CC BY
14
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2005 р. Вип. № 15
УДК 620.22:539.4
Девин Л.Н.1, Губа A.B.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УДАРНЫХ НАГРУЗОК НА ПРОЧНОСТЬ ХРУПКИХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рассмотрены особенности испытаний хрупких инструментальных материалов на прочность при скорости нагружения 0,1-5 м/с на установке, оснащенной мерными стержнями Гопкинсона-Кольского. Экспериментально установлено, что среди существующих материалов имеются такие, прочность которых с увеличением скорости нагружения возрастает. Предложено эти материалы использовать для инструментов, работающих при ударных нагрузках.
Большие статические и динамические нагрузки, продольные и поперечные колебания, высокие температуры в области контакта инструмента с обрабатываемой деталью приводят к тому, что в лезвийных инструментах в процессе резания возникают напряжения, достигающие предела прочности инструментального материала [1]. В связи с этим остро возникает вопрос оценки влияния условий нагружения на механические свойства хрупких инструментальных материалов. Вопросам влияния температуры на прочность и трещиностойкость таких материалов посвящено большое количество работ [1, 2, 3, 4]. Однако, влияние скорости нагружения на прочность хрупких материалов изучено недостаточно.
Для определения прочностных характеристик металлов и сплавов в условиях динамического нагружения (при скоростях от 0,1 до 5 м/с), как правило, используются маятниковые и ротационные копры [5], отличающиеся конструктивными особенностями и методами обработки диаграмм "нагрузка-деформация". Однако в случае испытания хрупких материалов с высоким модулем упругости, какими являются большинство инструментальных материалов, маятниковые и ротационные копры имеют большие осцилляции на диаграмме "нагрузка-деформация". Эти осцилляции вызваны колебательными процессами, возникающими в ноже ударного устройства в момент удара по образцу. Наличие таких осцилляций приводит к невозможности определения истинного значения разрушающей нагрузки, необходимой для расчета пределов прочности.
Целью работы является усовершенствование методики определения прочности хрупких инструментальных материалов. В качестве базовой измерительной системы нами были взяты мерные стержни Гопкинсона-Кольского [2]. При их использовании обычно регистрируют прямой, отраженный и прошедший через образец ударные импульсы. В такой измерительной системе в процессе нагружения практически отсутствуют осцилляции нагрузки, свойственные маятниковым и ротационным копрам, а критическое значение разрушающей силы определяется путем измерения амплитудного значения импульса прошедшего через образец.
Для достижения поставленных целей в ИСМ НАНУ была разработана и изготовлена установка для определения прочности и трещиностойкости хрупких материалов — вертикальный копер с падающим грузом. Он предназначен для определения механических свойств твердосплавных и других видов хрупких инструментальных материалов.
При испытании образец помещают между стержнями. Боек поднимают на заданную высоту электромагнитом, и после удара в мерных стержнях формируется волна нагрузки. На стержнях размещены малобазные тензорезисторы. Сигналы от датчиков поступают на усилители и далее на измерительную систему "Удар", цифровой запоминающий осциллограф С9-8, а также через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в персональный компьютер (ПК). Ста-
1 ИСМ им. В. Н. Бакуля, д-р. техн. наук, проф.
2 ГТГТУ, ст. преп.
бильность формы импульса нагрузки обеспечивается благодаря форме торца бойка, выполненного в виде сферы. Необходимая скорость деформирования обеспечивается высотой подъема и радиусом сферы бойка [6]. Прибор "Удар" измеряет силу удара, скорость бойка в момент удара, энергию разрушения образца, статическое усилие, прикладываемое к образцу с фиксацией усилия в момент разрушения. Для статических испытаний на прочность применяется толкатель (установлен в основании копра), управляемый электродвигателем с пульта управления.
и
мВ ) V
{ \ /
V
и С
Градуировку измерительной системы проводили путем сбрасывания бойка с контрольной высоты и определения амплитуды сигнала относительно горизонтального участка на осциллограмме нагружения (см. рис. 1). Как известно из теории соударения длинных упругих стержней одного диаметра, максимальное усилие в стержне определяется по формуле Ртах=рС0У8, где р — плотность материала стержней, С0 — скорость звука в материале стержней, Б — площадь поперечного сечения стержней, У=У0/2 — массовая скорость частиц в стержне, У0 — скорость соударения бойка со
Рис. 1 - Прямой и прошедший импульсы, полученные при градуировке копра.
