сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 620.178.169 Прочие методы испытаний на износ
УДК 621.941.025.7 Твердосплавные, керамические и алмазные токарные резцы (токарные резцы, оснащенные пластинками)
Представлены исследования дорожной фрезы, в частности, ее резца. Показано, что твердосплавный наконечник резца дорожной фрезы подвержен износу в процессе эксплуатации. Дан обзор исследований по повышению износостойкости резца. Установлено, что твердосплавный наконечник резца, изготовленный из вольфрамокобальтового сплава, определяет ресурс работы резца. Предложено обработать поверхность твердосплавного наконечника резца лазерным излучением малой интенсивности. Лазерную обработку проводили при нескольких режимах изменяя длину волны и мощность излучения при постоянных площади пятна контакта и частоте излучения. Установлено, что число пор на поверхности наконечника твердосплавного резца, измеренные по ГОСТ 9391-80, становится меньше. В связи с определением числа пор в соответствии с ГОСТ 9391-80 визуальным методом принято решение определения число пор посредством исследования проводимости участка поверхности на атомно-силовом микроскопе. При этом считалось, что отсутствие проводимости в заданном диапазоне, свидетельствует о наличие поры. Установлено, что при длине волны 50 нм, мощности 25 Вт, площади пятна контакта 0,05 мм2 и частоте излучения 30 Гц значительно уменьшается число пор. Даны предположения о причинах уменьшения числа пор, связанные с активацией молекул в матрице в области наибольшего скопления пор, в частности в данном случае вблизи кобальтовой связки. Проведены испытания на износ на разработанной установке, позволяющей имитировать работу дорожной фрезы. Установлено, что при выработке асфальтового покрытия на глубину 450 мм образец, обладающей меньшим числом пор, по сравнению с другими, изнашивается значительно медленнее.
твердый сплав, лазерная обработка, резец, износ, пористость
Введение
Повышению износостойкости и долговечности твердосплавных резцов дорожной фрезы посвящено большое число работ. Так, предложено использование ионно-плазменной и ионно-лучевой обработок для повышения износостойкости резцов дорожных фрез [3]. Некоторые исследователи рассматривают химико-термическую обработку в качестве меры повышения долговечности корпуса резцов дорожной фрезы [4]. Проводятся исследования влияние на структуру и свойства твердых сплавов наноразмерных углеродных добавок [5]. В работе [6] разработан алгоритм оценки долговечности вращающихся резцов с износостойкими вставками сложной формы, применяющимися в дорожных фрезах, основанный на форме вставки, предельном значении линейного параметра износа, угла между линией резания и осью вращения резца, радиуса дорожной фрезы, глубины разрабатываемой траншеи и обобщённого параметра абразивности. Исследуется сила сопротивления резанию при фрезеровании асфальтобетона и ее влияние на износ [7]. В этой связи целью настоящей статьи является увеличение разработка технологии повышения износостойкости резца дорожной фрезы с наконечником из вольфрамокобальтого твердого сплава.
Материалы и методы
Объектом исследования является твердосплавный резец дорожной фрезы, с вольфрамокобальтовым твердосплавным наконечником. Снимок резца с завода изготовителя представлен на рис. 1, а, а на рис. 2, б ‒ снимок изношенного резца. Часть наконечников образцов была подвержена лазерной обработке различной интенсивности: длине волн 25…75 нм, мощности 20…30 Ватт, площади пятна лазерного луча (контакта) 0,05 мм2;
частоте излучения 30 Гц. Плотность мощности лазерного излучения 400…600 Ватт/мм2.
Скорость относительного перемещения лазерного излучения по поверхности наконечника 2…3,5 мкм/с.
