Зв'язок фізико - механічних, теплофізичних і акустичних властивостей обробних і інструментальних матеріалів у механообробці Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 28 Буряк А.В.,* Буряк В.Г.** *Хмельницький національний університет, **Хмельницький обласний інститут післядипломної педагогічної освіти м. Хмельницький, Україна E-mail: viktorburyak1955@gmail.com ЗВ'ЯЗОК ФІЗИКО - МЕХАНІЧНИХ, ТЕПЛОФІЗИЧНИХ І АКУСТИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ОБРОБНИХ І ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ У МЕХАНООБРОБЦІ УДК 621.9 Розглядається зв'язок фізико-механічних, теплофізичних і акустичних властивостей обробних і інструментальних матеріалів, що визначають працездатність ріжучих інструментів. Увага приділяється зносостійкості інструментів, що надає можливість для збільшення продуктивності обробки і є важливою умовою ав- томатизованого виробництва. Ключові слова: оброблення різанням, фізико-механічні, теплофізичні і акустичні властивості матеріалів, причинно-наслідковий зв’язок, знос. Вступ В аналізі характеристик енергетичного стану обробних і інструментальних матеріалів передба- чено розгляд необхідних властивостей обох марок матеріалів, що знаходяться у безпосередньому контакті в процесі оброблення різанням (механообробки). Вивченню працездатності інструментів, що оснащені ріжучими пластинами з різних марок інструментальних матеріалів присвячено багато наукових досліджень, в основу яких покладено традиційні методи визначення оброблюваності: дослідження якості обробленої поверхні; раціональних режимів різання; надання рекомендації до значень геометричних параметрів ріжучої частини інструмента, а також приведено температурні і силові залежності. При розгляді основних енергетичних характеристик, які визначають працездатність інструментів, в публікаціях [1, 2] показано найбільш важливі властивості матеріалів. Мета і постановка задачі З метою застосування основного диференційного рівняння причинно-наслідкового зв’язку [1, 2] виконується подальше обґрунтування показників енергетичного стану матеріалів, що утворені в процесі різання. Властивості обробного і інструментального матеріалів визначають характер коливань мікроструктури робочої частини інструмента, який залежить від здатності останнього вільно перепускати хвилі повністю, затримувати у приконтактному шарі, або відбивати потоки хвильових збуджень. Особ- лива увага приділяється зносостійкості інструментів, що надає можливість для збільшення продуктивності обробки і є важливою умовою автоматизованого виробництва. В даній статті розглядаються фізико-механічні, теплофізичні і акустичні властивості конкретних марок обробних матеріалів, при різанні яких за тими чи іншими причинами (наприклад, при досягненні якості обробленої поверхні, продуктивності в умовах автоматизованого виробництва, надійності процесу різання та ін.) виникають труднощі та потреба у більш досконалому методі вибору інструментального матеріалу, застосуванні способів спеціальної підготовки технічних параметрів процесу механообробки. Разом з цим, марки обробних матеріалів підібрано таким чином, що їх різання можливо практично всіма відомими марками інструментальних матеріалів. Це дозволяє встановити явні відмінні особливості ос- новних характеристик енергетичного стану матеріалів. У відповідності до однієї з головних задач роботи – забезпечення надійності процесу механообробки, такий підхід у вирішенні проблеми дає можливість цілеспрямованої зміни визначених характеристик енергетичного стану інструментального матеріалу. Виклад матеріалів досліджень З урахуванням приведених вище доводів, а також виходячи з практики приладобудівного вироб- ництва, для проведення більш детального аналізу прийнято алюмінієві сплави, а також сталі 12Х18Н9Т, У12А та 50Л. Тривала тонка, високоточна розмірна обробка даних матеріалів в умовах автоматизованого виробництва є складним процесом. Тим більше трудність обробки проявляється тоді, коли поряд з вимо- гами високої точності, до обробленої поверхні пред’явлено вимоги високого класу шорсткості (поверхні типу дзеркал), а також коли розглядають доцільність заміни процесу шліфування лезовою обробкою то- що. Досягнення такої мети можливо в умовах