Аналіз характеристик мікроструктури поверхонь композиційних ріжучих пластин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 3 11 Буряк В.Г., * Буряк В.В., ** Драпак Л.С., * Буряк А.В.** * Хмельницький обласний інститут післядипломної педагогічної освіти, ** Хмельницький національний університет м. Хмельницький, Україна Gmail: viktorburyak1955@gmail.com АНАЛІЗ ХАРАКТЕРИСТИК МІКРОСТРУКТУРИ ПОВЕРХОНЬ КОМПОЗИЦІЙНИХ РІЖУЧИХ ПЛАСТИН УДК 621.9 DOI:10.31891/2079-1372-2018-89-3-11-16 Виконується аналіз характеристик мікроструктури поверхонь композиційних ріжучих пластин. Розгляда- ються результати досліджень зміни мікроструктури робочих поверхонь пластин спечених і первинно та повторно за- точених. Отримані результати досліджень є вихідними даними при використанні методології виконання оцінки працездатності ріжучих інструментів за аналізом акустичних характеристик енергетичного стану обробного і інструментального матеріалів із застосуванням диференційного рівняння причинно-наслідкового зв’язку. Ключові слова: оброблення різанням, мікроструктура робочих поверхонь ріжучих пластин, акустичні властивості матеріалів, причинно-наслідковий зв’язок, знос. Вступ За умови можливості однозначної оцінки характеристик енергетичного стану обробних і інструментальних матеріалів спорідненими параметрами, що характеризують коливні і хвильові процеси на стадіях контролю поза процесом і у процесі оброблення різанням (механообробки), узагальнення параметрів виконується із застосуванням теорії причинно-наслідкового зв’язку [1 - 3]. Розгляд локальної взаємодії обробного і інструментального матеріалів, як контактуючих шорстких поверхонь набуває все більшої актуальності. Розповсюдження утворених в процесі механообробки хвиль поєднане законами дисперсії, інтерференції, поглинання, розсіювання, відбиття, заломлення і існування граничних (критич- них) умов взаємодії в локальному контакті залежать від акустичних властивостей матеріалів. Сукупність мікровиступів та впадин на робочих поверхнях інструмента зумовлює нерівномірність розподілу локалізованих тисків, що в значній мірі відрізняються по величині від номінального тиску. Враховуючи безпосередній зв’язок роботи тертя від локалізованого тиску в часі, виникла необхідність у визначенні зміни характеристик мікроструктурного енергетичного стану інструментального матеріалу на окремих ділянках робочих поверхонь інструмента. Тому, в аналізі причин зносу і втрати працездатності інструментів важливе значення має оцінка стану їх робочих поверхонь. Мета і постановка задачі З метою застосування диференційного рівняння причинно-наслідкового зв’язку [1 - 3] вико- нується аналіз характеристик мікроструктури поверхонь композиційних ріжучих пластин. Композиційні інструментальні матеріали, до складу яких входять компоненти твердої основи – зерна тугоплавких з’єднань, надтверді зерна нітриду бора або алмаза синтетичного полікришталевого (АСПК) в тому числі з дифузійним покриттям надтвердих зерен (ДПНЗ) і в’яжучий матеріал, після спікання заточують з метою зняття дефектних поверхневих шарів, забезпечення заданих розмірів конструкційних та геометричних параметрів. Як відомо, заточування інструментів є складним технологічним процесом, який поряд з його користю може призвести до утворення різних видів пош- коджень робочих поверхонь, що у багатьох випадках понижує надійність процесу механообробки. Аналіз характеристик мікроструктури поверхонь композиційних ріжучих пластин виконано у напрямках оцінки видів мікродефектів, параметрів шорсткості робочих поверхонь та їх зміни в процесі зношування інструмента. Виклад матеріалів досліджень Спечені в умовах високого тиску і температури, композиційні ріжучі пластини відрізняються неоднорідністю поверхневого стану після заточування. Як видно з фотографій (рис. 1) робочих повер- хонь пластин алмета [4], спечених і первинно заточених (рис. 1, а) та повторно заточених (рис. 1, б) при однакових умовах виконання технологічних процесів, – їх поверхні