2. Физические особенности процесса резания вольфрама и его сплавов

2.1 Некоторые особенности обработки резанием хрупких материалов

Если пластичные материалы сохраняют остаточную деформацию и после прекращения действия внешних сил, то для хрупких характерно разрушение бел заметной пластической деформации.

Сравнение диаграмм растяжения и сжатия различных материалов наглядно показывает различие их механических свойств. Так, если для сталей основной диаграммой растяжения является диаграмма с упрочнением (рис. 8), то диаграмма сжатия хрупких материалов отличается совпадением предела пластичности и прочности. Для таких материалов (например, чугун, каменный уголь) стразу после упругой деформации наступает хрупкое разрушение, без пластического деформирования.

Процесс резания любых материалов определяется комплексом параметров: видом обрабатываемого материала, режимами резания, геометрией заточки инструмента, технологической средой, в которой происходит разрушение. Кроме того, он зависит от степени разрушения материала срезаемого слоя в. процессе деформации при стружкообразовании и характера этих: разрушений. Необходимым условием стружкообразования является доведение обрабатываемого материала по линии среза до разрушения. Процесс разрушения охватывает при определенных условиях резания все сечение срезаемого слоя, в результате чего в процессе деформации образуется элементарная стружка.

Известно, что разрушение материалов при резании происходит либо путем развития пластической деформации до некоторого критического состояния, делающего возможным разрушение материала срезаемого слоя, либо путем образования и роста трещин, т. е. хрупкого разрушения. Поэтому отделение срезаемого слоя и образование стружки может происходить посредством двух типов разрушения: путем среза, происходящего вследствие касательных напряжений, и путем отрыва, являющегося результатом нормальных напряжений. Возникновение одного ИЗ этих видов разрушения обусловлено механическими характеристиками материала, определяющими его хрупкие и пластические свойства, и схемой напряженного состояния.

Рис. 2 Диаграмма растяжения идеально пластического тела (а) и сжатия хрупкого тела (б)

Установить границу между хрупкими и пластичными материалами с точки зрения характеристики их механической обрабатываемости практически невозможно. Это связано, во-первых, с высокими скоростями деформации при резании и, во-вторых, с характером напряженного состояния. Известно, что один и тот же материал при резании может проявлять себя как хрупкий и как пластичный, о чем можно судить по виду получающейся стружки. Например, при определенных условиях получается стружка непрерывной формы у чугуна, а при резании сталей - дробленая.

Вольфрам по сравнению с другими металлами, как хрупкими (чугун), так и вязкими (сталями), имеет наименьший коэффициент сжимаемости (см. табл. 3). Можно предположить, что это одна из причин столь плохой обрабатываемости резанием. Повышенные радиальные составляющие сил резания при обработке заготовок из вольфрама также можно объяснить с этих позиций.

Напряженное состояние в срезаемом слое является следствием простого сдвига с наложенным на пего гидростатическим давлением. Гидростатическое давление (по аналогии с жидкостями) испытывает тело, находящееся под действием трех равных по величине и знаку главных напряжений сжатия. Это давление может сильно изменить пластические свойства исходного материала. Так, испытание на простое сжатие под гидростатическим давлением металлокерамического сплава карболой показало, что этот хрупкий материал приобретает пластичность.

Схема стружкообразования хрупких материалов может быть представлена в виде рис. 3. Под действием участка передней поверхности резца, расположенной непосредственно у режущей кромки, образуется система трещин, распределяющихся в направлении движения резания. На этом этапе стружкообразования происходит непрерывное повышение силы резания, обеспечивающее развитие ведущей равномерно-подвижной трещины t. Оно продолжается до тех пор, пока решающее значение в формировании элемента стружки не начнут приобретать напряжения изгиба, которые вызывают быстрое уменьшение силы резания вследствие отделения элемента стружки по поверхности 2. На этом заканчивается первый основной этап стружкообразования.

Па втором этапе происходит зачистка обработанной поверхности 3 резания. Этот этап характеризуется отделением мелких элементов по той же схеме. Таким образом, процесс стружкообразования хрупких материалов определяется явле ниями хрупкого отрыва, обусловленными периодическим процессом развития опережающей трещины; в этом случае работа стружкообразования пропорциональна поверхности разрушения. О величине этой поверхности можно судить по степени измельчения стружки [34]. При развитии опережающей трещины параллельно поверхности резания или ниже ее этап зачистки обработанной поверхности отсутствует и сила резания становится равной или близкой к нулю. Этот случай наиболее типичен для процесса резания материалов типа каменного угля.