Испытания на износ проводили на спроектированной установке, имитирующей работу барабана дорожной фрезы (рис. 2). Установка оснащена барабаном, содержащим 3 резца, расположенным так, что в установке резцы перемещаются относительно срезаемого контртела также, как в реальных условиях. То есть резцы, совершая вращательные движения на барабане, врезаются в абразивный материал (контртело) под углом к нормали. Такое расположение резцов позволяет осуществлять ровный срез, как и происходит в реальных условиях. Испытания проводили до углубления резцов в асфальтовое покрытие на глубину
450 мм. Барабан с резцами подводили к асфальтовому покрытию с помощью системы рычагов (рис. 3). Асфальтобетонную смесь изготавливали в соответствии с ГОСТ Р 58406.2-20
(рис. 4). Пористость асфальтобетонной смеси находилась в пределах 1,0…2,5 %. С целью ускорения испытаний в качестве минеральных зерен смеси использовали гравийные зерна со средним размером зерна 40 мм.
Износ резцов контролируется весовым методом, посредством измерения массы резцов до и после процесса испытаний. Резец дорожной фрезы, поставленной заводом
изготовителем, имеет массу 321,6 гр. (Wirtgen HT3/HT11).
Пористость по ГОСТ 9391-80 определяли на микроскопе Leica DM750 при увеличении 100 крат. Также с целью определения пористости проводили исследования поверхности на атомно-силовом микроскопе (АСМ) Femtoscan. Возможность определения пористости на АСМ заключается в следующем. В каждой точке поверхности X и Y снимается силовая кривая – зависимость силы взаимодействия между зондом и изучаемой поверхностью от расстояния Z между ними. Обычно записываются две кривые: одна соответствует сближению зонда с поверхностью, вторая – их взаимному удалению. Получается массив кривых размером 128×128, 256×256 или 512×512. В работе [ 9] показано, что пленки на поверхности на основе сополимеров ДАДФО:ДАДФАСК и ПАСК:ПЭА характеризуются наличием дефектов средним радиусом 70…90 нм, содержание которых изменяется от 4 до 6 % от всей площади поверхности образца. Подобные дефектные области, вероятно, представляют собой крупные межгелевые фрагменты, не содержащие функциональных групп, и поэтому не могут рассматриваться как проводящие каналы, несмотря на высокую диффузионную подвижность малых молекул воды или спиртов в них. Таким образом,
имеется возможность определения пористости на АСМ.
Результаты и обсуждение
Из шести образцов пять были подвергнуты лазерной обработке различной мощностью и длиной волны. Учитывая конструкцию испытательной установки – каждый образец состоял из трех резцов. Для определения числа пор использовалось понятие пористость и методика исследования по ГОСТ 9391-80. При изучении снимков микрошлифов при увеличении (×100) установлено, что пористость уменьшилась (рис. 5). Диапазон значений пористости образцов приведена в табл. 1.
Следует отметить, что сравнение пористости по ГОСТ 9391-80 представляет сложную задачу для образцов со схожей визуализацией пор на шлифе. Поверхность наконечника твердосплавного резца дорожной фрезы, изготовленной из вольфрамокобальтового сплава, подвергалась лазерной обработке малой интенсивности с целью селективного возбуждения молекул и уменьшения числа пор. Возможность фокусировки лазерного излучения позволяет вводить энергию в определенную область объема. Монохромность лазерного излучения позволяет селективно возбуждать молекулы одного вида. Режимы лазерного излучения подобраны (табл. 2) при которых происходит активация молекул в матрице в области наибольшего скопления пор, в частности в данном случае вблизи кобальтовой связки. В результате происходит сплавление металлической основы на некоторой глубине от поверхности, и как следствие закрытие пор (рис. 6, рис. 7). В этой связи была исследована проводимость поверхности наконечников твердосплавного резца на АСМ Femtoscan. При отсутствии проводимости принималось, что в данном месте существует пора.
При сопоставлении рис. 6 и 7 хорошо видны участки с низкой проводимостью, которые являются более темными. При этом
на рис. 6 отчетливо видны кристаллиты, которых не видно на рис. 7. Различие участков по проводимости обусловлено различной проводимостью различных карбидов и связующего элемента. Совсем черные участки обладают нулевой проводимостью и вероятнее всего являются порами между кристаллитами, полученными при спекании твердого сплава.
