Исследование перехода от взаимодействия с пластическим контактом к пластическому и вязкому контакту при обработке аустенитной стали

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

А. А. Липатов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДА ОТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ПЛАСТИЧЕСКИМ КОНТАКТОМ К ПЛАСТИЧЕСКОМУ И ВЯЗКОМУ КОНТАКТУ ПРИ ОБРАБОТКЕ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ
Волгоградский государственный технический университет
E-mail: leeandrej@yandex. ru
Рассмотрены особенности перехода от взаимодействия с пластическим контактом к пластическому и вязкому контакту с ростом скорости резания при точении аустенитной стали по сравнению с перлитными сталями. Показано, что этот переход происходит плавно, в широком диапазоне скоростей. Выявленные отличия объяснены другим характером зависимости теплопроводности аустенитной стали от температуры, что вызывает вторичное упрочнение контактных слоев.
Ключевые слова: точение, аустенитная сталь, передняя поверхность, контактное взаимодействие, пластический контакт, пластический и вязкий контакт, износ, лунка, реактивная диффузия.
Considered are the peculiarities of transition from the contact interaction with the plastic contact to plastic and viscous-fluid contact with increasing cutting speed when turning austenitic steel, compared with pearlitic steels. It is shown that this transition occurs smoothly, in a wide range of speeds. The identified differences are explained by the different character of the temperature dependence of the austenitic steel’s thermal conductivity, which causes a secondary hardening of contact layers.
Keywords: turning, austenitic steel, front surface, contact interaction, plastic contact, plastic and viscous-fluid contact, wear, crater, reactive diffusion.
Установлено [1−3], что контактное взаимодействие при резании аустенитных сталей существенно отличается от присущего обработке углеродистых и низколегированных сталей перлитного класса [4], что обусловлено различным характером зависимости теплопроводности этих групп обрабатываемых материалов от температуры. При этом в работах [1−3] развитие контактного взаимодействия с ростом скорости резания V подробно рассмотрено лишь в части перехода от нароста к пластическому течению.
Для перлитных сталей теплопроводность X резко понижается с ростом температуры 0 [5−7]. Поэтому повышение контактной температуры приводит к уменьшению теплопроводности контактных объемов стали и стока теплоты в стружку, что ведет к еще большему росту 0 (положительная обратная связь по температуре). В результате переход от нароста к пластическому течению происходит скачкообразно, практически при фиксированной скорости, названной «переходной» — vп [4]. При V & gt- vп застойные явления полностью отсутствуют: в ходе перемещения по длине контакта металл последова-
тельно проходит стадии деформационного упрочнения и температурного разупрочнения. В конце участка разупрочнения (начале лунки) пластическая деформация локализуется и сменяется вязким течением металла в тончайшем слое. Таким образом, переход от застойных явлений к пластическому течению сопровождается одновременным появлением вязкого течения. Этот, последний на шкале скоростей, вид взаимодействия был назван «пластическим и вязким контактом» (ПВК) [4].
Для аустенитных сталей с ростом 0 теплопроводность, наоборот, увеличивается. Поэтому в контактной зоне имеет место отрицательная обратная связь по температуре — с интенсификацией отвода тепла в стружку в ходе перемещении металла по длине контакта. В результате на некотором расстоянии от режущей кромки деформационное упрочнение вновь может возобладать над температурным разупрочнением, что было названо вторичным упрочнением контактных слоев [1]. Поэтому переход от нароста к пластическому течению осуществляется в широком интервале скоростей V с наличием за-
стойной зоны со смещенным (к концу контакта) наростом (постепенно уменьшающимся с ростом V) [1−3]. После перехода к пластическому течению увеличение V из-за отрицательной обратной связи по температуре не сопровождается одновременным зарождением вязкого течения — имеет место взаимодействие с пластическим контактом без вязкого (ПК), что подтверждается полным отсутствием лун-кообразования.
Однако последний факт можно объяснить и по-другому — явлением реактивной диффузии, свойственным обработке высоколегированных сталей и препятствующим растворению твердого сплава (ТС) в обрабатываемой стали [8].
В настоящей статье предпринята попытка разобраться в этом вопросе путем подробного рассмотрения и анализа экспериментальных данных, касающихся перехода от ПК к ПВК с ростом V.