відрізняються за різною густиною розподілу надтвердих зерен (світлі плями), за кількістю великих і малих плям на поверхні та ін. Фото- графування виконано на неофоті моделі NEOPHOT 21 із збільшенням в 500х. При однаковій величині зе- Аналіз характеристик мікроструктури поверхонь композиційних ріжучих пластин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 3 12 рен (у відповідності з паспортними даними на марку алмазів АСМ 14/10), їх розміри на поверхні змінюються у великих межах (рис. 2, збільшення в 125х). Це підтверджує наведені доводи про випадко- вий характер процесів заточування і розподілу надтвердих зерен. В процесі заточування, зерна періодично викришуються, випадають із в’яжучого матеріалу і при цьому залишають на своєму місці впадини. А зерна, міцність утримання у в’яжучому матеріалі яких вища, ніж сила різання при шліфуванні та сила пружного віджимання технологічної системи верстату для заточування, пересува- ються до поверхні виступів. Це зумовлює наявність на поверхні пластини зерен з різними розмірами, як результат їх послідовного руху до поверхні заточування. Для підтвердження наявності мікронерівностей і аналізу характеру їх розподілу на профілографі - профілометрі моделі 210 заводу “Калібр” отримано профілограми шорсткості робочих поверхонь різних композиційних пластин. Типовий зразок профілограми поверхні пластини алмета показаний на рис. 3. Умови запису профілограми наступні: швидкість паперу – 200 мм /хв.; швидкість датчика 1 мм /хв.; вертикальне збільшення – 40000х. Результа- ти досліджень шорсткості поверхонь ріжучих пластин, заточених за однаковими умовами, показують на- ступну зміну значень стандартних параметрів: 1. Параметр Ra поверхонь пластин із твердого сплаву ВК60М – (0,099, ..., 0,219) мкм; 2. Параметр Sm поверхонь пластин із твердого сплаву ВК60М – (25, ..., 41) мкм; 3. Ra поверхонь пластин алмета – (0,312, ..., 0,562) мкм; 4. Sm поверхонь пластин алмета – (48, ..., 72) мкм. а б Рис. 1 – Мікроструктура робочих поверхонь ріжучих пластин алмета: а – після первинного заточування; б – після повторного заточування, 500х Рис. 2 – Мікроструктура робочої поверхні ріжучої пластини алмета, 125х Більш повний аналіз стандартних параметрів шорсткості робочих поверхонь ріжучих пластин із різних марок інструментальних матеріалів проведено при визначенні їх значень у різних напрямках (по- вздовжньому та поперечному) відносно вершини інструмента та його головної ріжучої кромки на передній і задній поверхнях, що дозволяє зробити висновок про ізотропний вид шорстких поверхонь після заточування. Також, підтверджено висновок про випадковий характер розподілу зерен на поверх- нях заточених пластин. Схема вимірювання параметрів шорсткості на робочих поверхнях ріжучих пла- стин показана на рис. 4. Результати експериментальних досліджень приведені в табл. 1. Рис. 3 – Профілограма робочої поверхні ріжучої пластини алмета Рис. 4 – Схема вимірювання параметрів шорсткості Відсутність кореляційного зв’язку умов тертя обробного і інструментального матеріалів та структурно-енергетичного стану робочих поверхонь інструменту викликає труднощі при обґрунтуванні працездатності композиційних ріжучих пластин. Разом з цим ускладняється прогнозування гарантованих значень періоду стійкості інструментів, коли поряд із випадковим розподілом зерен на робочих поверх- нях композиційних пластин, зустрічаються мікродефекти у вигляді шорсткості, неоднорідності структу- ри тощо [5]. З урахуванням вище приведених доводів про наявність випадкових складових у технологічних процесах підготовки композиційних ріжучих пластин на етапах їх спікання і заточування, на даному етапі досліджень можливе проведення порівняльного аналізу ріжучої властивості інструментів. При цьому необхідно провести дослідження композиційних пластин з високими ріжучими властивостями та прийняти їх як еталонні. Потім, шляхом порівняння відповідних характеристик стану Аналіз характеристик мікроструктури поверхонь композиційних ріжучих