Прочность инструментальных материалов с композитным покрытием
С.Ю. Жачкин, А.А. Живогин
Приводятся методики расчета показателей прочности инструментов в зависимости от способов нанесения композитных покрытий и условий эксплуатации инструментальных материалов.
Прочность режущего инструмента является его важнейшей характеристикой, определяющей способность контактных площадок инструмента сопротивляться микро- и макроразрушению. При недостаточной прочности режущей части инструмента велика вероятность ее разрушения путем хрупкого скалывания и выкрашивания (недостаточный запас хрупкой прочности) или в результате пластической деформации и последующего среза (недостаточный запас пластической прочности).
Прочностные характеристики инструментального материала, его поведение в условиях знакопеременных напряжений, возникающих в процессе резания, и способность сопротивляться разрушению в значительной степени определяют эксплуатационную надежность инструмента. Последнее имеет принципиальное значение для инструментов, используемых на автоматизированных станках.
Механическая прочность режущего инструмента определяется многими параметрами, например, зависит от геометрии режущего инструмента, значений статических нагрузок и их колебаний, температур в зоне резания и т. д. В общем виде модель напряженного состояния инструмента можно представить в следующем виде:
(1)
где Рст — статическая нагрузка;
Рдин — динамическая нагрузка;
,
— частота и амплитуда колебаний
динамической нагрузки;
—
коэффициент, учитывающий свойства
инструментального материала;
β — угол заострения режущей части инструмента;
t — температура в зоне резания;
а — толщина среза.
В соответствии с принятой моделью были выбраны следующие виды прочностных испытаний инструментальных материалов с покрытием: изгиб сосредоточенной нагрузкой; чистый изгиб специальных образцов-штабиков; консольный изгиб образцов, имеющих геометрическое подобие с реальным инструментом, и ударно-циклические испытания. Выбранные методы испытаний образцов инструментальных материалов с покрытием позволяют:
выявить влияние структурных факторов, таких как структурные дефекты, поверхностные микромеханические дефекты, химический состав и т. д., на прочность;
создать напряженное состояние, приводящее к разрушению в условиях, очень близких к возникающим при работе многих видов инструментов;
использовать гладкие образцы без переходов по сечению, что дает возможность уменьшить трудно учитываемое влияние концентрации напряжений, неизбежных в образцах сложной формы, и получить уменьшение разброса результатов испытаний.
Прочностные исследования на изгиб проводили по методике ГОСТ 20019—74 на специальной установке.
Предельное значение силы, при которой происходило разрушение образца, определяли по градуировочному графику с точностью до ±3 Н.
Испытанию подвергали образцы-штабики, имеющие покрытия со стороны действия растягивающих напряжений.
С целью придания геометрического подобия разрушаемому образцу, а также создания условий, близких к реальным по контактным нагрузкам и температурам, проводили также прочностные испытания специальных образцов по схеме консольного изгиба при различных температурах.
Согласно принятой модели испытаний предельное значение разрушающей нагрузки Рр фиксировали при помощи тензометрического динамометра. Для более равномерного распределения прилагаемой нагрузки по контактной площадке использовали прокладки из стали 20 толщиной около 0,1 мм. За критерий относительной прочности принимали отношение разрушающей нагрузки Рр к площади контакта
Образцы нагревали методом прямого пропускания электрического тока. Это позволяло их быстро прогреть до температуры испытания. Количество теплоты, выделяемого в образце через определенное время нагрева, определяли по формуле
(2)
где I — действующее значение переменного тока, приложенного к образцу;
Rн—активное сопротивление образца;
— время
нагрева.
Температура в образце фиксировалась термодатчиком ТД. Для уменьшения влияния окисляемости инструментальных материалов с покрытием на их прочность время нагрева пластинок ограничивали 5—18 с. За указанное время происходил полный прогрев образцов. Общее время выдержки образцов при температурах испытания не превышало 20—25 секунд с учетом времени выдержки и нагружения образца до разрушения. В большинстве случаев режущий инструмент работает в условиях значительных колебаний величин контактных напряжений. Это связано с колебаниями толщины среза и припуска (глубины резания), нестабильностью свойств инструментального материала, случайным характером процессов, влияющих на формирование контактных зон. Для прерывистых процессов резания, кроме того, временные изменения силы резания и температуры связаны с чередованием рабочего и вспомогательного ходов, неустойчивостью и случайным характером переходных процессов при входе и выходе инструмента. Сравнительный статистический анализ данных по прочности инструментальных материалов и стойкости режущих инструментов показывает, что вариационные разбросы стойкости значительно шире, чем соответствующие разбросы значений прочности при растяжении, сжатии и изгибе. Очевидно, что в этом случае необходимо также проведение прочностных испытаний инструментальных материалов в условиях, наиболее близких к реальному разрушению. Поэтому была также проведена оценка прочности образцов инструментальных материалов с покрытием в условиях циклического нагружения по схеме консольного ударного и гармонического приложения нагрузки. Для режущих инструментов наиболее частым видом отказа инструментов является хрупкое разрушение режущей части, т. е. без видимой остаточной деформации. В ряде работ [1, 2] экспериментально доказана целесообразность применения статистической теории хрупкой прочности при различных видах напряженного состояния.