стержнем. Первоначально скорость падения бойка определяли из уравнения свободного падения Уо = -\j2gh , где Ь — высота подъема бойка. Однако при этом не учитывались сопротивление воздуха, трение о стенки направляющих, а также погрешности в величине ускорения свободного падения g, которая зависит от географического расположения.
Для повышения точности определения скорости бойка в момент удара было предложено измерять скорость с помощью двух оптопар, рис. 2, расположенных на фиксированном расстоянии (Ь=10 мм) вблизи торца стержня, по которому происходит удар. Сигнал от оптопар поступает на вход устройства подсчета времени.
В момент соударения боек пересекает оптическую ось первой опто-
35
/
1
I
72 ВРЕМЯ
Г
0.000 тс
■к 74
Рис. 2 - Структурная схема измерения скорости.
пары, которая состоит из диодов 1, 2 и запускает генератор опорных импульсов, а, пересекая оптическую ось второй оптопары из диодов 3, 4 останавливает генерацию импульсов. Управление передачей импульсов от задающего генератора к счетчику импульсов осуществляется селектором. Далее в счетчике импульсов происходит подсчет количества импульсов. Затем значения передаются на блок индикации. На цифровой шкале отображается время в миллисекундах. Зная расстояние и определив экспериментально время прохождения фиксированного расстояния можно определить скорость соударения бойка со стержнем.
генератор J^-ГLГLГLГLJ
—у--
СТАРТ
СТАРТ
стоп
¥
0 п
г_п_г
Генератор
а) б)
Рис. 3 - Измерение временных интервалов.
а) временная схема запуска и остановки генератора,
б) блок-схема прибора для измерения интервала времени.
Для измерения интервала времени между двумя событиями (пересечения оптической оси
оптопар) в работе применили стандартную схему, приведенную на рис. 3. Для предотвращения действия небольших импульсов (помех) в схему был включен генератор-синхронизатор |7|.
Повышение точности измерения скорости (погрешность не более 0,1 %) позволило повысить точность проведения градуировки испытательной установки.
Таким образом, сбрасывая боек с различной высоты Ь. были построены градуировочные прямые и по ним определены градуировочные коэффициенты цр=33,0 и 25,0 кН/В для первого и второго стержней, соответственно
Влияние на погрешность измерения оказывала также величина базы использованного тензорезистора. Для сравнения мы изучали осциллограммы, полученные с использованием тен-зодатчиков с базой 20, 10 и 5 мм. Соответственно динамическая составляющая погрешности измерения усилия разрушения в первом случае составила 7 %, во втором — 3 % и в третьем — 1,9 %. Таким образом, если принять допустимую погрешность до 5 %, при эксплуатации системы необходимо использовать датчики с базой не более 10 мм.
Испытание на прочность при изгибе обычно выполняют трёхточечным изгибом призматической балки (рис. 4а), Однако изготовление образцов такого типа из сверхтвердых материалов затруднительно. В данной работе мы использовали в качестве альтернативного метода испытания на прочность метод диаметрального сжатия дискового образца, схема нагружения которого показана на рис. 46. Дисковые образцы по сравнению с призматической балкой имеют ряд преимуществ, главные из которых — малые габаритные размеры и простота изготовления, а также отсутствие влияния поверхностных дефектов на результат измерения, так как разрушение образца происходит в центре, а не на его поверхности.
Для испытания на трещиностойкость могут быть использованы аналогичные дисковые образцы с центральным надрезом (рис. 4в).
Ь/2
Р
£
Р/2
Ь
£
А-А
Р/2
?
ш
\р
Рис. 4 - Схемы нагружения образцов:
а) трёхточечный изгиб,
б) диаметральное сжатие дискового образца без надреза,
в) диаметральное сжатие дискового образца с центральным надрезом.
05.00 В
+0075 мкс / \
У/^ V
1
А И Б
1000. мВ 0500.не
-2
Лч
\
+0027.5 мкс
-0344. мВ
Рис. 5 - Схема ударных импульсов: 1 - прямой, 2 - прошедший, 3 - отражённый.