підвищення швидкостей різання, при виборі інструмента- льного матеріалу з високим коефіцієнтом теплопровідності, низьким коефіцієнтом адгезійної взаємодії та ін. Проте, збільшення теплопровідності призводить до зниження міцності інструменту, що зменшує у цілому ефективність процесу механообробки. mailto:viktorburyak1955@gmail.com http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%B1%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%BA%D0%B0_%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D1%96%D0%B0%D0%BB%D1%96%D0%B2_%D1%80%D1%96%D0%B7%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8F%D0%BC Зв'язок фізико - механічних, теплофізичних і акустичних властивостей обробних і інструментальних матеріалів у механообробці Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 29 Ефективну надійну обробку буде забезпечено в умовах високої стабільності необхідних власти- востей обробного і інструментального матеріалів, а також при меншій інтенсивності зміни енергетичних характеристик матеріалів у межах граничної температури різання. Так, наприклад, і це ще одна особли- вість, що доводить трудність високопродуктивної точної обробки начисто алюмінієвих сплавів, значення модуля пружності при збільшенні температури (близької до температури різання) інтенсивно зменшу- ються (рис. 1) [3]. Це пред’являє особливі вимоги у виборі інструментального матеріалу в умовах авто- матизованого виробництва, у першу чергу, до його тривалої зносостійкості і надійності. Багаточисленними дослідженнями встановлено, що основними механічними і теплофізичними властивостями обробних і інструментальних ма- теріалів, за якими визначають працездатність ін- струментів, є твердість, густина та граничні руй- нівні навантаження ( ВS , В , u та ін.), коефіці- єнти тепло - і температуропровідності, питома теплоємність тощо. Група механічних характери- стик має функціональну залежність з фізичними властивостями матеріалів [4], які визначають по- тенційну енергію твердого тіла: модулем потуж- ності E і зсуву G , коефіцієнтом Пуассона μ . За зміною температури, яку зумовлено процесом різання, дані властивості змінюють свої значення з різною інтенсивністю, що в екстремальних умо- вах процесу механообробки впливає на надій- ність у роботі інструмента. Залежність основних фізичних властивостей від температури встанов- лено за використанням довідникових даних [5] та показано на рис. 2 і рис. 3. У межах зміни температури від 293К до 1073К фізичні властивості сталей 12Х18Н9Т і 50Л змінюються безперервно. Інтенсив- ність зміни значень різна, як у фізико - механічних властивостей: модулів Юнга E , і зсуву G , так і у теплофізичних властивостей: коефіцієнта теплопро- відності λ і питомої теплоємності ρС . Характер- ним є те, що для різних марок сталей і сплавів зна- чення E і G із збільшенням температури безпере- рвно зменшуються, а ρС – збільшуються. Для різ- них марок сталей і сплавів теплопровідність λ змі- нюється неоднозначно: так для сталі 12Х18Н9Т (рис. 2) – λ збільшується, а для сталі 50Г (рис. 3) – λ зменшується за збільшенням температури. Що, звичайно, позначається на оброблюваності різанням приведених сталей. У розгляді сукупності фізико - механіч- них, теплофізичних і акустичних властивостей, спільною характеристикою є густина матеріалів ρ . Зміна густини матеріалів за зміною темпера- тури показана на рис. 4. Із збільшенням темпера- тури густина матеріалів безперервно зменшується. Проте величина зміни ρ при аналізі багаточис- ленних марок матеріалів незначна і складає всього 3,5, ..., 4,5 %. Приведені закономірності можна пов’язати з протилежним характером зміни кое- фіцієнта лінійного розширення α за зміною тем- ператури (рис. 5) досліджуваних матеріалів. Кое- фіцієнт α безперервно збільшується за збільшен- ням температури. Зміну даного коефіцієнта вра- ховують у випадку проведення аналізу потенційної енергії матеріалу з урахуванням температури Т , на- приклад, при визначенні температурної деформації матеріалу Тε за формулою: Рис. 1 – Вплив температури на значення модуля Юнга алюмінієвих сплавів: 1 – Al – Cu; 2 – Al - Mg – Si; 3 – Al - Mn, Al - Mg, Al - Zn - Mg, Al - Zn - Cu - Mg Рис. 2 – Залежність значень основних фізичних властивостей сталі 12Х18Н9Т