Рис.3 Схема стружкообразования хрупких материалов

Рис. 4 Изменение силы резания при обработке каменного угля

Сравнение процесса резания металлов с резанием грунтов и крепких горных пород показывает наличие общих явлений. Например, образование нароста имеет место не только при резании металлов, но и при обработке каменного угля, грунтов. Вид образующихся стружек также может быть одинаковым у различных материалов. Изучение физической сущности процесса резания угля и чугуна с помощью скоростной киносъемки показало, что процесс резания угля - процесс повторяющийся, сила резания изменяется от максимальной величины до нуля (рис. 4), стружка получается дробленая. Наблюдается смятие угля передней поверхностью режущего зубка, т. с. его уплотнение. При точении серого чугуна со скоростью резания 0,003-550 м/мин образуется элементная стружка. Сила резания в процессе образования отдельного элемента возрастает, а затем в момент скола элемента уменьшается до 30-80% максимальной величины [29].

При резании пластичных металлов удельная работа пластической деформации такая же, как и при сжатии, но это нельзя использовать при выводе уравнений для хрупких металлов, так как разрушение их не сопровождается значительными деформациями. Резание чугуна, например, сопровождается отделением стружки путем сдвига, как и при резании пластичных металлов, но в отличие от вязких металлов стружка и обработанная поверхность в основном не претерпевают пластических деформаций.

Принято считать, что при резании хрупких материалов образуется стружка скалывания. Образование элемента включает стадию вдавливания инструмента в обрабатываемый материал и скалывание предварительно деформированного на первой стадии материала. При стружкообразовании по этой схеме сопротивление смятию возрастает до того предела, при котором начинается скалывание, и элемент перемещается по передней поверхности резца. После начала движения элемента резец тотчас начинает смятие следующего элемента стружки.

При резании вязких материалов образование сливной стружки на первых двух стадиях протекает аналогично изложенному выше. Однако окончание сдвига элемента не означает, что процесс сто деформирования закончен. Он продолжает подвергаться деформации смятия столько раз, сколько образуется новых элементов, пока данный элемент находится в соприкосновении с передней поверхностью инструмента. Граничные слои материала будут претерпевать интенсивную пластическую деформацию.

Процесс стружкообразования вольфрама в настоящее время трудно отнести к одной из известных схем стружкообразования, несмотря па то что по механическим характеристикам он является хрупким материалом. Возможно, здесь имеет место промежуточный вариант схемы стружкообразования, которому присущи элементы как хрупкого разрушения, так и разрушения, свойственного пластичным материалам. Можно предположить, что отмеченный выше этап так называемой зачистки у вольфрама идет с большими пластическими деформациями. Это приводит к наклепу обработанной поверхности, что подтверждается результатами экспериментов [16].

Рентгеноструктурный анализ поверхности вольфрама после торцового фрезерования фрезой, оснащенной сплавом ВК8, показал наличие наклепанного слоя глубиной 15—18 мкм. Наклеп на поверхности образцов анализировали, используя взаимосвязь степени наклепа с эффектом уширения рентгеновских дифракционных линий [54]. Уширение линий связано с микродеформациями (напряжениями второго рода) и фрагментацией кристаллов при пластическом деформировании металла. Глубина наклепа определялась по уширению дифракционной линии (400), записанной на рентгеновском дифрактомере ДРОН-2,0 в К_а - излучении меди, при последовательном химическом стравливании поверхностных слоев металла.

При попытке измерить величину остаточных напряжений первого рода рентгеновским способом путем многократных наклонных съемок обнаружено, что в поверхностных слоях образной после фрезерования действуют остаточные напряжения сжатия, главные оси которых не лежат в плоскости поверхности. Известно, что эффект наклона главных осей остаточных напряжений часто наблюдается при механической обработке металлов. Количественная оценка величины напряжений первого рода оказалась затруднительной из-за дефектов, обусловленных шероховатостью обработанной поверхности и пластической деформацией поверхностного слоя.

Исследования влияния режимов механической обработки на глубину наклепанного слоя показали, что с увеличением скорости резания растет скорость деформирования* и температура на поверхности детали, что оказывает влияние на образование наклепа поверхностного слоя. Оба фактора должны уменьшать глубину поверхностного наклепа. При фрезеровании образцов вольфрама в диапазоне скоростей 20-65 м/мин -оказалось, что до скорости резания 42 м/мин глубина наклепанного слоя не изменяется и составляет около 15 мкм. Повышение скорости резания до 65 м/мин снижает глубину наклепанного слоя до 10 мкм. Увеличение скорости резания приводит к уменьшению глубины распространения пластической деформации ниже линии среза и снижает глубину наклепа. Увеличение подачи повышает силовую нагрузку и глубину наклепа. В нашем случае повышение подачи с 0,1 до 0,7 мм/зуб привело к возрастанию наклепа с 10 до 18 мкм [16].