Особое внимание в работе было уделено определению максимальной разрушающей нагрузки образца и энергии разрушения. На рис. 5 на прошедшем через образец (нижнем) импульсе отчетливо виден "всплеск", который не наблюдается при применении стандартного метода трёх-точечного изгиба при статических испытаниях и который, в нашем случае, отражает момент появления трещины на образце, что наиболее важно при исследовании прочности.
Для фиксирования этого "всплеска" в установке был использован пиковый детектор, инст-
рументально фиксирующий момент разрушения. Амплитуда первого пика прошедшего импульса 4 (рис. 5) на диаграмме "нагрузка-время" соответствовала максимальной разрушающей нагрузке образца, а разность площадей под кривыми прямого, отраженного и прошедшего импульсов — энергии разрушения.
Для апробации методики были проведены испытания на прочность нескольких хрупких материалов инструментального назначения: поликристаллы из сверхтвердых материалов на основе кубического нитрида бора (КНБ) марок — композит 05ИТ, композит 06, киборит, амбо-рит; минералокерамики — В13, ВОК-71, силинит, кортинит, АЪ, БТ, 0100. БЫбО, 8Ы80.
Из исследованных материалов были изготовлены фрезы и испытаны при фрезеровании чугуна СЧ-21 (НВ 197-210). Результаты испытаний показали, что пластины из материалов на основе КНБ, динамическая прочность которых была выше статической, обладали большей износостойкостью. Средний период их стойкости составил 302 мин. при установленном по техпроцессу периоде стойкости 215 мин.
Выводы
1. Установка на базе мерных стержней Гопкинсона-Кольского позволяет с достаточной для практических целей точностью определять прочность хрупких инструментальных материалов при ударных нагрузках.
2. Результаты определения прочности при диаметральном сжатии показали, что исследуемые материалы по чувствительности к ударным нагрузкам, можно разделить на три группы:
- материалы, прочность которых увеличивается при динамическом нагружении. К ним относятся киборит, керамика А2 (Польша) и керамика 8Ы80 (Германия);
- материалы, прочность которых уменьшается при динамическом нагружении (керамика
В-13);
- материалы, прочность которых изменяется незначительно в исследуемом диапазоне скоростей нагружения. К таким материалам можно отнести амборит (Великобритания) и кортинит.
3. Инструменты, работающие при интенсивных динамических нагрузках, целесообразно оснащать инструментальными материалами, прочность которых увеличивается при ударных нагрузках, так как существенно увеличивается производительность обработки.
4. Полученные результаты позволят подбирать сооответствующий инструментальный материал для обработки металлов и сплавов при различных режимах.
5. Целесообразно продолжать эксплуатационные испытания рассмотренных материалов с целью получения надёжных результатов и обоснования рекомендаций по их использованию.
Перечень ссылок
1. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента / Т.Н. Лоладзе. - М.: Машиностроение. 1982. - 320 с.
2. Новиков Н.В. Силоизмерительное устройство для динамических испытаний материалов / Н.В. Новиков, Л.Н. Девин, С.А. Иванов II Заводская лаборатория. - 1980. - 46, №7. - С. 665-667.
3. Новиков Н.В. О влиянии скорости нагружения и температуры на трещиностойкость твердых сплавов / Н. В. Новиков II Проблемы прочности. - 1980.-№10.-С. 61-64.
4. Девин Л.Н. Определение предела прочности при растяжении поликристаллических сверхтвердых материалов / Л.Н. Девин II Сверхтвердые материалы. - 1988. - № 4. - С. 24-28.
5. Погодин-Алексеев Г.И. Динамическая прочность и хрупкость металлов / Г.И. Погодин -Алексеев. - М.: Машиностроение, 1973. - 201 с.
6. Александров Е.В. Прикладная теория и расчёты ударных систем / Александров Е.В., Соко-линский В.Б. - М.: Наука, 1969. - 201 с.
7. Хоровиц П., Искусство схемотехники: В 2-х т: Пер. с англ. / П. Хоровиц, У. Хилл - М.: Мир, 1986.- 596 с.
Статья поступила 10.03.2005
