CC BY
92
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 1 УДК 621.91.01
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СМАЗЫВАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД В ПЕРИОДЕ
ПРИРАБОТКИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
Ф.Я. Якубов, Ч.Ф. Якубов, В.В. Скакун
Рассмотрена возможность повышения стойкости режущей пластины из быстрорежущей стали с износостойким покрытием НЫ путем использования смазывающих технологических сред в периоде приработки режущего инструмента. На основе анализа полученных данных представлена аналогия в механизмах упрочняющего действия СОТС и износостойких покрытий. Показано, что стойкость металлорежущего инструмента существенно зависит от начальных условий его эксплуатации.
Ключевые слова: резание металлов, износостойкие покрытия, смазывающе-охлаждающие технологические среды, упрочнение, стойкость режущего инструмента.
Развитие машиностроения неразрывно связано с интенсификацией процессов механической обработки материалов резанием. На долю последних приходится до 40 % от общей трудоемкости изготовления деталей машин, при этом объем размерной обработки непрерывно увеличивается. С этих позиций, повышение работоспособности металлорежущего инструмента является актуальной научно-практической задачей, решение которой связанно с разработкой и внедрением в промышленность, как традиционных, так и новейших технологий поверхностного упрочнения.
В современной металлообрабатывающей промышленности все большее применение находят инструменты с износостойкими покрытиями. Основная роль покрытия, наносимого на рабочие поверхности инструмента, состоит в повышении твердости, теплостойкости, износостойкости и физико-химической пассивности по отношению к обрабатываемому материалу [1, 2]. Вместе с тем, одним из общепринятых способов повышения стойкости металлорежущего инструмента остается подвод в зону резания смазывающе-охлаждающих технологических сред (СОТС), но за счет увеличения вспомогательных расходов связанных с транспортировкой, хранением и последующей утилизацией, рентабельность от их применения значительно снижается. Кроме того, широко используемые индустриальные масла и эмульсии на минеральной основе являются одним из основных загрязнителей окружающей среды и негативно влияют на здоровье производственного персонала. Таким образом, в мировой практике металлообработки, обозначились тенденции по применению в качестве СОТС экологически безвредных масел растительного происхождения и сложных эфи-ров на их основе, более высокая стоимость таких составов может быть
компенсирована за счет реализации экологически ориентированной стратегии минимального смазывания (MMS-Minimal mengenschmierung или MQL-Minimum quantity lubrication) [3]. Сущность метода состоит в том, что с помощью современной высокоэффективной дозирующей техники, минимальное количество смазывающего материала целенаправленно подается в зону стружкообразования, где в процессе обработки, полностью и без остатка, расходуется. Последнее означает резкое сокращение объемов потребления СОТС и существенное снижение техногенного воздействия на окружающую среду, что является важным шагом в направлении гармонизации производственных процессов и природы.
Подвод в зону резания смазывающей среды ведет к уменьшению общей площади контакта на передней поверхности режущего инструмента, и как следствие - к росту удельных нормальных нагрузок [4, 5]. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что в условиях использования СОТС на основе растительных масел (с характерными для них более высокими проникающими, смазывающими, экранирующими и пассивирующими свойствами) данный эффект усиливается. Влияние смазывающих технологических сред на изменение площади контакта по передней поверхности и соответствующий износ по задней поверхности режущего инструмента приведены в таблице.
Таким образом, при определенных условиях эксплуатации быстрорежущего инструмента (давлениях более 500 МПа и температурах 200...350°С) правомочно ожидать упрочнение его контактных слоев [6, 7]. Адаптация рабочих поверхностей инструмента к внешним условиям на-гружения, наиболее полно проявляется в начальном периоде резания - периоде его приработки. Этот процесс характерен для определенных выше условий и, по аналогии с приработкой трущихся пар, показывает существенное повышение стойкости на дальнейших (стационарных) режимах эксплуатации.
Эффективность нанесения износостойких покрытий, в плане влияния на работоспособность инструмента, общеизвестна. Как правило, после 10.15 минутного резания происходит частичное или полное разрушение износостойкого слоя, однако до сих пор не ясно, почему и после его разрушения эффект повышения стойкости выражается в значительно большем времени. В объяснении данного факта точки зрения исследователей существенно расходятся. В одних работах эффект повышения стойкости режущего инструмента после разрушения покрытия сохраняется благодаря положительному вкладу формируемой на границе с основой (подложкой) слоя двойного карбида вольфрама и кобальта Co3W3C (п — фаза) [8]. В других — что п - фаза не оказывает существенного влияния на сохранение эффективной работы режущего инструмента после стирания покрытия [9] и возможно даже ухудшает характеристики режущей пластины. Также есть
гипотезы, объясняющие это обстоятельство наличием в зоне контакта неразрушенных (сохраненных) очагов покрытия или стекания участков покрытия на дно лунки [10].
Влияние различных смазывающе-охлаждающих сред на изменение площади контакта по передней поверхности и износ по задней поверхности при точении стали 45резцом Р6М5К5 (у=0°, а=12°, г=0,4 мм) при постоянном режиме резания ус = 35,0 м/мин, S = 0,20 мм/об, / = 1,0 мм
Резание в среде СОТС
Сухое резание без
Эмульсия 5 %
Минеральное масло И-20А
Рапсовое масло
применения СОТС
Способ подачи и расход
Полноструйн 5л/мин
ТМС-45 мл/ч.
ТМС-15 мл/ч.
Площадь контакта по передней поверхности режущего инструмента
Износ режущего инструмента по задней поверхности
Если рассматривать износостойкие покрытия как некую промежуточную технологическую среду между инструментом и обрабатываемым материалом, то можно сформулировать условия, в соответствии с которыми при помощи направленного подвода внешней трибоактивной среды можно достаточно эффективно управлять свойствами инструментального материала, характеристиками контактных процессов, стружкообразовани-ем и, как следствие, интенсивностью изнашивания инструмента.
В большинстве случаев базовыми в составе таких технологических сред являются масла растительного происхождения, механизм действия которых направлен на повышение стойкости режущего инструмента, но все еще остается полностью не раскрытым.
Таким образом, продление срока службы режущего инструмента после износа покрытия, так или иначе, связано с изменением свойств основного материала инструмента. Детальное установление механизма этого
технически важного явления и сегодня продолжает оставаться актуальной научной проблемой.
Целью статьи является экспериментальная оценка возможности повышения стойкости металлорежущего инструмента путем применения масляных технологических сред в периоде его приработки.
Наиболее удобным, с точки зрения методики проведения экспериментальных исследований, представляется процесс точения, на основании которого строятся модели, применяемые и на других видах механической обработки.
Стойкостные исследования проводились на токарно-винторезном станке марки SAMAT 400 M повышенной точности. Для обеспечения постоянной скорости резания на станке был установлен частотный преобразователь Altivar 71. Обрабатывались сталь 45 и хромоникелевый сплав 12Х18Н10Т инструментальными поворотными режущими пластинами ISO SPUN120308 из быстрорежущей стали Р6М5К5 с нанесенным износостойким покрытием TiN и без покрытия. В качестве СОТС были выбраны техническое рапсовое масло и минеральное индустриальное масло И-20А.
В настоящих исследования применялось специальное дозирующее устройство №ga Minicool MMS (пр. Израиль). Общий вид и принцип работы представлен на рис. 1.
Опыты проводились при постоянной глубине резания /=0,5 мм и подаче S=0,2 мм/об. Скорость резания составляла vc=70 м/мин, при обработке стали 45, и vC =30 м/мин, для нержавеющей стали 12Х18Н10Т.
Измерения величины износа производились по задней поверхности на инструментальном измерительном микроскопе ИМЦЛ 150х75(2),Б. За критерий принималась величина h = 0,35мм, в зоне нормального износа по задней поверхности инструмента.
Как известно, применение СОТС с точки зрения уменьшения износа связывают со снижением работы трения и температуры, стремясь сохранить исходные свойства инструментального материала. Представленные ниже результаты экспериментальных исследований обнаруживают принципиально новый механизм действия СОТС - возможность упрочнения контактных слоев инструмента и выход на управление износом через это функциональное свойство.
Рассмотрим, в какой мере влияние смазывающих технологических сред в периоде приработки инструмента отражается на стойкости металлорежущего инструмента при его дальнейшей эксплуатации в режиме «сухого» точения (без применения СОТС). На рис. 2 обобщены результаты стойкостных испытаний резца с износостойким покрытием при точении стали 45 и 12Х18Н10Т после 7-минутного резания в среде минерального и рапсового масел.
Рис. 1. Общий вид дозирующего устройства М1теоо1 ММ8 (образование воздушно-маслянного аэрозоля реализуется по принципу Вентури)
Рис. 2. Стойкость резца из быстрорежущей стали Р6М5К5 (ТЩ при «сухом» точении стали 45 и 12Х18Н10Тпосле предварительной приработки в среде минерального и рапсового масел
Как и следовало ожидать, наличие покрытия значительно влияет на интенсивность изнашивания режущего инструмента. Так, при обработке стали 45 эффект повышения стойкости фиксируется двукратным увеличением в сравнении с инструментом без покрытия и трехкратным при обработке нержавеющей стали 12Х18Н10Т.
250
Наибольший эффект снижения износа, до принятого критерия Из=0,35 мм был обнаружен после предварительного, 7-ми минутного, резания в выбранных технологических средах: при обработке стали 45 в среде минерального масла, а при обработке нержавеющей стали в среде технического рапсового масла. После предварительной приработки дальнейшая эксплуатация режущего инструмента осуществлялась без использования СОТС.
Полученные экспериментальные данные можно связать со следующими обстоятельствами. В процессе резания режущий клин подвергается деформационному нагружению. При наличии износостойкого покрытия, в результате снижения площади контакта, работы трения и градиента температуры по его толщине, нормальное давление на материал субстрата повышается, а интенсивность воздействия теплового потока - снижается. Такое явление можно уподобить снижению скорости резания, в пределе соответствующему диапазону режимов приработки, при которых в присутствии внешней технологической среды, на поверхности инструмента формируются контактные слои упрочненной износостойкой структуры.
Естественно, полного соответствия свойств, образованных на рабочих поверхностях инструмента, вторичных структур при резании в режиме предварительной приработки и субстрата после разрушения покрытия, не должно быть.
В первом случае формирование вторичных структур протекает в основном за счет деформационного упрочнения (СОТС в пластический контакт не проникает), во втором - сочетанием деформационных и диффузионных процессов. Покрытие при развитии вторичных структур является активным источником легирующих элементов и стимулятором внутреннего субструктурного массопереноса.
Действительно, активность диффузии сильно зависит от деформационных процессов [10] и коэффициент диффузии прямо пропорционален плотности дислокаций. Внедрение диффундирующего элемента из покрытия в инструментальную матрицу вносит дополнительное искажение в кристаллическое строение, которое, суммируясь с возрастающей плотностью дислокаций, изменяет параметры упрочненного слоя относительно формируемого в бездиффузионных условиях.
Формирование износостойких вторичных структур в поверхностных слоях инструмента методом предварительной приработки в среде СОТС позволяет рассматривать износостойкое покрытие, как высокоэффективное (возможно идеальное) смазывающее средство.
Обобщая изложенное можно отметить, что оценка смазывающего действия масляных технологических сред, как фактора, обуславливающего упрочнение контактных слоев инструмента в режиме приработки, открывает новые пути их эффективного применения в качестве СОТС. С одной стороны, с учетом существенного снижения расхода при использовании
дозирующих устройств, расширяется область внедрения в промышленность экологически безопасных масел растительной природы, с другой -формируется основа для модификации специальных приработочных составов, эксплуатация которых позволит в целом повысить стойкость металлорежущего инструмента.
Список литературы
1. Технологическая система экологически безопасного резания для токарной обработки /А.С. Верещака, А.К. Кириллов, А.А. Верещака [и др.] // Известия Кабардино - Балкарского государственного университета. 2014. №5. С. 20-22.
2. Табаков В.П., Чихранов А.В. Износостойкие покрытия работающие в условиях непрерывного резания / под ред. В.П. Табакова. Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2007. 255 с.
3. Weinert K. Trockenbearbeitung und Minimalmengenschmierung/ Einsatz in der spanenden Fertigungstechnik / Hrsg.: Weinert, K., Berlin, Heidelberg, New York, Barcelona, Hongkong, London, Mailand, Paris, Singapur, Tokio: Springer-Verlag, 1998.
4. Виноградов Д.В. Применение смазочно-охлаждающих технологических средств при резании металлов: учеб. пособие по курсу «Инстру-ментообеспечение машиностроительных предприятий». Ч. 1. Функциональные действия. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. 90 с.
5. Якубов Ч.Ф. Упрочняющее действие СОТС при обработке металлов резанием. Симферополь: ОАО «Симферопольская городская типография» (СГТ), 2008. 156 с.
6. Основы теории резания материалов: учебник [для высш. учебн. заведений] / Мазур Н.П., Внуков Ю.Н., Грабченко А.И. [и др.]; под общ. ред. Н.П. Мазура и А.И. Грабченко. 2-е изд., перераб. и дополн. Харьков: НТУ «ХПИ», 2013. 534 с.
7. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение. 1993. 336 с.
8. Chubb I.P., Billenhen I. Cooted cutting tools a study of wear mexanisms in high speed mashing. 2 «Wear»,1980. № 2. P. 283 - 293.
9. Гуревич Д.М. Изнашивание при точении быстрорежущих пластин с износостойкими покрытиями // Вестник машиностроения. 1999. № 6. С. 45 - 47.
Якубов Февзи Якубович, д-р техн. наук, проф., ректор, csepu@mail.ru, Россия, Республика Крым, Симферополь, Крымский инженерно-педагогический университет,
Якубов Чингиз Февзиевич, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, yakubov chingiz@,mail.ru, Россия, Республика Крым, Симферополь, Крымский инженерно-педагогический университет,
Скакун Владимир Владимирович, асп., vladimir.skakun.92@Mst.ru, Россия, Республика Крым, Симферополь, Крымский инженерно-педагогический университет
EXPERIMENTAL EVALUATION OF LUBRICATING FLUIDS DURING THE RUNNING
OF CUTTING TOOLS
F.Y. Yakubov, Ch. F. Yakubov, V.V. Skakun
Investigated the high resistance of the cutting insert of high speed steel coated with a wear resistant TiN by using lubricating process media during the running of the cutting tool. Based on the analysis of the data presented analogy reinforcing mechanisms of action of lubricating fluids and wear-resistant coatings. It is shown that cutting tool life depends significantly on the initial conditions of its operation.
Key words: Cutting metal, wear-resistant coating, lubricating and cooling technological environment, hardening, cutting tool life.
Yakubov Fevzi Yakubovich, doctor of technical science, professor, rector, cse-pu@,mail.ru, Russia, Republic of Crimea, Simferopol, Crimean Engineering and Pedagogical University,
Yakubov Chingiz Fevzievich, candidate of technical science, docent, manager of cathedra, yakubov chingiz@,mail.ru, Russia, Republic of Crimea, Simferopol, Crimean Engineering and Pedagogical University,
Skakun Vladimir Vladimirovich, postgraduate, vladimir.skakun.92@,list.ru, Russia, Republic of Crimea, Simferopol, Crimean Engineering and Pedagogical University