пластин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 3 13 робочих поверхонь досліджуваної та еталонної ріжучих пластин, можна робити висновки про очікуваний період стійкості інструментів [6]. За аналогом розгляду шорстких поверхонь, для статистичної характе- ристики відображення досліджуваних поверхонь ріжучих пластин використовують оптичні електронні прилади (ОЕП). В основу дії ОЕП покладено флуктуацію променевого потоку, що відбивається від досліджуваної поверхні пластини при її скануванні. Таблиця 1 Результати досліджень параметрів шорсткості на поверхнях пластин Параметри шорсткості № з/п Матеріал пластини Досліджувана поверхня Ra , мкм Sm , мкм 1 АСПК (ДПНЗ) Задня: від вершини 1 до вершини 2 0,396 0,485 66,7 69,8 2 КНБ (ДПНЗ) Задня: Від кромки 3 До кромки 4 0,087 0,079 42,2 50,0 3 АСПК (ДПНЗ) Передня: Перпендикулярно 5 Паралельно 6 0,401 0,420 63,8 67,9 4 КНБ (ДПНЗ) Передня: Перпендикулярно 5 Паралельно 6 0,261 0,259 56,6 57,5 5 АСПК (ДПНЗ) 0,08 … 0,6 12 … 80 6 КНБ (ДПНЗ) Досліджуваний діапазон для всіх груп пластин 0,06 … 0,3 11 … 60 Проведений аналіз характеристик структурно-енергетичного стану робочих поверхонь композиційних пластин показує наступне. Поверхні пластин можуть мати елементи поглинання (рис. 5), проникаючі (рис. 6) і пластичні (рис. 7) мікродефекти [7]. Складність спектру відбитого світла при контролі поверхні ріжучих пластин потребує спеціальних наукових досліджень з метою вибору тієї чи іншої оптичної системи. З цією метою розглянемо згадані вище три типи елементів поверхні. а б в Рис. 5 – Зображення робочої поверхні ріжучої пластини з мікродефектами поглинання Елементи поглинання змінюють тільки величину потоку світла, яке відбивається від поверхні і від дефектів (рис. 5, а). Обидва відбитих промені у напрямку співпадають з дзеркальним і у цьому випад- ку доцільно застосування тільки одного варіанту розміщення прийомної оптичної системи – у напрямку дзеркального відбиття (рис. 5, б). Відображення поверхні відповідає оригіналу. Ділянки, що відмічені кружками, будуть світлими у разі виконання умов ПД  та ОПОД FF  і темними – при ПД  та ОПОД FF  , де П , Д – коефіцієнти відбиття досліджуваної поверхні і мікродефекту (включень у поверхневому шарі); ПF , ДF , ОПF , ОДF – потужності променів світла, що падають і відбиваються від поверхні та від мікродефекту відповідно (рис. 5, в). Апертура прийомної оптичної системи на контрастність зображення не впливає. Аналіз характеристик мікроструктури поверхонь композиційних ріжучих пластин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 3 14 Проникаючі мікродефекти утворені мікронерівностями за умови hC  , де C – ширина, а h – висота мікронерівностей (рис. 6, а). Вони змінюють напрямок відбитих променів (розсіювання) та їх величину (поглинання) за рахунок багаторазового відбиття від стінок мікродефекту. Оптичною систе- мою, у залежності від апертури, може прийматись: весь відбитий потік  1OC ; тільки дзеркальна  2OC і тільки розсіяна  3OC компоненти (рис. 6, б). Зображення оптичною системою  1OC дає аналогічну картину, як і при наявності елементів поглинання, що показано вище. Із - за багаторазового відбиття від стінок мікродефекту, потужності світлових потоків відрізняються: ОПОД FF  , що відповідає темному зображенню на світловому фоні (рис. 6, в). При цьому контрастність зображення невисока (рис. 8). Зоб- раження системою  3OC виконується за умови, якщо дзеркальна компонента у прийомний канал не попадає 0ОПF . У даному випадку ми отримуємо темне зображення мікродефекту на темному фоні (рис. 6, г). Зображення буде отримано контрастне за умови, якщо ОПОД FF  (рис. 6, д), але при цьому виникають технічні труднощі щодо реалізації системи  2OC , так як дзеркальна компонента виділена у вузьких індикатрисах розсіювання. а б в г д Рис. 6 – Зображення робочих поверхонь ріж учих пластин з проникаючими мікродефектами а б в г д Рис. 7 – Зображення робочої поверхні ріжучої пластини з пластичними мікродефектами Пластичні дефекти