від температури Рис. 3 – Залежність основних фізичних властивостей сталі 50Л від температури Зв'язок фізико - механічних, теплофізичних і акустичних властивостей обробних і інструментальних матеріалів у механообробці Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 30 ТТ  αε . (1) Як було вже показано в публікації [6], основними параметрами, що визначають акустичні влас- тивості обробних і інструментальних матеріалів, є швидкість розповсюдження хвилі і густина. Також, було показано, що існує наступна властивість (для твердих тіл): при збудженні коливань і розповсю- дженні утворених хвиль, на границі контакту різ- норідних тіл проходить трансформація хвилі з по- дальшим її розповсюдженням у повздовжньому і поперечному напрямках із швидкостями відповід- но – повздовжньою C і поперечною tC . Точний опис коливних і хвильових процесів являє собою досить громіздку задачу, по скільки утворені хвилі перебувають у стохастичній залежності від явищ відбиття, проникнення, розсіювання, поглинання тощо, що властиво як обробним, так і інструмента- льним матеріалам. Тому, у подальшому аналізі бу- демо вести мову тільки про характер відносної зміни акустичних властивостей для різних обробних і ін- струментальних матеріалів. Характеристичні залежності швидкостей C і tC за зміною температури отримуємо шля- хом розрахунків з використанням формул [7, 8] та довідникових даних [5] для визначення поточних значень E , G , μ , ρ , як функцій від температу- ри. Отримані результати досліджень характеру зміни швидкостей хвилі C і tC за зміною тем- ператури у межах (293, ..., 1073) °К показано: для нержавіючої сталі 12Х18Н9Т - на рис. 6; для сталі 50Л - на рис. 7. Аналіз приведених залежностей показує, що, за збільшенням температури, швид- кості хвилі безперервно зменшуються, проте ве- личина і інтенсивність зміни швидкостей різна: у сталі 12Х18Н9Т C - на 24%, tC - на 15% (рис. 6); у сталі 50Л C - на 32%; tC - на 22% (рис. 7). Тобто, у загальній оцінці працездатності інструментів має місце факт перерозподілу значень повздовжніх і по- перечних швидкостей акустичних хвиль, що, на нашу думку, суттєво змінює характеристи- ки енергетичного стану контактної взаємодії обробного і інструментального матеріалів і, відповідно, характер внутрішнього тертя в мікроструктурі робочої частини інструмента. Отримані вище результати дослі- джень дозволяють робити висновки про ана- логічний характер зміни акустичних власти- востей різних матеріалів: обробних, а також інструментальних. Проте, для більшості ма- теріалів у літературних джерелах не приведе- но результатів досліджень зміни їх властиво- стей (фізико - механічних, теплофізичних, акустичних) за зміною температури. Звичай- но, це обмежує проведення більш повного аналізу зв’язку всіх властивостей. Тому, у подальшому вико- нанні аналізу енергетичного стану обробних і інструментальних матеріалів, виникає необхідність в утво- ренні нових методів для визначення основних параметрів акустичних властивостей та контролю якості Рис. 4 – Залежність густини матеріалів від температури: 1 – 12Х18Н9Т; 2 – 50Л; 3 – У12А Рис. 5 – Залежність коефіцієнта лінійного розширення матеріалів від температури: 1 – 12Х18Н9Т; 2 – 50Л; 3 – У12А Рис. 6 – Характеристичні залежності швидкостей розпов- сюдження хвилі в сталі 12Х18Н9Т за зміною температури Зв'язок фізико - механічних, теплофізичних і акустичних властивостей обробних і інструментальних матеріалів у механообробці Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 31 досліджуваних матеріалів. Це, у першу чергу, стосується нових інструментальних матеріалів на стадії їх обробки та вдосконалення структурного складу. Зміна швидкості розповсюдження хвиль у контакті обробного і інструментального матеріалів зумовлює характер коливань мікроструктури робочої частини інструмента, який залежить від здатності останнього вільно перепускати хвилі повністю, затримувати у приконтактно- му шарі, або відбивати потоки хвильових збу- джень. Відповідно, характеристики енергетич- ного стану робочої частини у різних випадках будуть змінюватись. Очевидно, що “пропуск- на” здатність мікроструктури робочої частини інструмента буде залежати від швидкості роз- повсюдження хвилі в інструментальному ма- теріалі. За