При обработке таких материалов, как вольфрам, необходимо также учитывать возможное образование дефектов в результате крепления обрабатываемой заготовки и в результате процесса стружкообразования. Обычно средние контактные нагрузки при креплении заготовок не достигают высоких значений, однако в силу того, что поверхность контакта имеет различные неровности, локальные напряжения могут достигать опасных значений. Это в свою очередь может инициировать развитие дефектов как на поверхности, так и в толще материала заготовок. Следует отметить, что обычные методы контроля целостности детали не всегда обеспечивают надежный контроль качества, тем более что дефект, который образовался на стадии зажима заготовки, обычно может быть выявлен на заключительном этапе изготовления детали.

При обработке резанием возникает сила, стремящаяся -сдвинуть заготовку в установочных элементах. Смещение заготовки предупреждается силами трения, возникающими в местах ее контакта с установочными и зажимными элементами. Величина этой сдвигающей силы

(8)

где i₁ и i₂ - коэффициенты трения заготовки с установочными и зажимными элементами; Q - сила нормального давления, «создаваемого зажимным устройством. Вводя коэффициент запаса k>1, получим

(9)

Из экспериментов по точению вольфрама при параметрах режима υ = 20÷40 м/мин, s = 0,23 мм/об и t = 0,5 мм было установлено, что сила Р = 55÷65 кгс. Принимая Р = 60 кгс, k=2, i₁=i₂= 0,2 получим Q = 600 кгс. Взяв для нашего случая площадь контакта S = 6000 мм2, устанавливаем, что средние напряжения в заготовке, возникающие в результате зажима, будут намного меньше напряжений разрушения.

Экспериментальное определение верхней опасной границы контактных напряжений, вызывающих образование трещин, показало, что при действии на образец силы, изменяющейся от 2000 до 4000 кгс, никаких изменений при наблюдении в микроскоп с увеличением x40 в поверхности не обнаружено.

При локальных нагрузках, имитируемых вдавливанием ин-дентера сферической формы диаметром 8 мм с удельным давлением от 5000 до 55 000 кгс/см2, с помощью микроскопа трещины обнаруживаются, начиная с удельных давлений 36 198 кгс/см². Однако этот вывод нельзя считать однозначным, так как при проведении экспериментов примерно полагали, что образец представляет собой однородную изотропную среду. Данное допущение может быть применено к большинству конструкционных материалов, однако к вольфраму и его сплавам в силу специфики структуры применять это положение следует весьма осторожно. Наличие в исходном образце микродефектов и неоднородностей может существенным образом изменить картину образования и развития дефектов.

Визуальные методы контроля поверхности, включая люминесцентный, не позволяют обнаружить дефекты в толще материала, и поэтому полученные значения критических контактных нагрузок можно считать условными. Анализ результатов опытов показывает, что действительные контактные напряжения существенно отличаются от средних [3].

Более общим подходом к проблеме прогнозирования разрушения детали при данном уровне напряжений следует считать использование вероятностного метода. Основной гипотезой данного метода является предположение о равномерности распределения начальных дефектов в материале. В этом случае вероятность наличия дефектов Р в зависимости от объема образца V определяется по формуле [39]

(10)

где величина С-V^-1 обозначает среднюю концентрацию дефектов. Рассматривая конкретные условия закрепления детали с учетом выражения (8), можно сделать вывод, что с увеличением площади контакта повышается вероятность существования дефекта опасного размера в поле действующих напряжении. С другой стороны, вследствие увеличения площади контактной поверхности при заданной силе зажима снижается уровень средних напряжений. Это приводит к уменьшению вероятности развития опасного дефекта в охватываемом объеме. Таким образом, для определения оптимальных условий закрепления

детали, обеспечивающих минимум вероятности развития дефектов, необходимо рассмотреть" влияние отдельных составляющих: действующих контактных напряжений а и площади контактной поверхности S.

