-Lopez, K.C. Goretta, D. Singh, J.L. Routbort. // Materials Science and Engineering. - 1998. - Vol. 242. - P. 292-295.

118. Sornakumar, T. Advanced ceramic-ceramic composite tool materials for metal cutting application / T. Sornakumar // Key Eng. Mater. - 1996. - V. 114. - P. 173-188.

119. Sternitzke, M. Alumina/silicon carbide nanocomposites by hybrid polymer/powder processing - microstructures and mechanical properties / M. Sternitzke, B. Derby, R.J. Brook // J. Am. Ceram. Soc. - 1998 - V.81. - P. 41-48.

120. Suarez, M. Challenges and Opportunities for Spark Plasma Sintering: A Key Technology for a New Generation of Materials / M. Suarez, A. Fernandez, J.L. Menendez, R. Torrecillas, H.U. Kessel, J. Hennicke, R. Kirchner, T. Kessel. // Ceramics International. - 2009. - Vol. 3. - P. 319-336.

121. Torrecillas, R. Effect of TiC addition on the mechanical behavior of Al203-SiCw whiskers composites obtained by SPS / R. Torrecillas, C.F. Gutierrez-Gonzalez, M. Suarez, S. Pozhidaev, S. Rivera, P. Peretyagin, W. Solis, L.A. Diaz, A. Fernandez //Journal of the European Ceramic Society. -2016. - №8. - P. 2149 - 2152

122. Torrecillas, R. Specifics of wear of ceramic cutting tool inserts featuring Al2O3-TiC dies when face milling hardened cast iron / R. Torrecillas, A. Seleznev, V. Gurin, P. Peretyagin //Material Science Forum. -2016. - Vol. 8768. - P. 43-49.

123. Vanmeensel, K Field assisted sintering of electro-conductive Zr02-based composites / K. Vanmeensel, A. Laptev, O. van der Biest, J. Vleugels. // Journal of European Ceramic Society. - 2007. - Vol. 27. - P. 979-985.

124. Vereshaka, A. Improving the Efficiency of the cutting tools made of mixed ceramics by applying modifying nanoscale multilayered coatings / A. Vereshaka, S. Grigoriev, E. Sotova, A. Vereshaka // Advanced Materials Research - 2013. - Vol. 712. - P. 391-394

125. Xingzhong, Z. Wear behavior of Si3N4 ceramic cutting tool material against stainless steel in dry and water-lubricated conditions / Zhao

Xingzhong, Liu Jiajun, Zhu Baoliang, Miao Hezhou, Luo Zhenbi // Ceramics international - 1999. - Vol. 25. - P. 309-315.

126. Zhang, Y. Microstructure and properties of Al2O3-TiC nanocomposites fabricated by spark plasma sintering from high-energy ball milled reactants / Y. Zhang, L. Wang, W. Jiang, L. Chen, G. Bai. // Journal of the European Ceramic Society. - 2006. - Vol.26. - P. 3393-3397.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Тексты программных модулей в МЛТЬЛБ для расчета параметров

процесса резания

%*************************************************************

%РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ (по методике С.С. Силина)* %РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЙ В РЕЖУЩЕМ КЛИНЕ (по методу С.П. Тимошенко)*

%квадратичное распределение нагрузок на площадках контакта * %*************************************************************

clear

%Исходные данные:

V = 5.Q; %скорость резания, м/с

S = Q.QQQ3; %продольная подача, м/об

t = Q.QQ15; %глубина резания, м

r = Q.QQ1; %радиус закругления резца в плане, м

rl = Q.QQQQ1; %радиус закругления режущей кромки, м

gama = pi*Q.Q/l8Q; %передний угол резца, рад.

alfa = pi*5.Q/l8Q; %задний угол резца, рад.

beta = pi/2-gama-alfa; %угол режущего клина, рад.

fi = pi*45.Q/l8Q; %главный угол резца в плане, рад.

fil = pi*45.Q/l8Q; %вспомогательный угол резца в плане, рад.

Cro = 3.9eQ6; %удельная объемная теплоемкость обраб.

материала ШХ-15,Дж/(мл3*град)

Lamdal = 24.Q; %коэфф. теплопроводности резца Т15К6,

Дж/(м*с*град)

Lamda = 38.Q; %коэфф. теплопроводности обраб. материала ШХ-

15, Дж/(м*с*град)

tau = 8QQ.QeQ6; %напряжение сдвига обраб. материала (ШХ15),

Н/мЛ2

%

%РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ:

%

%геометрия срезаемого слоя (несвободное резание): a = S*sin(fi) %толщина срезаемого слоя,м

b = t/sin(fi) %ширина среза,м (фор-лы верны для свободного

резания)

as = r/t; bs = S/(2*r); cs = l-as*(l-sqrt(l-bsA2));

if t >= r*(l-cos(fi)) %резание радиусной и прямолинейной

кромками резца

fis = atan(cs/((l-as*(l-cos(fi)))*cot(fi)+as*(sin(fi)+bs))); elseif t < r*(l-cos(fi)) %резание только радиусной кромкой резца

fis = atan(cs/(sqrt(2*as-l)+as*bs));

else

disp(' fis не найден'

end

%уточненные толщина и ширина срезаемого слоя, м: al = S*sin(fis)/cs; bl = cs*t/sin(fis); %суммарная длина режущих кромок:

bs = t/sin(fi)*(1-as*(1-cos(fi)-fi/sin(fi)-acos(sqrt(1-

bsA2))/sin(fi)));

cosg = cos(gama); sing = sin(gama); cosa = cos(alfa); sina = sin(alfa);

Pe = V*a1*Cro/Lamda; %критерий Пекле

F = Lamda1/Lamda*(pi-fi-fi1)*(pi/2-gama-alfa); %критерий F D = a1/b1; %критерий D

E = r1/a1; %критерий E

о

%расчет тангенса угла наклона условной плоскости сдвига (параметр B):

0

1 = 0;

for B = 0.1:0.001:0.7 i = i + 1;

CC(i) = fun1(B,Pe,F,D,sing,cosg); BB(i) = B;

end

[CCmin,j] = min(CC);

B = BB(j) %выбор значения параметра "B" по j, соответствующего CCmin

о

Ka = cosg/B + sing; %поперечная усадка стружки L = 1.45*a1*((cosg+sing)/B-cosg+sing); %длина контакта стружки с резцом, м

delta = 1.25*r1*sqrt(B/sina); %длина контакта резца по задней поверхности,м

S_back = bs*delta*1.0e06; %ммЛ2 S_front = bs*L*1.0e06; %ммл2

%Макс. T пластической деформации в плос-ти сдвига на кромке резца, град.С:

TA = tau/(Cro*B)*erf(sqrt(Pe*B/4));

%Максимальная T от трения на передней поверхности, град.С: b0 = 0.25*F*DA0.3*sqrt(cosg+B*sing)/sqrt(Pe)/BA0.3/(cosg+sing-B*(cosg-sing)A0.2); n = 1/(1+b0);

T_front = 0.9675*n*tau*sqrt(Pe)/Cro*sqrt((cosg+sing-B*(cosg-sing))/(cosg+B*sing));

%Максимальная T от трения на задней поверхности, град-C: b11 = 0.24*F*DA0.3*sinaA0.1/sqrt(Pe)/EA0.2/BA0.1; n1 = 1/(1+b11);

T_back = 0.6*n1*sqrt(Pe*E)*tau*BA0.25*cosa/Cro/sinaA0.25; %Температура резания, град-C:

T_cutting = (T_front*L + T_back*delta)/(L+delta)

%средний коэффициент трения на передней и задней поверхности:

mu = (cosg+sing-B*(cosg-sing))/(cosg-sing+B*(cosg+sing));

«средние удельные контактные нагрузки на передней поверхности резца,МПа:

tau_front = 0.6875*tau/1.0e06 «касательные давления

F_front = tau*a1*b1*((cosg+sing)/B-cosg+sing); %сила трения,Н sigma_front = 0.6875*tau/mu/1.0e06 «нормальные давления P_front = tau*a1*b1*((cosg-sing)/B+cosg+sing); %нормальная сила, Н

«средние контактные нагрузки (напряжения) на задней поверхности резца,МПа:

tau_back = 0.5*tau/1.0e06 «касательные давления

F_back = 0.5*tau*b1*delta; «сила трения,Н

sigma_back = 0.5*tau/mu/1.0e06 «нормальные давления P_back = F_back/mu; «нормальная сила,Н

«средние тепловые нагрузки на передней поверхности резца,Вт/ммл2:

q_front = 0.6875*(1-n)*tau*V*B/(cosg+B*sing)/1.0e06; %удельные Q_front = (1-n)*tau*a1*b1*V*(cosg+sing-B(cosg-sing))/(cosg+B*sing); %кол-во тепла,Вт

«средние тепловые нагрузки на задней поверхности резца,Вт/ммЛ2: q_back = 0.5*(1-n1)*tau*V*cosa/1.0e06; %удельные Q_back = 0.625*(1-n1)*tau*bs*r1*V*sqrt(B/sina)*cosa; %кол-во тепла, Вт

«расчет "B" с учетом температуры резания Tc: if Pe <= 10

B = 0.525*PeA1.1*EA0.11/(FA0.31*DA0.1*(1-sing)A1.35*sinaA0.06)*(tau/Cro/Tc)A2.06 elseif (Pe > 10) & (Pe < 50)

B = 0.8*PeA0.65*EA0.09/(FA0.25*DA0.07*(1-sing)A1.07 5*sinaA0.05)*(tau/Cro/Tc)A1.65 elseif Pe >= 50

B = 0.925*PeA0.6*EA0.09/(FA0.24*DA0.07*(1-sing)A1.04*sinaA0.05)*(tau/Cro/Tc)A1.6 else

disp(' B не найдено ...')

end

plot(BB,CC); grid on;

%

«РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЙ В РЕЖУЩЕМ КЛИНЕ:

%

«Формирование матрицы системы из 12 линейных алгебр, уравнений:

A(1:12,1:12) = 0.0;

A(1,1)= 1; A(1,4)= 1;

A(2,2)= 1; A(2,5)= 1;

A(3,3)= 1; A(3,6)= 1;

A(4,1)= cos(2*beta); A(4,4)= 1; A(4,9)= sin(2*beta); A(4,10) = beta;

A(5,2)=6*cos(3*beta); A(5,5)=6*cos(beta); A(5,8)=6*sin(3*beta); A(5,11)=6*sin(beta);

A(6,3)=cos(4*beta); A(6,6)=12*cos(2*beta); A(6,9)=sin(4*beta);

A(6,12)=12*sin(2*beta);

A(7,7) = 2; A(7,10) = 1;

A(8,8) = 6; A(8,11) = 2;

A(9,9) = 12; A(9,12) = 6;

A(10,1) = -2*sin(2*beta); A(10,7) = 2*cos(2*beta); A(10,10) = 1; A(11,2)=3*sin(3*beta); A(11,5)=sin(beta); A(11,8)=-3*cos(3*beta); A(11,11)=-cos(beta);

A(12,3)=2*sin(4*beta); A(12,6)=sin(2*beta); A(12,9)=-

2*cos(4*beta); A(12,12)=-cos(2*beta);

%вектор столбец правой части системы:

bb(1,1) = -1.5*sigma_front;

bb(2,1) = sigma_front/L;

bb(3,1) = -sigma_front/(4*L);

bb(4,1) = -1.5*sigma_back;

bb(5,1) = 6*sigma_back/delta;

bb(6,1) = -3*sigma_back/(delta*delta);

bb(7,1) = tau_front; bb(8,1) = 0.0; bb(9,1) = 0.0;

bb(10,1) = 3*tau_back;

bb(11,1) = 3*tau_back/delta;

bb(12,1) = -tau_back/2/(delta*delta);

x = A\bb; %решение системы уравнений

%коэффициенты в формулах Тимошенко для напряжений:

a2 = x(1,1); a3 = x(2,1); a4 = x(3,1);

b0 = x(4,1); b1 = x(5,1); b2 = x(6,1);

c2 = x(7,1); c3 = x(8,1); c4 = x(9,1);

d0 = x(10,1); d1 = x(11,1); d2 = x(12,1);

%напряжения на передней поверхности резца (teta = 0 град.), МПа: r = 0.0; %на режущей кромке!!!