розрахунковими даними, викорис- товуючи формули [7, 8], швидкості розповсю- дження хвилі у повздовжньому /lC і попереч- ному /tC напрямках для досліджуваних ін- струментальних матеріалів складають (м /с): швидко ріжучої сталі Р6М5 – /lC = 5597, / tC = 3353; твер- дих сплавів Т15К6 – /lC = 7156, / tC = 4384 і ВК60М – / lC = 6870, / tC = 4251; мінералокерамічного ін- струментального матеріалу ВОК60 – /lC = 10050, / tC = 6269; надтвердих матеріалів К05 – / lC = 12649, / tC = 7806 і алмет – / lC = 14183, / tC = 10282. Приведені дані швидкостей хвилі складають загальну тен- денцію зростання їх величин по мірі підвищення ріжучих властивостей інструментальних матеріалів для чистових операцій процесу механообробки. Також, аналіз значень швидкостей розповсюдження хвилі в обробних матеріалах ( C і tC ) і інструментальних матеріалах ( / lC і / tC ) показує, що їх співвідношення задовольняє наступним нерівностям: / lC > C . (2) / tC > tC . (3) Хвильовий опір Cρ , як було встановлено [6], визначає здатність матеріалів до взаємодії: зі сторони обробного матеріалу – зумовлює дію, енергетичну активність коливних і хвильових процесів; зі сторони інструментального матеріалу – здатність чинити опір утвореним хвильовим процесам. За густи- ною інструментальних матеріалів /ρ (кг /м3, х103): Р6М5 – 8,2; Т15К6 – 11,5; ВК60М – 15,0; ВОК60 – 4,3; КО5 – 4,3; алмет – 3,5, встановлено, що для раціонального проведення процесу механообробки, іс- нують наступні умови щодо співвідношення хвильових опорів обробного і інструментального матеріалів, відповідно для повздовжніх ( Cρ і //ρ lC ) і поперечних ( tCρ і //ρ tC ) хвиль: //ρ lC > Cρ , (4) //ρ tC > tCρ . (5) Висновки Приведені результати досліджень виражають загальні закономірності взаємозв’язку та зміни властивостей обробних і інструментальних матеріалів, які контактують у конкретному випадку процесу механообробки. Визначена одна з особливостей, що доводить трудність високопродуктивної точної об- робки начисто алюмінієвих сплавів при якій значення модуля пружності при збільшенні температури (близької до температури різання) інтенсивно зменшуються. У межах зміни температури від 293К до 1073К фізичні властивості сталей 12Х18Н9Т і 50Л змінюються безперервно. Інтенсивність зміни значень Рис. 7 – Характеристичні залежності швидкостей розповсюдження хвилі в сталі 50Л за зміною температури Зв'язок фізико - механічних, теплофізичних і акустичних властивостей обробних і інструментальних матеріалів у механообробці Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 32 різна, як у фізико - механічних властивостей: модулів Юнга E , і зсуву G , так і у теплофізичних власти- востей: коефіцієнта теплопровідності λ і питомої теплоємності ρС . Для різних марок сталей і сплавів теплопровідність λ змінюється неоднозначно: так для сталі 12Х18Н9Т – λ збільшується, а для сталі 50Г – λ зменшується за збільшенням температури. Із збільшенням температури густина матеріалів безпере- рвно зменшується. Проте величина зміни ρ при аналізі багаточисленних марок матеріалів незначна і складає всього 3,5, ..., 4,5 %. Отримані результати досліджень характеру зміни швидкостей хвилі C і tC за зміною темпера- тури у межах (293, ..., 1073) °К показали, що, за збільшенням температури, швидкості хвилі безперервно зменшуються, проте величина і інтенсивність зміни швидкостей різна: у сталі 12Х18Н9Т C – на 24 %, tC – на 15 %; у сталі 50Л C – на 32 %; tC – на 22 %. Тобто, у загальній оцінці працездатності інстру- ментів має місце факт перерозподілу значень повздовжніх і поперечних швидкостей акустичних хвиль, що, на нашу думку, суттєво змінює характеристики енергетичного стану контактної взаємодії обробного і інструментального матеріалів і, відповідно, характер внутрішнього тертя в мікроструктурі робочої час- тини інструмента. Отримані вище результати досліджень дозволяють робити висновки про аналогічний характер зміни акустичних властивостей різних матеріалів: обробних, а також інструментальних. Аналіз значень швидкостей розповсюдження хвилі в обробних матеріалах ( C і tC ) і інструме- нтальних матеріалів ( /lC і / tC ) показує, що їх співвідношення задовольняє нерівностям ( / lC > C і / tC > tC ). Встановлено, що для раціонального проведення процесу механообробки, існують наступні умови щодо співвідношення хвильових опорів обробного і інструментального матеріалів, відповідно для по- вздовжніх ( Cρ і //ρ lC ) і поперечних ( tCρ і //ρ tC ) хвиль: //ρ lC > Cρ ; //ρ tC > tCρ . Врахування досліджуваних закономірностей в теорії коливань і хвиль дозволяє у подальшому вирішенні поставлених задач проводити обґрунтування технічних і технологічних параметрів у механоо- бробці. Література 1. Буряк А.