Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА, ОСНАЩЕННОГО УПРОЧНЕННЫМИ ПЛАСТИНАМИ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И РЕЖУЩЕЙ КЕРАМИКИ

Пронин А.И. 1 Мыльников В.В. 2 Рожков И.И. 2
1 ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»
2 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
В работе изложены результаты исследований работоспособности резцов из различных инструментальных материалов при прерывистой и непрерывной обработке труднообрабатываемых материалов. Выявлен механизм их разрушения и изнашивания, указаны пути повышения работоспособности инструмента, оснащенного режущей керамикой и сверхтвердыми материалами.
режущая керамика
сверхтвердые материалы
жесткость
технологическая система
упрочнение инструмента
износ
кубический нитрид бора
устойчивость
закаленная сталь
оптимальная скорость резания
резец
1. Кабалдин Ю.Г. Принципы конструирования композиционных и инструментальных материалов с повышенной работоспособностью. – Предпринт. Изд-во института машиноведения и металлургии ДВО АН СССР. – Владивосток, 1990. – 58 с.
2. Кабалдин Ю.Г. Стойкость режущего инструмента, оснащенного керамикой и сверхтвердыми материалами / Ю.Г. Кабалдин, Б.Я. Мокрицкий, А.И. Пронин // Станки и инструмент. – 1991. – № 12. – C. 19–21.
3. Работоспособность резцов из различных инструментальных материалов при обработке высокопрочного чугуна / Ю.Г. Кабалдин, А.И. Шепелев, А.А. Киле, А.И. Пронин // Сверхтвердые материалы. – 1991. – № 6. – С. 29–33.

Проблеме повышения производительности процессов чистовой и отделочной обработки заготовок лезвийными инструментами посвящено большое количество исследований. Одним из наиболее эффективных путей решение данной проблемы является применение режущих пластин оснащенных режущей керамикой и сверхтвердыми материалами (СТМ). В этой связи к режущему инструменту предъявляются высокие требования по прочности, безотказности его работы в течение заданного периода времени.

Применение режущей керамики и СТМ позволяет повысить скорость резания и качество обработанных поверхностей. Производители инструмента предлагают марки СТМ и режущей керамики с более высокой теплостойкостью и прочностными показателями, что существенно повышает износостойкость этих материалов, особенно в условиях переменных нагрузок и высоких скоростей резания. Однако ограничения по применению такого инструмента существуют и связаны они прежде всего с низкой сопротивляемостью знакопеременному циклическому нагружению. Обработка прерывистых и, особенно, комбинированных поверхностей до сих пор остается малоизученной областью исследований.

Цель работы – исследование работоспособности режущего инструмента оснащенного упрочненными пластинами из сверхтвердых материалов и режущей керамики.

Материал и методы исследования

Испытания работоспособности инструмента проводили на токарном станке модели 16К20Ф3С32. Заготовкой являлся цилиндр диаметром 90 мм, длиной 420 мм с продольным пазом шириной 8 мм, глубина паза 20 мм. Материал заготовки – закаленная сталь марки ХВГ (HRC 62-65). Заготовка на станке устанавливалась в трехкулачковом патроне и поджималась задним центром. Режим резания: глубина 0,5 мм, подача 0,11 мм/об, скорость резания варьировали, наружное прерывистое точение. Режущие пластины (режущая керамика марки ВОК 60 и сверхтвёрдые материалы на основе кубического нитрида бора марок томал и киборит) механически закрепляли в державке сечением 25×25 мм обеспечивая геометрию режущей части: a = 7°; g = –11°.

Пластина киборита использовалась круглой формы диаметром 7 мм и толщиной 5 мм; пластина томала – квадратной формы с радиусом и размерами 7×7×4 мм; пластина ВОК-60 – треугольной формы с радиусом и размером стороны (16 мм и высотой 5 мм). Регистрировали путь, пройденный до скола или величину износа по задней поверхности, предельным считали износ 0,4 мм.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты исследования на определения величины оптимальной скорости резания для таких условий обработки типовым инструментом приведены на рис. 1.

pic_10.tif

Рис. 1. Зависимость пути L, проходимого режущим лезвием до скола, от скорости V резания: 1 – томал; 2 – киборит; 3 – ВОК-60

Из рис. 1 следует, что работоспособность томала в 2 (и более) раза выше, чем у керамики, но существенно ниже, чем у киборита. Оптимальные скорости резания этих материалов различны и экстремум стойкости у томала смещен по отношению к кибориту в область меньших скоростей резания. Зависимость L = L(V) для пластины киборит носит экстремальный характер, эффективная скорость резания лежит в интервале V = 180 – 250 м/мин.

Ниже приведены отдельные результаты повышения работоспособности инструментов из режущей керамики и СТМ за счёт применения их упрочнения, в частности за счёт применения релаксационной термообработки при отжиге и при нанесении покрытий.

Для повышения хрупкой прочности и снижения окислительного характера износа [2, 3] применяли упрочнение инструмента. Это оказалось существенным для режущей керамики. Фактор температурного воздействия при отжиге благоприятно сказывался на процесс релаксации внутренних напряжений, сформировавшихся в керамике при размерной обработке пластин у производителя в ходе алмазного шлифования. Это способствует повышению объемной прочности пластины. Установлено [1, 3], что термообработка на воздухе не дает существенного повышения работоспособности в силу того, что связка и зерна упрочняющей фазы, активно взаимодействуя с воздухом при нагреве, образуют на поверхности соединения с низкой энергоемкостью, кислород проникает в поры поверхностного слоя и образует окислы, выполняющие функцию расклинивания в порах и вызывая коробление и вспучивание поверхности. В силу этого термообработку целесообразно проводить в защитной среде либо в вакууме. Химико-термическую обработку осуществляли азотированием как заключительный этап термообработки. Роль ионного азотирования состоит в легировании связки и инициировании выкрашивания наиболее разрушенных при заточке зерен. Механизм микролегирования состоит во внедрении ионов азота в междоузельные позиции это приводит к искажению кристаллической решетки, в результате чего повышается плотность дислокаций в зернах оксида алюминия. Механизм выкрашивания состоит в том, что внедрение ионнов азота наиболее интенсивно происходит в предварительно разрушенные при заточке микрообъемы (расколотые зерна, границы зерен). Это ведет к разрушению границ зерен и снижению сил их сцепления. Трансформация напряженного состояния таких зерен ведет к их короблению, размельчению, выкрашиванию с поверхности, т.е. часть разрушенных зерен заранее удаляется с поверхности пластины. В результате такого «залечивания» дефектов повышается сдвиговая устойчивость и, соответственно, трещиностойкость керамики.

В частности низкопрочную режущую керамику ВО-13 после термообработки подвергали «залечиванию» дефектов путем нанесения покрытия. Покрытие выполняли металлическим из тугоплавких металлов (цирконий, ниобий). При его нанесении реализуется микролегирование связки и «заделка» трещин и пор в поверхностном слое. Толщины слоев чистых металлов незначительны, а именно: ниобий 0,2–0,5 мкм, цирконий 0,5–0,8 мкм. Испытания работоспособности инструмента проводили на токарном станке модели 16К20Ф3С32. Материал заготовки – закаленная сталь марки 45 (HRC 40-45). Режим резания: глубина 0,5 мм, подача 0,21 мм/об, скорость резания 250 м/мин, наружное точение. Регистрировали время работы режущих пластин, до скола или величину износа по задней поверхности, предельным считали износ 0,4 мм. Результаты сравнительных стойкостных испытаний инструмента приведены на рис. 2.

pic_11.tif

Рис. 2. Сравнительная стойкость режущей пластины ВО-13 до и после различных этапов упрочнения пластины