В основном объеме экспериментов при точении стали 12Х18Н10Т использовались резцы из ВК6 — вольфрамокобальтового ТС с меньшей сопротивляемостью лункообразованию. Реже применялся титанотанталовый ТС ТТ20К9, перспективный для обработки аустенитных сталей [9]. Режимы резания — V = 30−180 м/мин при подаче 0,3 мм/об и глубине 1,5 мм. Основная геометрия резцов: у = 0 °, а = 10°, ф = 45°. Микротвердость на микрошлифах корней стружек определяли прибором ПМТ-3. Профилограммы передних поверхностей записывались на профилографе К-201.
Для определения микротвердости контактных слоев стали, максимально приближенных к передней поверхности, уколы наносились на
//ц,
МПа
3000
0,15 0,30 0,45 0,60 0,75 X, мм
Изменение микротвердости Щ контактного слоя стали по длине контакта X (12Х18Н10Т — ВК6- 4 мкм от передней поверхности- нагрузка на индентор 0,2 Н):
1 — V = 60 м/мин- 2 — V = 75 м/мин- 3 — V = 120 м/мин
косых срезах корней стружек (в виде тупого клина — обрабатываемый материал). Истинное расстояние от ряда уколов до ТС, рассчитанное через угол косого среза (15 °), составило 4 мкм. Графики изменения микротвердости контактного слоя стали (Щ) по длине контакта (X) для нескольких V выше скорости перехода к пластическому течению представлены на рисунке.
Для V = 60 м/мин (кривая 1) величина Щ снижается в результате температурного разупрочнения практически на всей длине контакта. График переходит в горизонталь не в предполагавшемся начале участка лунки, как для перлитных сталей [4], а перед самым отрывом стружки от передней поверхности. Наличие взаимодействия с ПК без вязкого контакта очевидно. При увеличении V до 75 м/мин (кривая 2) говорить с достаточной степенью достоверности о снижении микротвердости по всей длине контакта (особенно на последней трети) уже сложно. Но нельзя уверенно говорить и об обратном — о стабилизации величины Иц. Выход кривой ИДХ) на горизонтальный участок в пределах контакта достоверно фиксируется лишь для гораздо большей скорости V = 120 м/мин (кривая 3).
Постепенный переход к вязкому течению с ростом скорости V подтверждают фотографии и профилограммы передних поверхностей. После почти двухчасового резания с V = 60 м/мин поверхность контакта сложно назвать лункой -она шероховатая, а износ не превысил 2−3 мкм. Сохранение при V = 75 м/мин взаимодействия с ПК подтверждается исчезновением следов заточки лишь на небольшой части площади контакта только после 10 мин резания. Гораздо раньше (через 2,6 мин) это происходит при несколько большей скорости V = 80 м/мин. Однако шероховатая поверхность износа и здесь свидетельствует об отсутствии перехода к ПВК. После 2,4 мин резания с V = 90 м/мин намечается появление более гладких участков, характерных для изнашивания по механизму прямого диффузионного растворения. Для 100 м/мин (1,7 мин резания) площади гладких и шероховатых участков на лунке (уже имеющей четко очерченные границы) примерно равны. Визуально вся поверхность лунки становится гладкой при V = 110 м/мин. А при росте V до 120 м/мин шероховатость поверхности лунки дополнительно уменьшается, что фиксируют профилограммы. Описанный переход сопровождается возрастанием интенсивности износа более чем
на порядок. Скорость увеличения глубины лунки (в мкм на 1 км длины пути резания) составила: для V = 75 м/мин — 2,2 мкм/км, для V = = 90 м/мин — 5,2 мкм/км, для V = 100 м/мин -28 мкм/км, для V = 120 м/мин — 83 мкм/км.
Таким образом, переход от взаимодействия с ПК к ПВК осуществляется постепенно, в широком диапазоне скоростей (90−120 м/мин).