Sigm_f_tet = 2*(b0+a2)+6*r*(b1+a3)+12*r*r*(b2+a4) Sigm_f_r = 2*(b0-a2)+2*r*(b1-3*a3)-12*r*r*a4 Tay_f_r_tet = -d0-2*c2-2*r*(d1+3*c3)-6*r*r*(d2+2*c4) %главные напряжения на передней поверхности, МПа: Sigma1_f = (Sigm_f_r+Sigm_f_tet)/2 + sqrt(((Sigm_f_r-Sigm_f_tet)A2)/4+Tay_f_r_tetA2);

Sigma2_f = (Sigm_f_r+Sigm_f_tet)/2 - sqrt(((Sigm_f_r-Sigm_f_tet)A2)/4+Tay_f_r_tetA2);

%интенсивность напряжений на передней поверхности, МПа: Sigma_f = sqrt(Sigma1_fA2 + Sigma2_fA2 - Sigma1_f*Sigma2_f); %напряжения на задней поверхности резца (tet = beta град.), МПа: Sigm_b_tet = 2*(b0+d0*beta+a2*cos(2*beta)+c2*sin(2*beta))+...

6*r*(b1*cos(beta)+d1*sin(beta)+a3*cos(3*beta)+c3*sin(3*beta))+..

12*r*r*(b2*cos(2*beta)+d2*sin(2*beta)+a4*cos(4*beta)+c4*sin(4*be ta))

Sigm_b_r = 2*(b0+d0*beta-a2*cos(2*beta)-c2*sin(2*beta))+...

2*r*(b1*cos(beta)+d1*sin(beta)-3*a3*cos(3*beta)-3*c3*sin(3*beta))-...

12*r*r*(a4*cos(4*beta)+c4*sin(4*beta)) Tay_b_r_tet = -d0+2*a2*sin(2*beta)-2*c2*cos(2*beta)+...

2*r*(b1*sin(beta)-d1*cos(beta)+3*a3*sin(3*beta)-3*c3*cos(3*beta))+...

6*r*r*(b2*sin(2*beta)-d2*cos(2*beta)+2*a4*sin(4*beta)-2*c4*cos(4*beta))

«главные напряжения на задней поверхности, МПа: Sigma1_b = (Sigm_b_r+Sigm_b_tet)/2 + sqrt(((Sigm_b_r-Sigm_b_tet)A2)/4+Tay_b_r_tetA2);

Sigma2_b = (Sigm_b_r+Sigm_b_tet)/2 - sqrt(((Sigm_b_r-Sigm_b_tet)A2)/4+Tay_b_r_tetA2);

«интенсивность напряжений на задней поверхности, МПа: Sigma_b = sqrt(Sigma1_bA2 + Sigma2_bA2 - Sigma1_b*Sigma2_b); «функция для определения параметра "B" из решения нелинейного уравнения f(B)=0:

function f = fun1(B,Pe,F,D,sing,cosg)

A1 = ((Pe*B-2)*erf(0.5*sqrt(Pe*B))+1.125*sqrt(Pe*B)*exp(-0.25*Pe*B))/...

sqrt(Pe*B)/(sqrt(Pe)+0.325*F*DA0.3*(1-sing)A0.25); A2 = 0.665*erf(0.5*sqrt(Pe*B))/sqrt(Pe*B);

A3 = 0.145*FA0.8*(D*erf(0.5*sqrt(Pe*B)))A0.25/sqrt(Pe)/BA0.2/(1-sing)A0.95;

A4 = Pe*B*(1-sing)A0.4*(cosg+sing-B*(cosg-sing))/(cosg+B*sing)/(Pe*(1-sing)A0.4+0.225*F*DA0.3); f = B - A1 - A2 - A3 - A4 + 1; end