Диссертация (1173087), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

Однако сплошное покрытие, наносимое на режущийинструмент, разрушается в результате высоких контактных силовых итемпературных нагрузок.Одной из причин преждевременного разрушения покрытия являетсявозникновение критических напряжений на границе раздела «покрытие –основа»притермомеханическомнагруженииконтактныхплощадокинструмента. Эти напряжения зависят от разницы теплофизических и55физико-механических свойств материалов износостойкого покрытия иинструмента, собственных микронапряжений инструментального материалапосле полной термообработки.Для повышения долговечности режущего инструмента с покрытием,необходим новый метод нанесения покрытия, способствующий увеличениюзапаса прочности и жесткости, снижению склонности режущего клинаинструмента к потере формоустойчивости и термопластическим прогибампри приложении термомеханических напряжений, возникающих в процессеобработки.Нанесение диффузионного покрытия на режущий инструмент оказываетвлияниенетольконамеханическиеегосвойства,увеличиваяизносостойкость, но и прочность инструмента в целом, за счет увеличенияего жесткости [52,53].

Однако использование локального (ячеистого)диффузионного покрытия облегчает условия для релаксации напряжений наповерхностях режущего инструмента. Такое перераспределение напряженийувеличиваеттрещиностойкостьобусловленноеналичиемпокрытиявраспределенныхпоцелом,впокрытиютомчислепрепятствийповерхностному распространению его трещин в виде границ с ячеистойструктурой без покрытия. Наложение на технологические, имеющиеслучайныйхарактер,неоднородностирельефарежущейкромкигеометрически упорядоченного покрытия приводит к дозированию еерабочей части с периодическим чередованием наиболее напряженных зон ввиде выступов с покрытием.

И менее напряженных зон в виде впадин безпокрытия. При этом возможность изменения геометрических характеристикячеистости на стадии нанесения покрытия подразумевает возможностьрегулирования соотношения между протяженностями вышеупомянутых зонпо длине контакта режущей кромки инструмента. Отметим, что подобнаявозможность отсутствует для случая технологических неоднородностей,рассмотренных в работах Барзова А.А.

[54] применительно к проблеме56фрикционного изнашивания с участием локальных зон фактическогоконтакта, упрощающая версия представлена на рисунке 2.1.Рисунок 2.1–Расчетная схема износа контактной поверхности с учетомисходной поврежденности материаловДискретным (локальным) покрытием будем называть геометрическиупорядоченную совокупность локальных зон с покрытием и области безпокрытия между ними. Одной из мотиваций такого структурированияпокрытия является возможность использования эффекта торможения, и дажеостановки образовавшейся в процессе эксплуатации покрытия локальнойтрещины методом создания на пути ее распространения границы раздела спониженным значением модуля упругости. При этом общее уменьшениемодуля упругости образца за счет ячеистости покрытия может служитьинтегральнойхарактеристикойегоспособностипрепятствоватьраспространению трещин.

Предполагается, что ячеистость покрытия будетспособствоватьувеличениюегоэксплуатационнойстойкостикдеформационным модификациям за счет независимости деформационныхповреждений отдельных его ячеек.Особенностью ячеистой модели образца, (см. рисунок 2.1) являетсяопределение его свойств посредством определения свойств одной ячейки.572.1 Разработка теоретической модели долговечности образца сдискретным диффузионным покрытиемВвиду отсутствия известных публикаций по сопоставлению свойствсплошных и локальных покрытий в качестве первого шага был осуществлентеоретический анализ влияния ячеистости покрытий на прочностныесвойства образца по отношению к деформации растяжения.

Анализпроводился на основе теоретической модели упругого деформированияобразца из произвольного инструментального материала с исходнойгеометрией прямоугольного параллелепипеда длиной LИ, ширинойНИ итолщиной hИ, (см. рисунок 2.2). При этом предполагалось, что поверхность LИхНИ недеформированного образца может быть представлена в виде набораусловных квадратных ячеек со стороной l, когдаLИ = n1• l и НИ = n2• lгде n1 и n2 – соответственно количество элементарных ячеек в продольном ипоперечном направлениях по отношению к растягивающей нагрузке P.Рисунок 2.2–Теоретическая модель плоского образца с локальным(ячеистым) покрытием58Предположим, что на одну из поверхностей образца нанесеноизносостойкое покрытие толщиной hП c использованием маскирующей сетки,а образующиеся поперечные и продольные маскирующие полосы имеютширину lS1 и lS2 соответственно. При этом геометрия согласована с условнымиячейками таким образом, что внутри каждой ячейки поверхность покрытияимеет вид примыкающего к ее левому нижнему углу прямоугольника состоронами lП1 и lП2lП1 = l - lS1в направлении действующей нагрузки иlП2 = l - lS2в поперечном к ней направлении, (см.

рисунок 2.2), где lП1хlП2 – размерыпрямоугольной площади с покрытием для элементарной ячейки, hП толщинапокрытия.Результатомописанныхгеометрическихидеализацийявляетсявозможность объемного представления элементарной ячейки в видеусловного набора трех прямоугольных параллелепипедов №1, №2 и №3,обладающих различными площадями поперечных сечений Si и продольнымиразмерами li*, (см. рисунок 2.3).Рисунок 2.3плоского образца–Модель одной элементарной ячейки идеализированногоНарисунке2.3показаны59площадиоснованийпрямоугольныхпараллелепипедов №№1, 2 и 3 образующих элементарную ячейку с учетомналичия покрытия, при этом hП  hИ. Наполнением параллелепипедов №2 и№3 – служит инструментальный материал, а параллелепипеда №1 инструментальныйматериал иматериалпокрытия.Таким образом,параллелепипед №1 сам может рассматриваться как составленный из двухпрямоугольных параллелепипедов №1′ и №1′′ c одинаковыми продольнымиразмерами li*, но обладающих различными поперечными сечениями инаполнениями. При этом:S = l • hИ = S1′ + S3,- площадь основания элементарной ячейки без покрытия.S1 = S1′ + S1′′ = (1 + hП/hИ) • (1 - lS2/l) • S,- площадь основания параллелепипеда №1.S1′ = lП2 • hИ = (1 - lS2/l) • S,-площадьоснованияпараллелепипеда№1′(наполнитель–инструментальный материал).S1′′ = lП2 • hП = hП/hИ (1 - lS2/l) • S,- площадь основания параллелепипеда №1′′ (наполнитель – покрытие).S2 = lП2 • hИ = (1 - lS2/l) • S = S1′,- площадь основания параллелепипеда №2.S3 = lS2 • hИ= (lS2/l) • S,- площадь основания параллелепипеда №3.Исходя, из выше сказанного можно отметить, что идеализированнаямодель продольного деформирования плоского образца с локальнымпокрытием имеет следующие допущения:- растягивающая нагрузка P равномерно распределена по составленнымиз элементных ячеек продольным полосам длиной LИ в количестве n2;- продольные и поперечные деформации всех элементарных ячеек равнымежду собой и происходят без нарушения геометрической структуры,60изображенной на рисунке 2.2, а значит и общих границ соприкасающихсяповерхностей инструментального материала и покрытия;- инструментальный материал и покрытие рассматриваются каксплошные однородные среды.Тогда выражение для нагрузки, приходящейся на одну полосу, равно каки на одну элементарную ячейку, имеет видр = Р/ n2 = (Р/ НИ) • l,и для относительной продольной деформации ε одной продольной полосы,имеем:L иn   1,Lиn1При этом эффективная жесткость по отношению к растяжению для всегообразца КЭ оказывается связанной с эффективной жесткостью одной ячейкиkэ соотношением:КЭ = Р/ε = (р/ε) • n2 = kЭ• n2 ,где КЭ – эффективная жесткость для всего образца; kЭ – эффективнаяжесткость для одной элементарной ячейки.KЭ = EИПS • S = (ЕИПS/ЕИ ) • kИ,где ЕИ – модуль Юнга инструментального материала; ЕИПS – эффективныймодуль Юнга для образца из инструментального материала с локальнымпокрытием поверхности; kИ = EИ•S – жесткость для одной элементарнойячейки без покрытия.Очевидно, что эффективная жесткость одной элементарной ячейкидолжнаопределятьсячерезжесткостивходящихвеесоставпараллелепипедов №№ 1′, 1′′, 1, 2 и 3.

Определим k1Э выражением:k1Э = EИП • S1′ = (EИП/ EИ ) • (1 - lS2/l) • kИ,где k1Э - эффективная жесткость для параллелепипеда №1 (комплекс из №1′ и№1′′); EИП – эффективный модуль Юнга для образца из инструментальногоматериала со сплошным покрытием поверхности. При этом:k1′ = EИ • S1′ = (1 - lS2/l) • kИ61–жесткость параллелепипеда №1′ .k1′′ = EП • S1′′ = [(EП/ EИ ) • (hП/hИ)] • (1 - lS2/l) • kИ–жесткость параллелепипеда №1′′; EП - модуль Юнга материала покрытия.k2 = EП • S2 = (1 - lS2/l) • kИ = k1′–жесткость для параллелепипеда №2.k12Э = E12Э • S1′ = (E12Э/ EИ ) • (1 - lS2/l) • kИ–эффективная жесткость для комплекса из параллелепипедов №1 и №2; E12Э–эффективный модуль Юнга для комплекса из параллелепипедов №1 и №2.k3 = EИ • S3 = (lS2/l) • kИ–жесткость для параллелепипеда № 3.Для определения прочностных свойств элементарной ячейки прирастягивающей нагрузке, выразим продольную нагрузку р, действующую наэлементарную ячейку, посредством суммы двух составляющих рисунке 2.4.р = р12 + р3где р12 – компонента р, действующая на комплекс из параллелепипедов №1 и№2; р3 – компонента р, действующая на параллелепипед №3.

Характеристики

Список файлов диссертации