Аналитическая оценка напряженного состояния контактной поверхности инструмента с композитным покрытием

С.Ю. Жачкин, П.В. Цысоренко

Приводятся методы расчета напряженного состояния на контактных поверхностях режущих инструментов. Рассматривается проблема оценки напряженного состояния инструментального материала при использовании композитных покрытий на контактных поверхностях.

Процесс трения на контактных площадках передней и задней поверхностей во многом определяется поверхностными свойствами пары трения инструментальный материал — обрабатываемый материал.

Внешнее трение согласно молекулярно-механической теории имеет двойственную природу, обусловленную объемным деформированием материала и преодолением межмолекулярных связей, возникающих между участками трущихся поверхностей.

Адгезионное взаимодействие (схватывание) при трении и особенно при резании намного выше, чем в случае статического сжатия с одинаковым нормальным давлением [1]. Установлено, что касательные напряжения резко инициируют схватывание. Согласно Мизесу

(1)

где — предел упругости, видна большая роль касательных напряжений в усилении неравенства. Отсюда следует, что даже небольшое снижение склонности к адгезионному взаимодействию приводит к значительному уменьшению силы трения.

Таким образом, схватывание металлов можно рассматривать как активный цепной процесс, начинающийся образованием активных центров, их взаимодействием и заканчивающийся образованием общих металлических связей двух контактирующих твердых тел.

С учетом идентичности законов трения и адгезии наиболее простым и надежным методом оценки склонности к схватыванию инструментального и обрабатываемого материалов является величина кинетической силы трения F_K.

Кинетическая сила трения F_K является функцией следующих величин [2]:

(2)

где t — температура принудительного нагрева образца;

Р_ст — величина приложенной статической нагрузки;

К_О.М. — коэффициент, учитывающий свойства обрабатываемого материала;

— коэффициент, учитывающий свойства инструментального материала.

Рис.1. Модель процесса трения при резании (а) и осциллограмма процесса схватывания между обрабатываемым 1 и инструментальным 2 материалом (б)

Статистическое значение кинетической силы трения F_K, а та же амплитуда A_F и частота v_F ее колебаний практически не зависят от типа и свойств инструментальной матрицы, а определяют составом и свойствами материала покрытия. В частности, примерно одинаковое значение Fк, A_F и v_F имеют покрытия одного состава, но полученные различными методами. При трении контрольных образцов из инструментальных материалов без покрытий по контртелам из конструкционных сталей 45, 38ХС, 35ХГСА, 40Х максимальное значение силы трения отмечено для образцов из быстрорежущей стали Р6М5 и твердых сплавов ВК6, минимальное — для образцов из сплава Т5К10.

Нанесение покрытий на инструментальные материалы позволяет значительно снизить силу трения, особенно для наиболее термодинамических устойчивых покрытий в виде окислов некоторых металлов, а также для покрытий, склонных к диссоциации при температурах, соответствующих максимальным температура эксперимента (600—700 °С). В частности, наибольшее снижение кинетической силы трения наблюдали для окисных покрытий Al₂O₃, а также нитридов тугоплавких металлов VI группы.

При трении контрольных образцов из инструментальных материалов по контртелам из труднообрабатываемых материалов наибольшее снижение силы трения F_K обеспечивают двухфазные твердые сплавы ВК, причем отмечается тенденция увеличения F_K по мере роста зернистости этих сплавов и содержания кобальта. Значительное снижение F_K обеспечивали покрытия на основе нитридов тугоплавких металлов V и VI групп Периодической системы элементов по сравнению с нитридами и карбидами металлов IV группы. При трении по титановым сплавам ВТ16 и ВТ20 особенно заметна малая эффективность покрытий TiC и TiN, однако отмечается тенденция снижения F_K при трении по титановым сплавам для нитридов металла IV. Для труднообрабатываемых сплавов отмечено значительно большее снижение силы трения при нанесении покрытий на основе нитридов металлов V и VI групп, эффективность которых возрастает в следующей последовательности: NbN, CrN и MoN.

Зависимость кинетической силы трения от температуры носит экстремальный характер при трении образцов из инструментальных материалов с покрытием по конструкционным сталям. Объясняется это следующим образом.

Как уже отмечалось, интенсивность схватывания определяется как числом активных центров, образующихся на единице площади контакта, так и фактической площадью контакта. Если число активных центров при термической активации

(1)

определяется энергией термической активации Q_T, временем , частотой собственных колебаний валентных атомов v и абсолютной температуры θ, то фактическая площадь контакта зависит от

(2)

размера микронеровностей и модуля упругости контактируемых пар (учитываемых коэффициентом К) и нормального напряжения .

С повышением температуры увеличивается частота собственных колебаний валентных атомов, растет пластичность материала и снижается его сопротивляемость пластическому деформированию. Таким образом, даже при постоянном нормальном напряжении увеличиваются количество активных центров и площадь фактического контакта. Кроме того, рост температуры инициирует процессы разрушения поверхностных пленок, что способствует образованию химически чистых («ювенильных») поверхностей. Последнее является необходимым условием для проявления схватывания. Это приводит к росту трения с увеличением температуры. Однако в результате дальнейшего увеличения температуры происходит как разупрочнение «узлов» схватывания, так и сильное окисление трущихся поверхностей. Эти обстоятельства приводят к снижению силы трения при дальнейшем повышении температуры.

Литература

1. Семенченко И.И., Матюшин В.М., Сахаров Г.Н. Проектирование металлорежущих инструментов. М.: Машиностроение, 1982. 752 с.

2. Шатин В.П., Шатин Ю.В. Справочник конструктора-инструментальщика. М.: Машиностроение, 1977. 456 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.9.047