Способ выбора инструментального материала

Изобретение относится к области механической обработки материалов, в частности к способам выбора инструментального материала для механической обработки деталей, преимущественно из металлов и сплавов.

Известны способы выбора рационального инструментального материала, включающие определение зависимости интенсивности износа сравниваемых материалов от скорости резания с построением графиков этой зависимости и выявлением материала с минимальной интенсивностью износа в заданных условиях (см., например, SU №1202715, МПК B23B 1/00, опубл. 07.01.86).

К недостаткам известных способов следует отнести их высокую трудоемкость и дороговизну, обусловленную необходимостью проведения множества фактически натурных испытаний с изготовлением нескольких единиц, а иногда - десятков, зачастую весьма дорогостоящих образцов.

Наиболее близким из существующих является способ выбора инструментального материала, заключающийся в определении фрикционных свойств между инструментальным и обрабатываемым материалами (http://msi.ulstu.ru/files/Лекции%20ФОПРиИРИcИП.pdf, Физические основы процесса резания и изнашивания режущего инструмента с износостойкими покрытиями, с. 6-8, время обращения 12:58, 19.10.2016). Способ заключается в протягивании образца из инструментального материала между двумя образцами из предназначенного для обработки материала, выступающими в роли инденторов и воздействующими на образец из инструментального материала с определенной нагрузкой. В процессе операции посредством регистрирующей аппаратуры фиксируются значения возникающей кинетической силы трения F_к и ее амплитуды А_к, которые принимаются в качестве критериев оценки схватывания, фиксируя при этом следы трения в виде мостиков схватывания, таким образом, определяя в качестве приемлемого инструментального материала с наименьшим адгезионным взаимодействием с предназначенным для обработки материалом.

К недостаткам данного способа следует отнести его высокую сложность и трудоемкость, обусловленные необходимостью изготовления специального образца из инструментального материала, который обладает внушительными размерами и должен обладать изотропией по всей испытываемой поверхности, что, как показывает практика, очень сложно обеспечить.

Задача изобретения - создание способа выбора инструментального материала, простого в осуществлении и не требующего изготовления специального дорогостоящего образца из инструментального материала.

Технический результат - упрощение процесса выбора инструментального материала.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в способе выбора инструментального материала, заключающемся в поочередном силовом воздействии индентора из предназначенного для обработки материала на поверхность образцов инструментальных материалов при их взаимном перемещении и выбор в качестве приемлемого инструментального материала с наименьшим адгезионным воздействием с материалом, предназначенным для обработки, в процессе взаимного перемещения индентора и образца силу воздействия монотонно увеличивают до момента появления на образце следов схватывания с материалом индентора, а в качестве приемлемого выбирают материал образца, появление следов схватывания на котором соответствует наибольшей силе воздействия.

Изобретение поясняется изображениями:

Фиг. 1 - схема осуществления способа;

Фиг. 2 - следы схватывания образца с материалом индентора.

Позиции, проставленные на изображениях, означают:

1 - образец;

2 - индентор из обрабатываемого материала;

3 - покрытие;

4 - стол;

5, 6, 7 - следы схватывания.

Суть заявленного способа заключается в следующем: на индентор 2, изготовленный из определенного обрабатываемого материала, прикладывают нормальную силу F, под действием которой индентор 2 взаимодействует с поверхностью образца 1, являющегося, в свою очередь, монолитным инструментальным материалом или, как это показано на Фиг. 1, подложкой с инструментальным покрытием 3, при их взаимном перемещении посредством стола 4 со скоростью перемещения V. При монотоно-возрастающем воздействии силы F на индентор при прохождении пути l на поверхности образца в процессе индентирования в какой-то момент появляется след схватывания 5, причем ведется активный контроль прикладываемой нагрузки вдоль всего пути L. Выбор приемлемого инструментального материала осуществляется, таким образом, чтобы возникновение следов схватывания (адгезионное взаимодействие инструментального и обрабатываемого материалов) соответствовало наибольшей силе воздействия.

Данный способ был реализован на сменных многогранных пластинах (СМП) из режущей керамики с матрицей из оксида алюминия (Al₂O₃) с добавлением карбида титана (TiC). Часть образцов имели износостойкое покрытие системы (Ti,C)N fig. 2а, с осажденное по комбинированной технологии CVD-PVD промышленным способом. Вторая часть образцов представляла собой аналогичные пластины того же производителя, но с износостойким покрытием системы (Ti,Al)N fig. 2b, d полученные по технологии PVD в условиях ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН». Данный инструментальный материал является очень перспективным и эффективно применяется при обработке закаленных сталей резанием. В связи с этим, в качестве индентора использовались шарики из закаленной стали марки AISI 52100 (Российский аналог ШХ15). Шарик жестко закреплялся в стандартном держателе индентора Роквелла и крепился посредством прижима на скрэтч-тестере модели M1, NANOVEA, Великобритания. Режимы экспериментов представлены в таблице 1.

Результат воздействия интендора на исследуемый образец хорошо определяется визуально (Фиг. 2а, b).

Для более точной фиксации результата после нанесения треков образцы подвергаются очистке в ультразвуковой ванне от образующихся на поверхности загрязнений и помещают в камеру сканирующего электронного микроскопа для картирования распределения химических элементов в рассматриваемой области индентирования. На фиг. 2, с, d приведен элементный химический состав поверхностей режущих пластин с износостойкими покрытиями после индентирования, полученный посредством энерго-дисперсионного анализа на сканирующем электронном микроскопе VEGA 3 LMH TESCAN, Чешская Республика. Представленные карты распределения Fe в областях индентирования позволяют наиболее точно определить начальную точку схватывания, в ее связи с действующей в этой точке силой F. На образце с покрытием (Ti,C)N следы схватывания в процессе индентирования отсутствовали, что согласно теории резания означает, что данный образец будет обладать большим эксплуатационным ресурсом. На образце с покрытием (Ti,Al)N образование следов регистрировались при нагрузке F=14÷16 Н. Схватывание при столь малых воздействиях позволяет судить о низкой эффективности функционального покрытия.

Дальнейшие натурные исследования показали полное соответствие результатам заявленного способа.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача - создание способа выбора инструментального материала, простого в осуществлении и не требующего изготовления специального дорогостоящего образца из инструментального материала, - решена, а заявленный технический результат - упрощение процесса выбора инструментального материала - достигнут.

Анализ заявленного изобретения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой и неизвестной на дату приоритета из уровня техники совокупности необходимых признаков, достаточной для получения заявленного технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области механической обработки материалов, в частности к способам выбора инструментального материала для механической обработки деталей преимущественно из металлов и сплавов;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки и известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.