утворюються за умови, якщо hC  . У даному випадку проходить однора- зове відбиття випромінювання (рис. 7, а). У випадку наявності однорідного матеріалу досліджуваної поверхні  ПД  , за допомогою оптичної системи 1OC (рис. 7, б) неможливо отримати контрастне зображення мікродефектів (рис. 7, в). Тут виникає необхідність у просторовому розподілі дзеркального і розсіяного потоків. Використання системи 2OC потребує застосування малої апертури прийомної системи, що дає зображення темних мікродефектів на світлому фоні (рис. 7, д). Максимальна контрастність та темне поле забезпечує система 3OC (рис. 7, г) і це завдяки тому, що на пластичних мікродефектах послаблення відбитого потоку незначне. Кути падіння променів особливого значення не мають, так, як із-за великого кута у розсіюванні приймає участь практично вся поверхня мікродефекту. Аналіз характеристик мікроструктури поверхонь композиційних ріжучих пластин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 3 15 Таким чином, оптичні системи використовують розсіяну компоненту відбитого потоку світла і забезпечують максимальну контрастність зображення та мінімальне фонове опромінення фотоприймача. При цьому, мікродефекти можна розглядати як площинні випромінювачі з постійною потужністю освітлення у межах контуру. Це дозволяє призвести розгляд тримірних поверхонь структури робочих по- верхонь композиційних ріжучих пластин до випадку двомірного освітленого поля у площині аналізу ОЕП. Світлий фон (для над- твердих пластин алмета) утворюють надтверді зерна. В’яжучий матеріал, що знаходиться між зернами на їх бокових поверхнях, утворюють однотональну, рівномірно розподілену на всій грані пластини темну поверхню (рис. 1). Тому, враховуючи також пара- метри шорсткості, характеристики структурно-енергетичного ста- ну робочих поверхонь композиційних ріжучих пластин можна оцінювати оптичною системою ОЕП і при цьому використовувати схему зображення поверхонь з елементами поглинання, які характерні для робочих граней пластин за умовою, що ПД  і ОПОД FF  . Отримані результати досліджень є вихідними даними при використанні методології виконання оцінки працездатності ріжучих інструментів за аналізом акустичних характеристик енергетичного стану обробного і інструментального матеріалів із застосуванням диференційного рівняння причинно- наслідкового зв’язку [1 - 3]. Висновки Виконано аналіз характеристик мікроструктури поверхонь композиційних ріжучих пластин. Встановлено, що робочі поверхні пластин, спечені і первинно заточені та повторно заточені при однако- вих умовах виконання технологічних процесів, – їх поверхні відрізняються за різною густиною розподілу надтвердих зерен (світлі плями), за кількістю великих і малих плям на поверхні. Аналіз стандартних параметрів шорсткості робочих поверхонь ріжучих пластин із різних марок композиційних інструментальних матеріалів дозволяє зробити висновок про ізотропний вид шорстких поверхонь після заточування. Також, підтверджено висновок про випадковий характер розподілу зерен на поверхнях за- точених пластин. Враховуючи параметри шорсткості, характеристики структурно-енергетичного стану робочих поверхонь композиційних ріжучих пластин можна оцінювати оптичною системою ОЕП і при цьому використовувати схему зображення поверхонь з елементами поглинання, які характерні для робо- чих граней пластин за умовою, що ПД  і ОПОД FF  . Отримані результати досліджень є вихідними даними при використанні методології виконання оцінки працездатності ріжучих інструментів за аналізом акустичних характеристик енергетичного стану обробного і інструментального матеріалів із застосуванням диференційного рівняння причинно- наслідкового зв’язку. Література 1. Буряк В.Г., Буряк А.В. Показники енергетичного стану матеріалів, що визначають працездатність інструментів // Проблеми трибології. – 2016. – № 2. – С. 54-57. 2. Буряк А.В., Буряк В.Г. Зв’язок фізико-механічних, теплофізичних і акустичних властивостей обробних і інструментальних матеріалів у механообробні // Проблеми трибології. – 2016. – №2.