В развитие указанных решений после осаждения металлического или нитридного покрытия предложено проводить дополнительную термообработку. До нанесения покрытия термообработанную основу можно подвергать науглероживанию и ионной очистке, т.е. эффективная технологическая последовательность упрочнения керамики представляет собой следующее: керамика + науглероживание + термообработка + ионная очистка + слой металла + нитридное покрытие + термообработка. Дополнительная термообработка после нанесения покрытия позволяет снять напряжения на границе раздела основа-покрытие и инициировать диффузионные процессы между основой и покрытием. Результаты испытания такого инструмента из режущей керамики при точении стали ШХ15 (HRC 52-56) со скоростью резания 120 м/мин, подачей 0,1 мм/об, глубиной 1 мм приведены на рис. 3.

pic_12.tif

Рис. 3. Сравнительная стойкость пластины ВОК-60 до и после различных этапов упрочнения пластины

Инструменту из сверхтвердых материалов свойственна дефектность поверхностного слоя, связанная с алмазноабразивной размерной обработкой. В силу этого предлагаемые решения по повышению работоспособности инструмента из сверхтвердых материалов носят технологический характер и связанны с термообработкой (для перераспределения напряжений и дислокационной структуры) и с «залечиванием» поверхностного дефектного слоя (путем осаждения металлических слоев). Так, после термообработки инструмент из кубического нитрида бора подвергали «залечиванию» путем металлирования, которое реализуется за счет осаждения металла (хрома), либо за счет никелирования и осаждения слоя циркония. Оценка работоспособности упрочненных термообработкой и «залечиванием» сверхтвердых материалов проводилась в основном на инструментальном материале с торговой маркой «киборит».

Испытания проводились при различных условиях резания. Так на рис. 4 приведены результаты испытания киборита при токарной обработке по литейной корке чугуна СЧ 21 (НВ-230) при скорости резания 300 м/мин, подаче 0,1 мм/об, глубине 0,7 мм. Обработка велась до скола или затупления по задней грани до 0,4 мм. Лунка износа по передней грани отмечалась, но имела незначительные размеры.

pic_13.tif

Рис. 4. Сравнительная стойкость пластины киборит в состоянии поставки и после различных этапов упрочнения пластины

Результаты сравнительных стойкостных испытаний упрочненных инструментов из киборита при циклическом нагружении и жестко заданных условиях резания (сталь 45 закаленная, скорость резания 240 м/мин, подача 0,1 мм/об, глубина 0,5–0,8 мм, наружное точение «на удар» цилиндрической заготовки с двумя продольными пазами) приведены на рис. 5.

pic_14.tif

Рис. 5. Период стойкости инструмента: 1 – киборит в состоянии поставки; 2 – киборит с вакуумной термообработкой; 3 – киборит с вакуумной термообработкой и металлическим слоем циркония; 4 – киборит с ионным азотированием + (Ti, Zr)+ZrN

Из данных рисунка видно не только повышение работоспособности упроченного инструмента, но также изменение интенсивности износа на различных этапах работы инструмента.

Выводы

1. Режущие пластины из СТМ в условиях прерывистого резания проявляют большую сопротивляемость хрупкому разрушению по сравнению с режущей керамикой.

2. Хрупкое разрушение режущей керамики и СТМ реализуется сколом и межзеренным разрушением. Зарождение трещин способствуют дефекты их структуры и алмазной заточки.

3. Работоспособность инструмента из СТМ и режущей керамики можно существенно повысить за счет оптимизации режима алмазной обработки, устраняющей образование микротрещин в поверхностных слоях пластин, а также упрочнения релаксационной термообработкой и путем «залечивания» дефектов за счёт нанесения покрытий. Это позволяет существенно расширить область применения инструмента и режимов резания.

4. Эффективное использование инструментов из СТМ и режущей керамики достигается на высокоточных станках обладающих жесткостью и виброустойчивостью, при тщательном контроле состояния режущей части инструментов.


Библиографическая ссылка

Пронин А.И., Мыльников В.В., Рожков И.И. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА, ОСНАЩЕННОГО УПРОЧНЕННЫМИ ПЛАСТИНАМИ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И РЕЖУЩЕЙ КЕРАМИКИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2013. – № 10-3. – С. 377-380;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=4212 (дата обращения: 09.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074