УДК 621.91.762

   Изучение влияния физических механизмов термомеханического воздействия сходящего потока стружки на контактную поверхность резца имеет большое научно-практическое значение для выбора оптимальных режимов резания, при которых контактный слой передней поверхности инструмента в процессе обработки под воздействием высоких давлений и температур претерпевает структурные изменения. Сплавы железа являются наиболее перспективными материалами в технике, поэтому представляется актуальным изыскание особенностей, заложенных в природе этих сплавов, и их использование для улучшения эксплуатационных свойств инструмента, в частности, для увеличения его резерва прочности [1-4]. Повышение эффективности использования термомеханической обработки (ТМО) в процессе резания возможно лишь путём глубокого изучения процессов изменения строения и свойств контактных слоев инструментального материала для выбранной пары резец - обрабатываемая сталь. При этом наличие несовершенств реального строения в кинематике и механизме структурно-фазовых превращений приводит к целесообразности использования и регулирования плотности и характера распределения в инструментальном материале дислокаций, являющихся результатом термомеханического воздействия. Рациональное регламентирование несовершенств структур в контактных слоях инструмента в процессе резания по выявленным режимам при соответствующих внешних силовых воздействиях и температурах позволит улучшить тонкое строение этих слоев и повысить эксплуатационные свойства инструмента.
   Эксперименты проводились на многоцелевом токарном станке, оснащенном вариатором ВР-1 для плавного регулирования скоростей. Микрофотографирование структурных изменений проводилось металлографическим микроскопом МИМ-8. При этом структурные изменения оценивались измерением микротвердости (использовался микротвердомер ПМТ-3). Микрофотографирование структур и измерение микротвердости проводились в зависимости от продолжительности работы инструмента по нормальному сечению, примерно по центру лунки, на микрошлифах резцов, изготовленных из быстрорежущей стали Р18 и безуглеродистых быстрорежущих сплавов В14М7К25, при обработке стали 45.

Рис.1. Зависимость составляющих сил резания (а) и усадки стружки (б) от скорости резания.

В широком диапазоне изменения параметров резания (V, S, t) найдены силовые характеристики, при которых на контакте передней поверхности действовали необходимые давления и температуры. Вследствие этого на тонких слоях контакта резца происходили пластические деформации, а в результате - накопление дислокаций и структурные изменения, повышающие физико-механические свойства тонких приконтактных слоев.
   Целью работы является исследование и определение наивыгоднейших режимов резания для упрочнения и улучшения структуры поверхностно-контактных слоев инструмента и достижения максимального эффекта естественной самоорганизующейся ТМО.
   В процессе исследования установлено, что для усиления эффекта естественной ТМО необходимо определить режимы резания, при которых составляющие силы резания наибольшие (рис. 1), что позволит к изыскать режимы, при которых деформация на передней поверхности наибольшая. Это - режимы, когда составляющие силы резания и усадка стружки имеют максимальные значения, что приводит к наибольшей деформации сходящего потока по передней поверхности. Как показывают экспериментальные данные, при резании стали 45 резцами из Р18, таким скоростям соответствуют V = 10 м/мин или V = 40 м/мин, а при резании резцами из В14М7К25 - V = 10 м/мин или V = 50 м/мин (рис.1,а). При этом значение усадки как качественная характеристика деформации сходящей стружки коррелирует с изменениями силы резания (рис. 1, б).

   Испытания обоих инструментов проводились на скоростях 10 м/мин с продолжительностью 3, 5 и 10 мин. Результаты показали, что оптимальным является испытание резцов с воздействием деформирующих силовых нагрузок продолжительностью 5 мин, так как в случае 3 мин глубина проникновения деформации и толщина слоя измененной структуры оказываются недостаточными. При 10 мин толщина структурно-измененного слоя практически мало отличалась от предыдущих экспериментов, а микротвердость контактного слоя не претерпевала существенных изменений.
   На рис. 2 показаны результаты работы резца из Р18 после полного технологического цикла, т.е. изменения его микротвердости от продолжительности работы в разных стадиях естественной самоорганизующейся низкотемпературной ТМО (ЕСНТМО). По сути, при испытании 5 мин, что примерно совпадает с периодом приработки (рис. 2, в), обнаружено повышение микротвердости на микротолщинах приконтактных тонких слоев инструмента соответственно на 220 и 150 HV по сравнению с матричной для Р18 - 900 HV и В14М7К25 - 1050 HV (рис. 2, а). В конце начальной стадии

работы резца, при оптимальных режимах резания, когда продолжается II окончательная стадия ЕСНТМО (рис. 2, б), микротвердость тонких слоев на контакте и особенно на участке пластического контакта доходит в среднем до 1100...1110 HV, что на 20...30 HV ниже предварительной ЕСНТМО, но выше матричного на 200 HV для резцов из Р18. Структура этих слоев становится более мелкозернистой и дисперсной, что приводит к повышению твердости, теплостойкости, прочности и сопротивления изнашиванию контактной поверхности. Это является результатом интенсивной пластической деформации и сдвиговых механизмов (рис. 3).
   На рис. 3 представлены металлографические микрофотографии, на которых видны изменения структуры после общепринятой в практике термической обработки (ТО) (рис. 3, а) в результате I стадии ЕСНТМО (рис. 3, б), а также после полигонизационного отжига (ПО) и II стадии ЕСНТМО (рис. 3, в). При этом в зависимости от технологического цикла ЕСНТМО, по сравнению с ТО (рис. 3, а), наблюдается повышение мелкозернистости и улучшение дисперсности структуры.