Так, образец № 1, не обработанный лазером, имел пористость А 0,4. Далее изменяли мощность лазера, при остальных неизменных параметрах, при которых: при мощности
20 Вт (образец № 2) пористость уменьшилась до А 0,2; при мощности 25 Вт (образец № 3) – А 0,04; при мощности 30 Вт (образец № 4) –
А 0,2. Установлено, что при значении мощности в 25 Вт (образец № 3) достигается наименьшая пористость. Далее при данном значении мощности варьировалась длина волны: при длине волны 25 нм. (образец № 5) пористость составила А 0,4, при длине волны 75 нм. (образец № 6) – А 0,4. Так как изменение длины волны не привело к изменению пористости по сравнению с образцом № 1, который не подвергался обработке лазером, установлены рациональные режимы лазерной обработки для уменьшения пористости твердосплавного резца дорожной фрезы, изготовленного из вольфрамокобальтового сплава.
Таким образом, на износ испытывали образцы № 1 и № 3 (табл. 2). Результаты испытаний сведены в одну табл. 3. Из таблицы видно, что за выработку слоя асфальта глубиной 450 мм резцы № 1 износились в среднем на 18,2 г, резцы № 3 – 9,2 г.
По средним значениям наименьшая потеря массы наблюдается у образца № 3. Наибольшая потеря массы, по средним значениям, у образцов № 1 и № 5, следовательно, выбранный режим лазерной обработки для образца № 5 не приводит к уменьшению износа резца.
Заключение
При исследовании структуры материала твердосплавного резца дорожной фрезы выполнено определение пористости поверхности. На образце, обработанном лазером число черных участков значительно меньше. Таким образом лазерная обработка твердого сплава позволяет уменьшить число пор. Испытания на износ показали, что образцы, обработанные лазером и, соответственно, имеющие меньшую пористость за выработку слоя асфальта глубиной 450 мм износились в среднем на 9,2 г, резцы, без дополнительной обработки – 18,2 г.
1. Рамазанов Г.Х. Износ инструмента дорожной фрезы и модели эффективности резания // Наукоемкие технологи в машиностроении. № 1. 2023. С. 42−48.
2. Рамазанов Г.Х. Проблема износостойкости резца дорожной фрезы // Строительные и дорожные машины. № 3. 2023. С. 24−26.
3. Кирюшкина Н.А., Орлов П.В. Применение ионно-плазменной и ионно-лучевой обработок для повышения износостойкости резцов дорожных фрез // Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, Омск, 08–09 февраля 2017 года / Министерство образования и науки Российской Федерации; Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ). Омск: Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ), 2017. С. 239−244. EDN YSWHDP.
4. Кузнецов К.Ю., Колмыков В.И., Кузнецова Л.П. О возможности повышения долговечности корпуса резцов дорожной фрезы химико-термической обработкой // Современные материалы, техника и технологии. 2024. № 2 (53). С. 34−43. EDN WMWQME.
5. Витязь П.А., Жорник В.И., Ковалева С.А., Кукареко В.А. Изменение структуры и свойств спеченных сплавов под влиянием наноразмерных углеродных добавок. // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. С. 12−18. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2014-4-12-18
6. Осипов С.П., Школный А.Н., Бида К.Б., Мальков А.В. Оценка долговечности вращающихся резцов с износостойкими вставками произвольной формы // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2014. № 5 (46). С. 167−174. EDN STBMMR.
7. Фурманов Д.В., Шамахов Л.М., Лысаков Н.Э. Влияние износа режущего элемента дорожной фрезы на силу сопротивления резанию асфальтобетона // Вестник СибАДИ. 2023 Т. 20, № 2 (90). С. 204−216. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-2-204-216
8. Патент на изобретение № 218066 Устройство для испытаний на износ дорожной фрезы. Заявлено 13.12.2022г. Получено 04.05.2023г. Автор Рамазанов Г.Х.
9. Дьяконова О.В., Соколова С.А., Зяблов А.Н. Структурные характеристики поверхностей мембранных материалов различной химической природы по данным сканирующей зондовой микроскопии // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2011. № 4 (31). С. 55−58.