Статистическая
теория хрупкой прочности позволяет
достаточно достоверно объяснить влияние
объема тела на механические характеристики,
основываясь на положении о превалирующем
влиянии на прочность наиболее опасного
дефекта в материале. Хрупкие материалы
очень чувствительны к изменению размеров,
так как в них особенно высока
чувствительность дефектов концентрации
напряжений. Теория построена на
предположении о существовании в материале
дефектов независимо от природы и причин,
обусловливающих их появление. Наиболее
обоснованной теорией хрупкой прочности
следует считать теорию, построенную на
асимптотическом распределении
экспериментальных значений (для случая
хрупкой прочности — минимальных
значений) достаточно больших совокупностей.
Для инженерной практики наиболее часто
используют распределение Вейбулла,
непосредственно связанное с асимптотическим
распределением минимальных значений
прочности первичных элементов. Формула
Вейбулла определяет вероятность хрупкого
разрушения материала Р(
)
при
напряжениях, равных или превышающих
:
(3)
где
—
напряжение, ниже которого вероятность
разрушения образца равна нулю независимо
от размеров тела;
m — параметр, характеризующий однородность материала, степень равномерного распределения дефектов по объему тела;
V — рабочий объем.
Параметры
,
и
m
нельзя
рассматривать как физические константы
материала, так как они характеризуют
только данный подбор образцов,
изготовленных по определенной технологии
и имеющих определенную геометрию. В
зависимости от состояния поверхности,
термической обработки, температуры
испытания в т. д. распределение варьируется
в широких пределах.
При
V=l
и
=
значение
вероятности разрушения равно 0,6321.
Следовательно,
является таким напряжением, которое
для
единичного
объема дает вероятность разрушения
Р(
)
=0,632.
Величина а
не
является постоянной и зависит от рабочего
объема. В этом нетрудно убедиться при
преобразовании уравнения (3):
(4)
При
этом видно, что в прямоугольной системе
координат осями
и
изменение объема испытываемых образцов
приводит лишь к параллельному перемещению,
но не к изменению функции распределения.
Если функцию распределения задать
уравнением
(5)
а
осью абсцисс является
,
то в этих координатах функция распределения
будет линейной:
(6)
Анализ уравнения (6) позволяет сделать вывод о том, что показатель однородности т не изменяется при одинаковых условиях изготовления образцов; в то же время его численное значение изменяется при изменении рабочего объема.
При известных значениях средней прочности двух партий образцов, испытанных в условиях различных рабочих объемов, значение показателя т. может быть определено из следующего уравнения:
(7)
где
V1
—
средняя прочность и рабочий объем одной
серии образцов;
V2
—
средняя прочность и рабочий объем другой
серии образцов.
Логарифмируя уравнение (7) и разрешая его относительно показателя m, получим
(8)
В общем случае, несмотря на некоторые отклонения, бол высокие значения величин , и т означают, что средний уровень прочности материала должен возрастать, а разброс значений прочности — несколько снижаться. Значения показателя т более удобно определять по форму выведенной при разложении -функции в степенной ряд, исходя из предложений о пренебрежительно малом значении второго члена, уравнения [2]
(9)
где
- коэффициент вариации прочности, % ;
-
среднее квадратическое отклонение
-
среднеарифметическое значение прочности.
Формула (9) дает наиболее удовлетворительные результаты по сравнению с результатами, полученными по формуле (8), в диапазоне изменения т от 3 до 20 и числе опытов более 30. При n<30 используют смещенную оценку s:
(10)
Таким образом, показатель т, характеризующий однородное инструментального материала, может быть оценен по коэффициенту вариации, вычисляемому при математической обработке достаточного числа результатов
Литература
1. Векуа Н.И. Основы тензорного анализа и теории коварианотов. М.: Наука, 1978. 296 с.
2. Димитриенко Ю.И. Механика композиционных материалов при высоких температурах. М.: Машиностроение, 1997. 368 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.9.047