   После указанной предварительной ТМО инструмент с улучшенными качествами продолжает работать при исследованных оптимальных режимах резания, соответствующих 60-минутной стойкости, с использованием эффекта ЕСНТМО. В начальной стадии обработки при оптимальных режимах резания и практически до конца установившегося износа (рис.2, а,б) полученные качества инструмента сохраняются.
   Предварительная обработка, как показали эксперименты, приводит к структурной тренировке состояния при воздействии более высоких деформационно-температурных режимов, что увеличивает стабильность и стойкость дисперной субструктуры (рис.3,б). В первой стадии, вследствие переменной интенсивной пластической деформации, происходит формирование мелкозернистой структуры, а во второй стадии (после промежуточного полигонизационного отжига) продолжает действовать ЕСНТМО поверхностных слоев. В результате структура становится еще мельче, с повышением прочности тонких слоев, но при этом микротвердость в обоих случаях снижается на 20 HV. Это происходит за счет отжига и пластической деформации при более высоких температурах, доходящих до 600, 750^oС и выше, соответственно, для резцов из Р18 и В14М7К25.
   Нами рассмотрены также возможности применения ТМО для повышения стойкости углеродистых и безуглеродистых быстрорежущих сталей и сплавов, что связано с высокой температурой закалки этих сталей, приводящей к рекристаллизации при использовании высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО), а также с тем, что реализация НТМО ограничена возможностями деформации высокопрочных быстрорежущих материалов при низких температурах. Выходом из положения может стать использование ЕСНТМО, не требующее дополнительных усилий и оборудовния. Однако в дальнейшем потребуется дополнительное изучение новых направлений развития теории и практики технологии ТМО с целью управления структурой и получения требуемых специальных свойств на контактных поверхностях высокопрочных инструментальных материалов.
   Для создания полигонизованной субструктуры, снижения релаксации пиковых напряжений и стабилизации полученной оптимальной мелкозернистой структуры, после кратковременного резания при режимах наибольшего давления, с целью создания максимального эффекта самоорганизующейся естественной НТМО, необходимо провести кратковременный полигонизационный отжиг при температурах 500...600⁰С с выдержкой 20...25 мин. В результате установлено увеличение износостойкости инструмента в 1.5...2 раза и теплостойкости на 15...20⁰С, а также уменьшение интеркристаллической хрупкости и интенсивности износа. Одновременно снижается процесс выкрашивания твердых частиц карбидных и интерметаллидных фаз.
   Аналогично с процессами поверхностно-пластического деформирования (ППД) [1,3] при режимах V = 10 м/мин, S = 0.3 мм/об, t = 2.0 мм в первой стадии технологического цикла ЕСНТМО происходит интенсивная пластическая деформация приконтактных слоев вследствие накопления дислокаций и сдвигов субзеренных структур (рис.2,б). При указанных режимах на контакте передней поверхности действуют наибольшие силы резания и соответственно происходят значительные деформации сдвигающей стружки, под воздействием которых интенсивно деформируется приконтактный слой передней поверхности резца. В результате процесса ЕСНТМО с интенсивной микропластической деформацией получен слой в течение 5 мин работы резца под воздействием максимальных составляющих силы резания соответственно 1700 Н при работе резцами из В14М7К25 и 1600 Н - резцами из Р18 (рис.1). В дальнейшем, с целью стабилизации полученной структуры, производится полигонизационный отжиг, что приводит к плавному снижению напряженного состояния переходной фазы, при температурах 450 и 550⁰С с выдержкой 20 и 30 мин соответственно, со снижением микротвердости на 20...30 HV. После этого начинается эксплуатация на найденных режимах резания, при которых также продолжается процесс ЕСНТМО в малых толщинах контактной поверхности резца с измельчением уже мелкозернистой структуры, полученнной после I стадии специальной ЕСНТМО и полигонизационного отжига.
   Измерения микротвердости показали повышение твердости приконтактных слоев в конце зоны приработки на 200 HV для резцов из Р18 по сравнению с матричной микротвердостью, что является результатом ЕСНТМО, сохраняющей прочность и износостойкость вплоть до конца установившегося износа от продолжительности работы резца (рис.2). Аналогичные качественные характеристики получены при обработке резцами из В14М7К25.
   Одновременно выявлено, что качество поверхностно-контактных тонких слоев тех же резцов при работе в оптимальных режимах без предварительной ЕСНТМО оказалось более низким, что доказывает правомерность проведенния технологического цикла, заключающегося в предварительном кратковременном силовом и тепловом воздействии на контактные поверхности. Результаты проведенного исследования свидетельствуют, что по существу мы имеем дело с принципиально новым явлением, которое позволяет естественным путем достичь повышения комплекса физико-механических свойств инструментов из быстрорежущих сталей и безуглеродистых быстрорежущих сплавов путем ЕСНТМО с применением деформационно-тепловых воздействий на рабочие контактные слои в процессе работы инструмента с помощью управления параметрами режимов резания.

   Государственный инженерный университет Армении