Пусть зависимость вероятности развития дефекта от напряжений , а от площади контактной поверхности . Тогда суммарная вероятность развития дефекта от действия двух факторов

(11)

Считая силу зажима постоянной, можно выразить площадь контакта S через σ:S= F/σ, и тогда вероятность развития дефекта будет являться только функцией контактных напряжений. В этом случае экспериментальное значение вероятности развития дефекта можно определить из уравнения

(12)

Для проверки наличия экстремума вышеприведенной зависимости (2) были проведены эксперименты по нагружению вольфрамового образца размером 150x70x25 мм. Образец нагружали путем вдавливания индентора с плоской рабочей поверхностью в одну из граней на гидравлическом прессе. В процессе нагружения величину давления контролировали по манометру с последующим пересчетом на силу зажима.

Для регистрации момента развития дефекта в материале образца использовали один из перспективных методов неразрушающего контроля —метод акустической эмиссии (АЭ) [2]. Блок-схема экспериментальной установки приведена на рис. 5.

Возникающая на определенной стадии нагружения образца трещина генерирует высокочастотные упругие волны, которые, распространяясь со скоростью звука, достигают поверхности. При этом в апериодическом пьезопреобразователе [2], установленном на свободной поверхности образца, механические колебания преобразуются в электрический сигнал, поступающий на вход предварительного усилителя, с уровнем собственных шумов 5 мкВ и коэффициентом усиления k₂=10³÷10⁴. Усиленный сигнал регистрируется запоминающим осциллографом С8-9А в виде характерной кривой синусоидальной формы. Полоса пропускания применяемого комплекса аппаратуры лежит в пределах 2—650 кГц, что позволяет надежно регистрировать сигналы АЭ от развивающихся трещин, причем образованию трещины соответствует сигнал с амплитудой 5—500 мкВ длительностью 1—2 мкс.

В первой серии экспериментов определялась вероятность роста трещин при изменении прикладываемой нагрузки и постоянной величине контактной поверхности. Определение вероятности разрушения производилось по результатам 20 испытаний на каждом уровне нагрузки в различных точках поверхности. Во второй серии экспериментов вероятность роста дефекта в зависимости от площади контактной поверхности определяли при постоянной нагрузке.

Рис. 5 Блок-схема установки для контроля трещин в образце вольфрама методом акустической эмиссии?

1 – пресс;

2 – пуансон;

3 – образец;

4 – пьезопреобразователь;

5 – предварительный усилитель;

6 – усилитель;

7 - осциллограф

Экспериментальные данные по вероятности развития трещин в исследуемой области контактных нагрузок и площадей обрабатывали по методу наименьших квадратов с целью получения эмпирических зависимостей и которые после подстановки в выражение (11) имеют вид

(13)

График изменения вероятности развития опасного дефекта в зависимости от контактных напряжений при различных силах зажима представлен на рис. 6. Кривые графика имеют экстремальный характер, что подтверждает предположение о неоднозначном влиянии контактных напряжений на вероятность развития дефектов. Таким образом, в каждом конкретном случае закрепления деталей из вольфрама можно по вышеприведенной методике найти площадь контактной поверхности, обеспечивающую минимальную вероятность развития начальных дефектов при заданной силе зажима.

Были проведены также эксперименты по выяснению влияния различных прокладок между образцом и индентором на величину критической силы. Исследовали прокладки из меди, стали Х18Н9Т и закаленной стали по HRC 40—45 и НRС 58— 60. Установлено, что материал прокладок оказывает влияние на величину критической силы. При непосредственном вдавливании индентера (НRС 62—64) эта сила равна 47∙10² кгс, при прокладке из стали твердостью HRC 40—45 32•10² кгс, твердостью НRС 52—58 40∙10², медной прокладки 20∙10² и стали Х18Н9Т 27∙10² кгс.

_{Рис. 6 Изменение вероятности развития дефекта от контактных напряжений при различной силе зажима}

Снижение критической силы в случае применения пластичных прокладок можно объяснить тем, что при их пластическом деформировании в зоне контакта силы трения между прокладкой и образцом создают дополнительные напряжения растяжения, которые и являются причиной развития дефекта.

Результаты проведенного анализа влияния контактных напряжений на вероятность развития дефектов можно распространить и на случай обработки вольфрама резанием. Действительно, действующие при обработке резанием силы много меньше сил крепления детали и локализованы в небольшой зоне контакта. Это позволяет предположить, что влияние данной зоны на начальные дефекты материала будет невелико, т. е. обработка резанием не может существенным образом изменить степень дефектности материала. Экспериментальные данные это предположение подтверждают, так как в процессе резания происходит мощная генерация различных механических волн, в том числе и волн ЛЭ [6].