В., Буряк В.Г. Наукові основи до оцінки працездатності ріжучих інструментів за аналізом акустичних характеристик стану обробного і інструментального матеріалів // Проблеми трибології. – 2014. – № 4. – С. 23-30. 2. Буряк А.В., Буряк В.Г. Технічна оцінка методики виконання аналізу акустичних характери- стик енергетичного стану інструментального матеріалу // Проблеми трибології. – 2015. – № 3. – С. 71 - 77. 3. Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы / Альт- ман М.Б., Амбарцумян С.М., Аристова Н.А. и др. -М.: Металлургия, 1972. – 552 с. 4. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора: Справочник. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983. – 464 с., ил. 5. [Електронний ресурс]. Справочник (марочник) сталей и сплавов – Режим доступу: http://s- metall.com.ua/spravochnik_stalej.html 6. Буряк В.Г. Оцінка працездатності композиційних інструментів за аналізом акустичних харак- теристик енергетичного стану інструментального матеріалу // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 1998. – №1. – С. 49-56. 7. Буряк В.Г. Теоретичний аналіз контролюючих і вимірювальних характеристик енергетичного стану обробних і інструментальних матеріалів у механообробці // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 1997. – №1. – С. 36-42. 8. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов / Яворский Б.М., Детлаф А.А. – М.: Наука, 1964. – 847 с. Поступила в редакцію 09.06.2016 http://s-metall.com.ua/spravochnik_stalej.html http://s-metall.com.ua/spravochnik_stalej.html Зв'язок фізико - механічних, теплофізичних і акустичних властивостей обробних і інструментальних матеріалів у механообробці Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 33 Buryak A.V., Buryak V.G. Communication physical, mechanical, thermal and acoustic properties of process- ing and cutting materials in machining. The connection of the physical and mechanical, thermal and acoustic properties of machining and tool materials, which determine the performance of cutting tools. The attention given to the wear resistance of tools, which enables to increase the processing performance and is an important condition for automated manufacturing. Keywords: machining, physical, mechanical, thermal and acoustic properties of the material causal link wear. References 1. Buryak A.V., Buryak V.G. Naukovі osnovi do ocіnki pracezdatnostі rіzhuchih іnstrumentіv za analіzom akustichnih harakteristik stanu obrobnogo і іnstrumental'nogo materіalіvu. Problemi tribologії. 2014. № 4. S. 23 – 30. 2. Buryak A.V., Buryak V.G. Tekhnіchna ocіnka metodiki vikonannya analіzu akustichnih harakteristik energetichnogo stanu іnstrumental'nogo materіalu. Problemi tribologії. 2015. № 3. S. 71 – 77. 3. Promyshlennye deformiruemye, spechennye i litejnye alyuminievye splavy. Al'tman M.B., Ambarcumyan S.M., Aristova N.A. i dr. –M.: Metallurgiya, 1972. 552 s. 4. Gzhirov R.I. Kratkij spravochnik konstruktora: Spravochnik. L.: Mashinostroenie, Leningr. otd-nie, 1983. 464 s., il. 5. [Elektronnij resurs]. Spravochnik (marochnik) stalej i splavov – Rezhim dostupu: http://s- metall.com.ua/spravochnik_stalej.html 6. Buryak V.G. Ocіnka pracezdatnostі kompozicіjnih іnstrumentіv za analіzom akustichnih harakteristik energetichnogo stanu іnstrumental'nogo materіalu. Vimіryuval'na ta obchislyuval'na tekhnіka v tekhnologіchnih procesah. 1998. №1. S. 49 – 56. 7. Buryak V.G. Teoretichnij analіz kontrolyuyuchih і vimіryuval'nih harakteristik energetichnogo stanu obrobnih і іnstrumental'nih materіalіv u mekhanoobrobcі. Vimіryuval'na ta obchislyuval'na tekhnіka v tekhnologіchnih procesah. 1997. №1. S. 36 – 42. 8. Spravochnik po fizike dlya injenerov i studentov vuzov. Yavorskii B.M., Detlaf A.A. M.: Nauka, 1964. – 847 s. _GoBack