– С.28-33. 3. Буряк В.Г., Буряк А.В. Закономірності зміни складових сили різання та енергетичного стану обробного і інструментального матеріалі в процесі оброблення різанням // Проблеми трибології. – 2017. – № 3. – С. 25-29. 4. Верещагин Л.Ф., Семерчан А.А., Ганкевич Т.Т. и др. Алмет – алмазный компактный матери- ал // Синтетические алмазы. – 1979. - Вып.1. – С. 3-5. 5. Лошак М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. – К.: Наукова думка, 1984. – 328 с. 6. Буряк В.Г., Жительный В.Н., Маслов В.П. Контроль рабочих поверхностей композиционных режущих пластин // Применение лазеров. – Таллин: ТПИ. – 1987. – С. 51. 7. Оценка режущих свойств инструментов статистическими методами / Буряк В.Г., Маслов В.П., Михеенко Л.А. – Хмельницкий, 1988. – 15с. – Рус. – Деп. в УкрНИИНТИ 24.01.89, №374 – Ук 89. Надійшла в редакцію 16.08.2018 Рис. 8 – Зображення робочої поверхні композиційної ріжучої пластини (зображення не контрастне) Аналіз характеристик мікроструктури поверхонь композиційних ріжучих пластин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 3 16 Buryak V.G., Buryak V.V, Drapak L.S., Buryak A.V. Analysis of microstructure characteristics of surfaces of composite cutting plates. An analysis of the characteristics of the microstructure of the surfaces of composite cutting plates is carried out. The results of investigations of the microstructure change of the working surfaces of sintered and primary and reattached plates are considered. It was established that the working surfaces of plates, sintered and primed ground and re-grounded un- der the same conditions of technological processes, - their surfaces differ in different density of distribution of super hard grains (light spots), in the number of large and small spots on the surface. An analysis of the standard roughness parameters of the working surfaces of cutting plates from different brands of composite tool materials allows us to conclude that the iso- tropic kind of rough surfaces after sharpening. Taking into account the roughness parameters, the characteristics of the structural and energy state of the working surfaces of the composite cutting plates can be estimated by the optical system of electronic devices, while using the image diagram of the surfaces with the elements of absorption, The obtained research results are the initial data when using the methodology of performance evaluation of cutting tools by analyzing the acoustic characteristics of the energy state of processing and instrumental materials using the differential equation of cause and effect relationship. Key words: cutting machining, microstructure of working surfaces of cutting plates, acoustic properties of materials, causal relationship, wear. References 1. Buryak V.G., Buryak A.V. Pokazny`ky` energety`chnogo stanu materialiv, shho vy`znachayut` pracezdatnist` instrumentiv. Problemi tribologі. 2016. № 2. S. 54-57. 2. Buryak A.V., Buryak V.G. Zv'yazok fizy`ko-mexanichny`x, teplofizy`chny`x i akusty`chny`x vlasty`vostej obrobny`x i instrumental`ny`x materialiv u mexanoobrobni. Problemy` try`bologiyi. 2016. №2. S.28-33. 3. Buryak V.G., Buryak A.V. Zakonomіrnostі zmіni skladovih sili rіzannya ta energetichnogo stanu obrobnogo і іnstrumental'nogo materіalі v procesі obroblennya rіzannyam. Problemi tribologії. 2017. № 2. S. 79-85. 4. Vereschagin L.F., Semerchan A.A., Gankevich T.T. i dr. Almet – almaznyiy kompaktnyiy material. Sinteticheskie almazyi. 1979. Vyip.1. S. 3-5. 5. Loshak M.G. Prochnost i dolgovechnost tverdyih splavov.– K.: Naukova dumka, 1984. 328 s. 6. Buryak V.G., Zhitelnyiy V.N., Maslov V.P. Kontrol rabochih poverhnostey kompozitsionnyih rezhuschih plastin. Primenenie lazerov. Tallin: TPI. 1987. S. 51. 7. Otsenka rezhuschih svoystv instrumentov statisticheskimi metodami / Buryak V.G., Maslov V.P., Miheenko L.A. Hmelnitskiy, 1988. 15s. Rus. Dep. v UkrNIINTI 24.01.89, #374 – Uk 89.