Для гораздо менее теплопроводного ТС ТТ20К9 из-за большей контактной температуры переход к ПВК должен происходить при меньших V (как и предшествующий переход от застойных явлений к ПК, что зафиксировано в [2]). Соответственно, износ передней поверхности на резцах из ТТ20К9 обнаружен при меньших V, чем для ВК6. Следы заточки для ТТ20К9 исчезали после 30 мин резания уже при V = 30 м/мин (тогда как у резцов из ВК6 этого не наблюдалось после нескольких часов точения с V = 45 м/мин). А при V = 60 м/мин следы заточки на резцах из ТТ20К9 начинали исчезать гораздо раньше, чем у ВК6 (3 мин против 30 мин).
В то же время резкого увеличения интенсивности лункообразования на резцах из ТТ20К9, подобного обнаруженному для ВК6 (и ожидаемого для меньших, чем для ВК6, скоростей), не зафиксировано вплоть до V = 180 м/мин. Причина в том, что реактивная диффузия для ТТ20К9 в полной мере проявляется при больших скоростях и температурах резания [8] из-за наличия в ТС титаносодержащих карбидов с гораздо более высокой температурой диссоциации, чем у WC. Поэтому даже при вязком контакте износ передней поверхности осуществляется не по механизму прямого диффузионного растворения, как у ВК6, а преимущественно путем разрушения поверхностного дефектного слоя, формирующегося из-за диффузии в ТС химических элементов стали [10]. Поверхность «лунки» для ТТ20К9 для самых высоких V шероховатая, с многочисленными следами вырывания не только отдельных карбидов, но и крупных блоков карбидов.
Таким образом, из-за увеличения теплопроводности аустенитной стали с ростом температуры и препятствующей температурному разупрочнению отрицательной обратной связи по температуре контактной зоны переход от ПК к ПВК (как и предшествующий переход от за-
стойных явлений к ПК), осуществляется плавно, в широком диапазоне скоростей резания (в отличие от обработки перлитных сталей). При этом для ТС с меньшей теплопроводностью скоростной диапазон перехода смещается (как и в случае обработки перлитных сталей) в сторону меньших скоростей резания.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Липатов, А. А. Влияние характера зависимости теплопроводности обрабатываемого материала от температуры на закономерности контактного взаимодействия и тип стружкообразования / А. А. Липатов // СТИН. -2006. — № 8. — С. 37−40.
2. Липатов, А. А. Особенности контактного взаимодействия при обработке высоколегированных сталей / А. А. Липатов // Обработка металлов. — 2012. — № 4. -С. 10−14.
3. Липатов, А. А. Особенности перехода от наросто-образования к взаимодействию с пластическим контактом при обработке аустенитной стали / А. А. Липатов // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 7(110) / ВолгГТУ. -Волгоград, 2013. — (Серия «Прогрессивные технологии в машиностроении» — вып. 9). — С. 31−34.
4. Талантов, Н. В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента / Н. В. Талантов. — М.: Машиностроение, 1992. — 240 с.
5. Резников, А. Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов / А. Н. Резников. — М.: Машиностроение, 1981. — 279 с.
6. Липатов, А. А. Применение экстраполяционных и итерационных методов в инженерных теплофизических расчетах / А. А. Липатов, Ю. Л. Чигиринский // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 11(84) / ВолгГТУ. -Волгоград, 2011. — (Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах» — вып. 12). — С. 26−29.
7. Липатов, А. А. Расчет температуры на режущих поверхностях инструмента с учетом зависимости теплопроводности обрабатываемого материала от температуры / А. А. Липатов, Ю. Л. Чигиринский // СТИН. — 2012. -№ 7. — С. 28−30.
8. Lipatov, А. А. Reactive diffusion in cutting high-alloy steel by means of a hard-alloy tool / А. А. Липатов // Russian Engineering Research. — 2013. — Vol. 33, № 3. — P. 144−149. -Англ.
9. Липатов, А. А. Работоспособность титанотанталовых твердых сплавов при резании труднообрабатываемых материалов / А. А. Липатов // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 4 (19) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2006. — (Серия «Прогрессивные технологии в машиностроении» — вып. 2). — С. 33−35.
10. Липатов, А. А. Особенности диффузионного изнашивания вольфрамокобальтового твердого сплава при точении высоколегированной аустенитной стали / А. А. Липатов // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 20(123) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2013. — (Серия «Прогрессивные технологии в машиностроении» — вып. 10). -С. 39−42.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой