CC BY
17
УДК 621.785 DOI: 10.30977^^.2219-5548.2020.88.1.113
АЛГОРИТМ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА ЭЛЕКТРОДА ПРИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОМ ЛЕГИРОВАНИИ ДЕТАЛЕЙ
Богданов А.А., Процив В.В., Пацера С.Т., Дербаба В.А. Национальный технический университет «Днепровская политехника»
Аннотация. Повышение качества поверхностного слоя новых и восстанавливаемых деталей машин легированием. Разработка алгоритма выбора материала электрода для электроискрового легирования деталей на основе метода последовательного приближения. Ключевые слова: электроискровое легирование, электрод, восстановление деталей.
Введение
Одним из путей улучшения качества поверхностного слоя и снижения стоимости ремонта машин являются многократное восстановление формы деталей металлопокрытиями. Восстановление изношенных поверхностей деталей осуществляется следующими способами: детонационно-газовая и вакуум-но-плазменная обработка, наплавка, гальванопокрытия, металлизация напылением, электроискровое легирование.
Среди рассматриваемых методов все более широкое применение находит метод электроискрового легирования (ЭИЛ) [1, 2]. По своим достоинствам он не только не уступает рассматриваемым методам, а во многих случаях превосходит их.
Физические процессы, протекающие при электроискровом легировании, предотвращают проявление таких агрессивных видов износа, как абразивный и схватывание. При этом живучесть легированного слоя определяется развитием усталостных процессов.
Анализ публикаций
В последние годы разработаны технологические приемы, позволяющие осуществлять ЭИЛ с любой заданной сплошностью поверхностного слоя изделия, а также создано оборудование и разработаны методы имитационно-статистического моделирования процессов контроля качества деталей, резко повысившее производительность процесса [3-5]. Толщина поверхностного слоя на детали после электроискрового легирования контролируется при помощи современного измерительного оборудования [6].
В зависимости от силовых, скоростных и тепловых параметров очага трения на деталях и механического воздействия [7] проявляются следующие виды износа: окислительный, схватывание первого и второго рода, абразивный, усталостный и термоуста-
лостный. Каждый из них характеризуется своей удельной работой разрушения поверхностного слоя. Поэтому задача повышения износостойкости решается путем создания необходимых условий для перехода от менее энергоемкого вида разрушения к более энергоемкому. Наименьшей энергоемкостью из перечисленных видов обладает абразивный износ. Для его ликвидации достаточно повысить твердость поверхностного слоя детали до уровня, определяемого соотношением Нр > 1,2Н , где Н1 - твердость абразива; Нр - твердость изнашиваемого материала.
Цель и постановка задачи
Предлагается для повышения износо- и жаростойкости деталей осуществлять ЭИЛ электродом, материал которого обеспечит формирование в поверхностном слое мета-стабильных структур, которые под воздействием давления и температуры способны к многократным фазовым превращениям. Для поиска таких материалов электродов разработан алгоритм, основанный на методе последовательного приближения.
Основной материал исследований
Несмотря на широкие возможности метода электроискрового легирования, эффективность его применения в машиностроении незначительна. Это объясняется низкой производительностью процесса, отсутствием технологических приемов управления, сплошностью легированного слоя, высоким уровнем его шероховатости и отсутствием рекомендаций по целенаправленному выбору материала электрода, обеспечивающего максимальное повышение эксплуатационных свойств деталей, работающих в конкретных условиях.
Из теории прочности [8] известно, что основу приемов повышения твердости металлов составляет искусственное создание сопротивления перемещению дислокаций.
Сопротивление перемещению дислокаций могут оказывать: атмосферы Коттрела и Суд-зуки, состоящие из примесных атомов, двух-или трехмерные стопоры в виде сетки субграниц и выделения другой фазы.
Известно, что в процессе ЭИЛ образуется упорядоченная трехмерная ячеистая структура. Кроме того, происходит насыщение легированного слоя компонентами газовой фазы и элементами, входящими в состав материала электрода. В результате легированный слой приобретает твердость от 12000 до 40000 МПа.
При обработке металлов давлением обычно абразивом являются окислы железа. Наибольшей твердостью из них (10000 МПА) обладает у - Fе2O3 [8]. Поэтому после ЭИЛ металлокерамическими электродами на поверхности деталей отсутствуют следы абразивного воздействия [8].
Предотвратить схватывание первого рода позволяют следующие мероприятия [9]: использование в качестве пары трения материалов, кристаллические решетки которых существенно отличаются своими параметрами и формированием между их поверхностями твердых или жидких разделительных пленок.
Интенсивность схватывания второго рода уменьшается при повышении температур плавления и ползучести поверхностного слоя материалов [9].
При ЭИЛ электродом, содержащим тугоплавкие элементы и их соединения, выполняются оба условия, поскольку легирование этими элементами повышает температуру плавления исходного материала, а образование трехмерной ячеистой субструктуры способствует повышению температуры ползучести.
Таким образом, в результате ЭИЛ наиболее распространенными электродами типа ВК и ТК автоматически выполняются условия, предотвращающие проявление абразивного износа и схватывания. После такого вида обработки детали начинают работать в условиях окислительного износа. Поэтому применение ЭИЛ для обработки деталей, работающих в различных условиях, практически всегда дает положительные результаты [10, 11], хотя при этом редко удается добиться повышения износостойкости более чем в 1,5-2 раза. Таким образом, дальнейшее повышение служебных свойств деталей невозможно без целенаправленного поиска материалов электродов, учитывающего конкретные условия ее работы и базирующегося на современных достижениях науки.
Под воздействием трения исходный поверхностный слой материала претерпевает ряд последовательных переходов из одного состояния в другое, об этом свидетельствует присутствие продуктов фазовых превращений, вызываемых закалкой, отпуском и вторичной закалкой [9]. Этому способствует, нагрев материала в очаге трения до температур выше критических с последующим быстрым охлаждением до комнатных температур, причем критические точки могут существенно снижаться под действием деформации. Эта особенность процесса позволяет использовать фазовые превращения для поглощения энергии, поступающей из очага трения без разрушения поверхностного слоя материала.
Существует принципиальная возможность искусственного создания материала поверхностного слоя на деталях, структура которого под воздействием энергии очага трения способна к многократным фазовым превращениям, а процесс нарушения ее обратимости может протекать по пути последовательных карбидных превращений.
В качестве управляющих факторов при создании такого слоя могут быть использованы: электрический режим обработки, химические элементы, вводимые в состав легированного слоя, и их процентное содержание, а также технологическая схема обработки (одноразовая или многоразовая).
Для целенаправленного поиска материала электродов, обеспечивающих создание поверхностного слоя с заданными свойствами, предлагается использовать алгоритм, в основу которого положен метод последовательного приближения. В качестве функции отклика он позволяет использовать: сравнительную износо-, жаро- и коррозионную стойкость; твердость; учитывать наличие и процентное содержание карбидной фазы, ее видовой состав и процентное соотношение различного типа карбидов; наличие и состав интерметаллидов. С его помощью осуществляется выбор материалов электродов в зависимости от конкретных требований к служебным свойствам деталей (рис. 1).
Согласно алгоритму, вначале из известных сплавов выбирают базовый материал электрода, обеспечивающий метастабильный фазовый состав, например сплав с повышенным содержанием Сг или №. Осуществляют им ЭИЛ образцов и определяют полученный химический и фазовый состав легированного слоя. Далее проводят испытания образцов на стойкость в условиях, моделирующих условия работы реальных деталей.
Рис. 1. Алгоритм выбора материала электрода
После каждого цикла испытаний проводят сравнения соотношения Мй, Frt, Аш1 и исходного состояния. В зависимости от полученных результатов корректируют первоначальный материал электрода путем дополнительного введения или повышения процентного содержания элементов, способствующих выклиниванию а- или у-фазы.
Таким образом, после ряда последовательных приближений достигают стабилизации данной системы. Аналогичным образом осуществляют уточнение химического состава электрода с требуемым соотношением вида карбидов и интерметаллидов.
Выводы
Физические процессы, протекающие при ЭИЛ, обеспечивают создание условий, предотвращающих такие агрессивные видов износа, как абразивный и схватывание. При этом живучесть легированного слоя определяется развитием усталостных процессов. Это ограничивает повышение его износостойкости более чем в 2 раза по сравнению с исходным материалом. Для повышения служебных свойств деталей необходимо осуществлять обработку таким материалом электрода, который обеспечит формирование в поверхностном слое метастабильных структур, способных под воздействием давления и температурного очага трения к многократным фазовым превращениям. Для поиска таких материалов электродов разработан алгоритм, основанный на методе последовательного приближения.
Литература
1. Пантелеенко Ф.И., Лялякин В.П., Иванов В.П., Константинов В.М. (2003). Восстановление деталей машин: справочник. Москва: Машиностроение.
2. Лебедева А.П., Погорелова Т.Н. (2003). Восстановление деталей машин: справочник. Москва: Наука.
3. Derbaba V.A., Zil V.V., Patsera S.T. (2014). Evaluation of the adequacy of the statistical simulation modeling method while investigating the components presorting processes. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (5), 45-50.
4. Юяновський М.В., Цившда H.I. (2011). Елект-рофiзичнi та електромехашчш методи обробки поверхонь у машинобудуванш: навч. поаб. Кривий Pin Видавничий центр КТУ.
5. Тарельник В.Б. (1997). Комбинированные технологии электроэрозионного легирования. Киев: Техника.
6. Богданов А.А., Закора В.В. Выбор рациональной стратегии измерения деталей на коорди-натно-измерительной машине Mora Primus 564 // Збiрник наукових праць НГУ. - Дшпро: Нацюнальний ТУ «Дшпровська полггехшка», 2019. - № 57. - С. 88-96.
7. Zhuravel O.Yu, Derbaba V.A., Protsiv V.V., Patsera S.T. (2019). Interrelation between Shearing Angles of External and Internal Friction During Chip Formation. Solid State Phenomena. Materials Properties and Technologies of Processing, (291), 193-203. - 2019. - doi.org/10.4028/www. scientific. net/SSP.291.193.
8. Дщик Р.П., Кузнецов е.В., Забара В.М. (2005). Ф1зичт основи M^HOcmi: тдручник. Дшпро: Наука та освгга.
9. Zhu L., Li H., Wang W. Research on rotary surface topography by orthogonal turn-milling //
The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2013. - T. 69. - №. 9-12. -C. 2279-2292.
10. Верхотуров А.Д., Николенко С.В. (2010). Классификация, разработка и создание электродных материалов для электроискрового легирования. Упрочняющие технологии и покрытия, (2), 13-22.
11. Savas V., Ozay C. Analysis of the surface roughness of tangential turn- milling for machining with end milling cutter // Journal of Materials Processing Technology. - 2007. -T. 186. - №. 1. - C. 279-283.
References
1. Panteleyenko F.I., Lyalyakin V.P., Ivanov V.P., Konstantinov V.M. (2003). Vosstanovleniye de-taley mashin [Recovery of machine parts]: Directory. Moskva: Engineering.
2. Lebedeva A.P., Pogorelova T.N. (2003). Vosstanovleniye detaley mashin [Recovery of machine parts]: Directory. Moskva: Science.
3. Derbaba V.A., Zil V.V., Patsera S.T. (2014). Evaluation of the adequacy of the statistical simulation modeling method while investigating the components presorting processes. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (5), 45-50.
4. Kiyanovsky M.V., Tsivinda N.I. (2011). Electronic and electrical methods of surface processing in machinebuduvanni [Electrical and electrical methods of surface processing in machine blowing]: Study guide. Kriviy Rig: The prominent center of KTU.
5. Tarel'nik V.B. (1997). Kombinirovannyye tekhnologii elektroerozionnogo legirovaniya [Combined technology EDM doping]. Kyiv: Technics.
6. Bogdanov A.A., Zakora V.V. Vybor ratsional'noy strategii izmereniya detaley na koordinatno-izmeritel'noy mashine Mora Primus 564 [Choosing a rational strategy for measuring parts on a Mora Primus 564 coordinate measuring machine] // Zbirnik naukovyh prrats NMU. - Dnipro: National Technical University «Dnipropetrovsk Polytechnic», 2019. - № 57. - P. 88-96.
7. Zhuravel O.Yu, Derbaba V.A., Protsiv V.V., Patsera S.T. (2019). Interrelation between Shearing Angles of External and Internal Friction During Chip Formation. Solid State Phenomena. Materials Properties and Technologies of Processing, (291), 193-203. - 2019. - doi.org/10.4028/www. scientific.net/SSP.291.193
8. Didyk R.P., Kuznetsov G.V., Zabara V.M. (2005). Fizichni basis mitsnosti [Physical basis of strength]: Textbook. Dnipro: Science and education.
9. Zhu L., Li H., Wang W. Research on rotary surface topography by orthogonal turn-milling // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2013. - T. 69. - №. 9-12. -C. 2279-2292.
10. Verkhoturov A.D., Nikolenko S.V. (2010). Klas-sifikatsiya, razrabotka i sozdaniye elektrodnykh materialov dlya elektroiskrovogo legirovaniya [Classification, development and creation of electrode materials for spark sparkling]. Hardening Technologies and Coatings, (2), 13-22.
11. Savas V., Ozay C. Analysis of the surface roughness of tangential turn- milling for machining with end milling cutter // Journal of Materials Processing Technology. - 2007. -T. 186. - №. 1. - C. 279-283.
Богданов Александр Александрович, к.т.н., доцент кафедры технологий машиностроения и материаловедения, +38(050)6546886, bogdanov.aleksandr 17@gmail.com, Национальный технический университет «Днепровская политехника», 19, пр. Д. Яворницкого, г. Днипро, 49005, Украина.
Процив Владимир Васильевич, д.т.н., профессор, кафедры технологий машиностроения и материаловедения, +38(050)3203410, protsiv@ukr.net, Национальный технический университет «Днепровская политехника», 19, пр. Д. Яворницкого, г. Днипро, 49005, Украина. Пацера Сергей Тихонович, кт.н., профессор, кафедры технологий машиностроения и материаловедения, +38(068)5791430, sergiy.patsera@ukr.net, Национальный технический университет «Днепровская политехника», 19, пр. Д. Яворницкого, г. Днипро, 49005, Украина.
Дербаба Виталий Анатольевич, к.т.н., доцент, кафедры технологий машиностроения и материаловедения, Национальный технический университет «Днепровская политехника», +38(096)9548210, 5762634@gmail.com, 19, пр. Д. Яворницкого, г. Днипро, 49005, Украина.
Algorithm of electrode material selection during electrical erosion alloying
Purpose. The purpose is improving the quality of the surface layer of new and renewable machine parts by doping. Development of an algorithm for selecting electrode material for electric-spark doping of parts based on the method of successive approximation. Research methods were based on existing technological methods and equipment that allow the process of electric-spark doping to be carried out with a given thickness of the surface layer of the part. The following factors are used as controlling factors in creating such a layer: the electric processing mode, the chemical elements introduced into the composition of the doped layer, and their percentage, as well as the technological processing scheme (disposable or reusable). Research results. The method of electrical erosion alloying doping in its advantages surpasses such methods of restoring worn surfaces of parts such as detonation-gas and vacuum-plasma treatment, surfacing, electroplating, metallization by sputtering. Special equipment allows to carry out electric-spark doping with any given continuity of the
surface layer and to increase the productivity of the process. When electrical erosion alloying is doping with an electrode containing refractory elements and their compounds, the conditions preventing the setting of the first and second kinds are fulfilled, since doping with these elements raises the melting point of the starting material, and the formation of a three-dimensional cellular substructure promotes an increase in the creep temperature. Scientific novelty. For the first time, a rational algorithm is proposed for selecting electrode material based on the method of successive approximation. After a series of successive approximations, stabilization of the phase composition of the system is achieved and the chemical composition of the electrode is refined with the required ratio of the type of carbides and intermetallic compounds. Practical value. The use of electrical erosion alloying doping in the restoration of parts will provide an increase in wear resistance and heat resistance of the processed surfaces by 1,5-2 times in industry. As a result of electrical erosion alloying doping with the most common electrodes of the type VK and TK, conditions that prevent the occurrence of abrasive wear and seizure are automatically fulfilled. Key words: electrical erosion alloying, electrode, component reconditioning.
Bohdanov Oleksandr, Candidate of technical Sciences, Associate Professor of the Department of Materials Science and Mechanical Engineering Technologies, Dnipro University of Technology, +38(050)6546886, e-mail: bogdanov.aleksandr17@ gmail.com,Dmytra Yavornytskoho Ave, 19, Dnipro, 49005, Ukraine.
Protsiv Volodymyr, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Materials Science and Mechanical Engineering Technologies, Dnipro University of Technology, +38(050)3203410, e-mail: protsiv@ukr.net, Dmytra Yavornytskoho Ave, 19, Dnipro, 49005, Ukraine.
Patsera Sergey, Candidate of technical Sciences, Professor of the Department of Materials Science and Mechanical Engineering Technologies, Dnipro University of Technology, +38(068)5791430, e-mail: sergiy.patsera@ukr.net, Dmytra Yavornytskoho Ave, 19, Dnipro, 49005, Ukraine.
Derbaba Vitalii, Candidate of technical Sciences, Associate Professor of the Department of Materials Science and Mechanical Engineering Technologies, Dnipro University of Technology, +38(096)9548210, e-mail: 5762634@gmail.com, Dmytra Yavornytskoho Ave, 19, Dnipro, 49005, Ukraine.
Алгоритм вибору матерiалу електрода за умо-ви електроккрового легування деталей Анотаця Мета. Шдвищення якостi поверхнево-го шару нових i вiдновлюваних деталей машин легуванням. Розроблення алгоритму вибору ма-терiалу електрода для електроiскрового легування деталей на основi методу по^довного на-ближення. Методи до^джень Трунтувалися на наявних технологiчних прийомах i устаткуваннi,
яК дозволяють здшснити процес електро1скро-вого легування 1з заданою товщиною поверхнево-го шару деталг. Керувальними чинниками в ство-ренш такого шару використовуються: електричний режим оброблення, хгмгчнг елемен-ти, що вводяться до складу легованого шару, та гх вгдсотковий вмгст, а також технологгчна схема оброблення (одноразова або багаторазова). Результати до^джень. Метод електроюкро-вого легування за свогми перевагами перевершуе так способи вгдновлення зношених поверхонь деталей, як детонацшно-газове та вакуумно-плазмове оброблення, наплавлення, гальванопок-риття, металгзацгя напиленням. Спецгальне об-ладнання дозволяе здшснити електрогскрове легування з будь-яког задано1 суцшьтстю поверхневого шару I пгдвищити продуктивнгсть процесу. У раз! електрогскрового легування елек-тродом, що м1стить тугоплавк елементи та 1хм сполуки, виконуються умови, що запобггають схоплювання першого та другого роду, остльки легування цими елементами тдвищуе температуру плавлення вих1дного матергалу, а утворення тривимгрног комгрковог субструктури сприяе тдвищенню температури повзучостг. Наукова новизна. Уперше запропоновано рацюнальний алгоритм вибору матергалу електрода на основI методу послгдовного наближення. Шсля низки послгдовних наближень досягають стабШзацп фазового складу системи й уточнюють хгмгчний склад електрода з необх1дним сп1вв1дношенням виду карб1д1в та 1нтерметал1д1в. Практичне значення. Застосування електрогскрового легування для вгдновлення деталей у промисловостг
забезпечить тдвищення зносост1йкост1 та жа-ростшкостI оброблених поверхонь в 1,5-2 рази. Унасл1док електрогскрового легування найбыьш поширеними електродами типу ВК I ТК автоматично виконуються умови, що запобггають появ! абразивного зношування та схоплювання. Ключовi слова: електрогскрове легування, елект-род, вгдновлення деталей.
Богданов Олександр Олександрович, к.т.н., доцент кафедри технологш машинобудування та матерiалознавства, +38(050)6546886, е-таЛ: Ьо^агюу.aleksandг 17@gmail.com, НТУ «Дшпровська полггехшка», 19, пр. Д. Яворницького, м. Дшпро, 49005, Украша.
Прощв Володимир Васильович, д.т.н., профе-сор кафедри технологш машинобудування та ма-терiалознавства, НТУ «Дшпровська полггехшка», +38(050)3203410, protsiy@ukr.net, НТУ «Дшпровська полггехшка», 19, пр. Д. Яворницького, м. Дшпро, 49005, Украша.
Пацера Сергш Тихонович, к.т.н., професор кафедри технологш машинобудування та матерiа-лознавства, НТУ «Дшпровська полггехшка», 19,+38(068)5791430, sergiy.patsera@ukr.net,
НТУ »Дшпровська полггехшка», 19, пр. Д. Яворницького, м. Дшпро, 49005, Украша. Дербаба Вггалш Анатолшович, к.т.н., доцент кафедри технологш машинобудування та матерь алознавства, НТУ «Дшпровська полггехшка», +38(096)9548210, 5762634@gmail.com, НТУ »Дшпровська полггехшка», 19, пр. Д. Яворницького, м. Дшпро, 49005, Украша.
УДК 621.91.01 DOI: 10.30977/ВиК2219-5548.2020.88.1.119
ВПЛИВ ПОВЕРХНЕВОГО ЗМ1ЦНЕННЯ ТВЕРДОСПЛАВНОГО 1НСТРУМЕНТУ НА ОБРОБЛЮВАН1СТЬ ВИСОКОМ1ЦНОГО ЧАВУНУ
1 2 3
Лалазарова Н. О. , Афанасьева О. В. , Попова О. Г. ^ар^вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш унiверситет 2Харкiвський нац1ональний ушверситет радiоелектронiки
3Харкiвський нацюнальний аерокосмiчний ушверситет iм. М.С. Жуковського «Хар^вський ав1ац1йний шститут»
Анотаця. Встановлено, що покращити оброблювамсть високом1цного чавуну тд час оброб-ляння твердосплавним тструментом можна за допомогою збыьшення здатност1 тструмен-ту до опору втомному зношенню, який зумовлений здебыьшого неоднор1дмстю високомщного чавуну. Ефективним методом тдвищенння надтност1 твердосплавного шструменту е повер-хневе пластичне деформування дробострум1нним обробленням за допомогою невеликого окру-глення ргзальних кромок г збыьшення мщностг.
Ключов1 слова: високом1цний чавун з кулястим графтом, структура, оброблювамсть, дробо-струм1нне зм1цнення, твердосплавний тструмент.
Вступ
Високомщний чавун з кулястим графггом (ВЧКГ), що мае високий рiвень експлуата-цшних властивостей, використовуеться за-мють сталевого прокату, шрого i ковкого ча-вушв. Для розвитку галузi машинобудування необхщш високомщш чавуни, що мають границю мiцностi понад 600-700 МПа i твер-дiсть 250-320 НВW, якi можна використову-вати для виготовлення деталей автомобшв, тракторiв, комбайшв, якi працюють в умовах великих навантажень [1]. Свiтовi тенденцil виробництва високомщного чавуну свщчать про збшьшення його обсягiв серед всiх лива-рних сплавiв. Високий рiвень ливарних влас-тивостей дозволяе розширити номенклатуру виробiв з чавуну, зменшити перерiз i масу виливкiв, тдвищивши цим 1хню жорсткiсть, та отримувати виливки бшьш складно! фор-ми. Бшьш широке застосування ВЧКГ у ви-готовленнi деталей машин разом з 1хньою надiйнiстю е потужним резервом зниження витрати матерiалiв, енерговитрат, собiварто-стi виробiв i покращення показникiв роботи [2]. Процес впровадження ВЧКГ з високим рiвнем експлуатацшних властивостей стри-муеться недостатнiм рiвнем його оброблюва-ностi.
Аналiз публжацш
Високомiцнi чавуни вiдрiзняються знач-ною мiцнiстю i твердiстю, неоднорiднiстю структури, що i призводить до зниження об-роблюваностi [3]. ВЧКГ характеризуеться значною неоднорiднiстю як за структурою, так i за хiмiчним складом, що сприяе штен-
сифiкацil втомного зношення твердих спла-вiв.
Покращення оброблюваносп досягаеться за рахунок таких змш: властивостей оброб-люваного матерiалу (легування, термiчне об-роблення чавунуу (вибiр iнструментального матерiалу, оптимiзацiя його геометрп, конс-трукцil та обробно-змщнювальне оброблен-ня), взаемодiя рiзального шструменту та за-готованки (попереднiй вплив на заготованку, додатковий вплив на зону рiзання, оптимiза-цiя режимiв рiзання).
Одним з методiв покращення оброблюваносп е пiдвищення надшносп рiзального iнструменту змiцненням поверхневим плас-тичним деформуванням (ППД), яке застосо-вуеться, якщо мае мiсце великий вщсоток вiдмов iнструментiв у зв'язку з втомним руйнуванням, що призводить до викришу-вання. Поширеними методами ППД для твердосплавного шструменту е вiброабрази-вне та дробострумшне змщнення [4].
Технологiя змiцнення поверхневим плас-тичним деформуванням заснована на впливi ППД на структуру i властивостi твердого сплаву, а також на мшрорельеф поверхнi та радiус округлення рiзальноl кромки [4].
У науковш лiтературi е вщомосп про ефективне використання вiброабразивного i дробострумiнного змiцнення iнструменту для точшня i фрезерування сталей, титанових сплавiв, сiрого чавуну [4].
Однак для високомщного чавуну щ види змщнення шструменту ще не знайшли широкого використання.
Мета i постановка завдання
Метою роботи е B^ip оптимального методу змiцнення шструменту з ВК8, який за-стосовуеться для оброблення високомщного чавуну. Для досягнення ще1 мети були пос-тавленi такi завдання: 1) дослщження поверхонь зносу твердосплавного шструменту шсля обробки ВЧКГ i встановлення типу; 2) дослщження впливу вiбpоабpазивного i дро-бостpумiнного змщнення на параметри i вла-стивосп твердосплавного iнстpументу.
Дослiдження впливу ППД твердосплавного ÏHCTpyMeHTy на оброблюванiсть ВЧКГ
Для проведення дослщжень використову-вали високомщний чавун хiмiчного складу: 3,3- 3,8 % С; 2,4- 3,2 % Si; С+1/3 Si = 4,254,35 %; 0,004- 0,007 % S; 0,5- 0,9% Mn; 0,045- 0,008 % P; 0,05- 0,1 % Cr; 0,1- 0,15 % Ni; 0,04- 0,09 % Mg.
Вихщний чавун характеризуеться розви-неною лшващею вшх хiмiчних елеменпв, що належать до його складу. Литий чавун неод-ноpiдний за структурою i за розподшенням хiмiчних елементiв. Ферит зосереджений за-галом в колографггнш зонi. Завдяки такш неодноpiднiй стpуктуpi в литому сташ ВЧКГ мае недостатньо високi показники мщносп, ударно1 в'язкостi, зносостiйкостi. Для отри-мання необхiдного piвня мехашчних власти-востей застосовуеться теpмiчне оброблення.
Дослщження проводилися на зразках чавуну шсля ноpмалiзацiï: на^в до 890 °С, витримка 1,5 години, охолодження в струме-нi повiтpя, твердють 310-320 HBW. Структура: соpбiтоподiбний пеpлiт (95 %) + ферит i кулястий графгг (рис. 1).
Рис. 1. Мшроструктура високомiцного чавуну шсля ноpмалiзацiï х 350
Як шструментальний матеpiал для продольного точшш використовували piзцi з
п'ятигранними пластинами з твердого сплаву ВК8.
Рiзцi з мехашчним кршленням п'яти-гранних пластин з ВК8 мали таю геомет-ричш параметри: ф=60°, ф!=10°, у=-8°, а=8°. Пластини доводили вздовж пеpеднiх i опор-них поверхонь порошком карбщу бору, заднi повеpхнi знаходились в сташ поставки (шсля сткання), pадiус округлення кромок доpiв-нював 8-10 мкм.
Стшюсш дослiдження проводили тд час продольного точiння заготованок з високомщного чавуну, дiаметpом 80 мм, довжиною 300, на токаpно-гвинтоpiзному веpстатi 1К62 мм. Пластини дослщжували на зносо-стiйкiсть за умов глибини piзання 0,4 мм та подачi 0,07 мм/об. Як характеристики оброб-люваностi використовували стiйкiсть шструменту Т, хв, що руйнуе подачу Sp, мм/об.
Зношенi повеpхнi iнстpументу дослщжу-вали на електронному мшроскош ЕМ-100БР та на растровому електронному мшроскош РЕМ-200.
Для пiдвищення ефективносп роботи pi-зального твердосплавного шструменту тд час оброблення чавуну застосовували методи змiцнення, заснованi на впливi ППД на структуру i властивосп твердого сплаву, а також на мшрорельеф повеpхнi i pадiус округлення piзальних кромок - вiбpоабpазивне та дробо-стpумiнне змiцнення.
Методи вiбpоабpазивного оброблення за-снованi на нанесенш великоï кiлькостi мш-pоудаpiв частинками наповнювача вздовж робочих поверхонь шструменту, що вшьно завантажений у вiбpувальний контейнер разом з наповнювачем [4]. Розроблена техноло-гiя характеризуеться переважним ударним мшровпливом, iнтенсивним пеpемiщенням iнстpументу i наповнювача, що забезпечуе задану змшу форми i мшрорельефу леза, пщ-вищений наклеп i вiдсутнiсть макроруйну-вань.
Вiбpоабpазивне змiцнення проводили на спещальнш вiбpоабpазивнiй установцi ВМ40С з камерою, об'емом 40 л, в середо-вищi боя абразивних кpугiв, гранулящею 1020 мм, з частотою 46 Гц та амплггудою 12 мм протягом 5 хвилин для отримання pадiуса округлення piзальноï кромки 15-20 мкм,12 хв для отримання pадiуса округлення piзальноï кромки 40 мкм та 30 хв для отримання pадiу-са округлення piзальноï кромки 70 мкм. При-лад характеризуеться великою продуктивню-тю, низьким piвнем шуму, зpучнiстю обслуговування, вщсутнютю шкiдливих еко-
лопчних факторiв та запиленосл повiтря.
Важливою перевагою вiброабразивного оброблення е рiзноспрямованiсть удару змь цнювального агента, що робить можливим рiвномiрне змiцнення виробiв складно!' фор-ми. ГОд час контролю на шструментальному мжроскош вiдхилення радiуса не перевищу-вали 10 %, будь-як дефекти вщсутш, повер-хнi шсля змiцнення стали матовими.
Властивостi шструменту в момент вiброа-бразивного змщнення пiдвищуються за ра-хунок отримання оптимального радiуса округлення рiзальних кромок i вершин, сприятливого рельефу поверхш, мало1 шорс-ткостi рiзальних поверхонь i кромок, а також наклепу, алотрошчних перетворень i остато-чних напружень в поверхневому шарi до 0,01 мм [4, 5].
Змют дробострумшного змiцнення поля-гае у впливi потоку сталевого або чавунного дроблення на рiзальнi поверхнi шструменту. Для забезпечення необхщного кута атаки шструменти закрiплюють в спецiальному пристосуванш. Дробострумiнне змiцнення здiйснювали на спещальному приладi УД1 з дробометним колесом, дiаметром 350 мм i частотою обертання 350 об/хв. Твердосплав-ш пластини закрiплювали у пристосуваннi й обробляли дробом ДЧК-0 без змащувально-охолоджувально1 рiдини. Прилад характери-зуеться малою метало- та енергоемнютю.
Шсля дробострумшного змщнення шд-вищуеться мщнють за рахунок остаточних напружень стискання на глибиш до 0,3 мм. Менше значення мае алотропiчне перетво-рення кобальту, видалення дефектного пове-рхневого шару, невелике округлення кромок i вершин та релаксацш м1жфазних напружень [6]. Контроль пластин шсля змщнення про-демонстрував вiдсутнiсть дефеклв та викри-шувань, поверхнi пластин е блискучими.
Для твердосплавного шструменту шд час оброблення високомiцного чавуну з перлгго-феритною структурою характерне адгезшно-абразивне зношення та втомне руйнування (рис. 2).
Дослщження поверхонь зношення рiзцiв з твердого сплаву ВК8 на електронному мж-роскош пiсля оброблення нормалiзованого чавуну продемонстрували наявнють втомно-го руйнування: зношеш поверхнi покритi сь ткою мжротрщин, розвиток яких призводить до викришування (рис. 3, а).
Циклiчнi навантаження сприяють перю-дичнiй змiнi на контактних поверхнях рiза-льного шструменту дотичних i нормальних
напружень. Вони неоднаково впливають на неоднорщну структуру твердого сплаву вна-слiдок вщмшност у властивостях фаз зв'язки i карбiдiв. Зношення твердого сплаву в обла-стi великих стiйкостей вщбуваеться в резуль-татi втомного руйнування зерен карбдав, iз зношувано1 поверхш яких видаляються дрiб-нi частинки, або за рахунок видалення зерен карбдав в результат втомного руйнування зв'язки.
Рис. 2. Характер зношення твердосплавного шструменту шд час оброблення високо-мщного чавун: а - х900; б - х 150
Покращити оброблюванiсть ВЧКГ пiд час рiзання твердосплавним iнструментом можна за допомогою шдвищення здатностi шстру-менту до опору втомному зношенню, який зумовлений головним чином неоднорщнютю високомщного чавуну. Цього можна досягти покращенням якос^ рiзальних елементiв ш-струментiв за рахунок ППД твердого сплаву вiброабразивним або дробострумшним обро-бленням.
Дослщження стiйкостi твердого сплаву ВК8 шсля вiброабразивного змiцнення пiд час точшня високомiцного чавуну продемонстрували, що максимум стшкос^ вiдповiдае радiусу округлення рiзальноl кромки 15 мкм за умов вихщного 10 мкм. Подальше збшь-шення радiуса округлення рiзальноl кромки призводить до зниження перюду стiйкостi (збiльшення радiуса до 70 мкм знижуе стш-
юсть в 1,9 раза) шд час точшня нормал1зова-ного чавуну, що пов'язано з1 зменшенням площини контакту, яке призводить до збшь-шення контактного тиску та штенсифшаци зношення. Якщо рад1ус округлення стано-вить 15 мкм, спостер1гаеться також най-менше розсшвання перюду стшкосл. Зни-ження розсшвання стшкосл за умов округлення леза пов'язано з1 зменшенням викришування р1зальних кромок. Зношення р1зщв 1з округленими кромками е бшьш р1в-ном1рним { стабшьним. Таким чином, тдтве-рджуеться кориснють невеликого округлення, що забезпечуе шдвищення якост р1зальних поверхонь { кромок.
„шж ы
■ , Г ... : Ji; .,.
й
V ' Ш
г< . с т*
--ГАг-
' ■ Л
та ..'ivij
ь
<
) >
/V
*<ki;
£ V
' лШ
Рис. 1. Мiкротрiщини на зношенiй поверхш пластини з твердого сплаву ВК8: а - без оброблення; б - шсля вiброабразивного змiцнення; в - шсля дробострумiнного змiцнення, х 10000
Дослщження зношених поверхонь твердосплавного шструменту, змiцненого вiброаб-разивним обробленнямю, продемонстрували незначне зменшення кiлькостi трщин (рис. 3, б).
Стшюсш випробування, як були проведет з використанням твердого сплаву, що змщнений в1броабразивним обробленням, продемонстрували пщвищення стшкосл шд час оброблення нормал1зованого чавуну в 1,15 раза (табл. 1).
Мщшсть твердосплавного шструменту визначали за руйнувальною подачею 5р. Для пластин шсля в1броабразивного змщ-нення 1з рад1усом округлення р1зально! кромки 15 мкм руйнувальна подача мала макси-мальне значення - 1,56 мм/об (табл. 1), тобто вщбуваеться невелике збшьшення мщносп шструменту.
Дробострумшне оброблення бшьш сутте-во шдвищуе мщнють шструменту 1 призводить до невеликого округлення р1зально! кромки. Максимум мщносл спостер1гаеться шд час обробляння дробом протягом 90 с.
Таблиця 1 - Результати випробувань р1зщв, що змщнеш в1броабразивним обробленням
Показники Без змь цнення 3i змщ-ненням Змша показ-ника
Середнш перюд стшкосл, хв 24 27,6 1,15
Коефщ1ент варь ацп стшкосп 0,52 0,4 1,3
Руйшвна подача, мм/об 1,4 1,56 1,1
Збшьшення мщносл доводять результата-ти дослщження руйнувально1 подачi: ii величина збшьшилася до 2,28 мм/об, тобто в 1,6 раза, як порiвняти з шструментом у вихщно-му станi (табл. 2).
Таблиця 2 - Результати випробувань р1зщв, що змщнеш дробострумшним обробленням
Показники Без змщ-нення 3i змщ-ненням Змша пока-зника
Середнш перюд стшкосл, хв 24 31 1,3
Коефщ1ент вар1ацп стшкосл 0,52 0,37 1,4
Руйшвна подача, мм/об 1,4 2,28 1,6
Змщнення, ймовiрно, пов'язано з виник-ненням залишкових стискальних напружень, рiвень яких в поверхневому шарi на глибиш до 0,3 мм може досягати для фази карб^ 1200 МПа, а для кобальтово1 фази - 400 МПа [6]. Дослiдження поверхш зношення пласти-
а
б
ни з твердого сплаву, яку шддавали оброб-ленню дробом протягом 80 с, продемонстру-вали, що кiлькiсть трiщин суттево зменшила-ся (рис. 3, в), а це призводить до зменшення викришувань рiзальноl кромки i сколiв.
Стiйкiснi випробування, проведенi з вико-ристанням твердого сплаву ВК8 шсля дробострумшного оброблення, продемонстрували шдвищення середнього перюду стшкосп пiд час оброблення нормалiзованого чавуну в 1,3 раза, а зменшення коефщента варiацil стш-ностi у 1,4 раза (табл. 2).
Таким чином, дробострумшне змщнення твердосплавного шструменту е ефективним засобом шдвищення оброблюваносп ВЧКГ за рахунок невеликого округлення леза i створення залишкових напружень стискання в поверхневому шар^ що зменшуе вiрогiд-нiсть втомних руйнувань, якi превалюють пiд час обробляння деталей з високомщного чавуну.
Вiброабразивне змiцнення е менш ефективним в тих випадках, коли вщбуваеться втомне руйнування.
Висновки
1. Характерним видом зношення для твердосплавного шструменту тд час оброблення високомщного чавуну з кулястим графггом е адгезшно-абразивне та втомне руйнування.
2. Вiброабразивне змiцнення твердого сплаву знижуе розсдавання стiйкостi шстру-менту, в 1,15 раза збшьшуе середнiй перiод стшкосп, якщо радiус округлення рiзальних кромок е не бшьше, нiж 15-20 мкм, зменшуе коефщент варiацil стшкосп.
3. Дробострумшне змщнення твердосплавного шструменту е бшьш ефективним методом шдвищення надшносп рiзального iнструменту i покращення оброблюваностi високомiцного чавуну, оскшьки призводить до збiльшення стiйкостi шструменту в 1,3 раза та руйнувально! подачi в 1,6 раза зменшення коефщента розсiювання стiйкостi.
4. Дробострумшне змщнення сприяе зме-ншенню втомних руйнувань твердосплавного шструменту за рахунок невеликого округлення рiзальних кромок i збiльшення мщносп.
Лiтература
1. Бубликов В. Б. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом - уникальный конструкционный материал современного машиностроения. Компрессорное и энергетическое машиностроение, 2014. № 2 (36). С. 44- 47.
2. Александров Н. Н. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом - перспективный конструкционный материал XXI века. Арма-туростроение. № 2 (53). 2008. С. 72- 74.
3. Батыгин Ю. В., Лалазарова Н. А. Исследование обрабатываемости высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Вестник ХНАДУ, 2011. Вып. 54. С. 123- 126.
4. Сборный твердосплавный инструмент / Г. Л. Хает и др. Москва: Машиностроение, 1991. 256 с.
5. Гах В. М., Пальцев В. А. Эффективность при-
менения различных технологий виброабразивной обработки твердосплавного инструмента. Вiбрацil в техшщ та технолопях. 2009. №4 (56). С. 75-81.
6. Хает Л. Г., Гах В. М., Черномаз В. Н. Формирование поверхностного слоя при отделочно-упрочняющей обработке твердых сплавов. Сверхтвердые материалы. 1984. № 6. С. 43-49.
References
1. Bublikov V. B. Vyisokoprochnyiy chugun s sha-rovidnyim grafitom [High-strength nodular cast iron - a unique structural material of modern engineering]. Kompressornoe i energeticheskoe mashinostroenie [Compressor and power engineering], 2014, No. 2(36), pp. 44-47 (In Russian).
2. Aleksandrov N. N. Vyisokoprochnyiy chugun s sharovidnyim grafitom - perspektivnyiy kon-struktsionnyiy material XXI veka [High-strength nodular cast iron - a promising structural material of the 21st century]. Armaturostroenie [Armature building]. 2008. No. 2(53), рр. 72-74 (In Russian).
3. Batyigin Yu. V., Lalazarova N. A. Issledovanie obrabatyivaemosti vyisokoprochnogo chuguna s sharovidnyim grafitom [Workability study of ductile iron]. Vestnik HNADU [Bulletin of KhNAHU], 2011. No.54, pp. 123-126.
4. Sbornyiy tverdosplavnyiy instrument [Precast Carbide Tool] / Haet G. L. i dr. Moscow, Engineering, 1991. 256 p. (In Russian).
5. Gah V. M., Paltsev V. A., Gah I. O. Effektivnost primeneniya razlichnyih tehnologiy vibroabrazi-vnoy obrabotki tverdosplavnogo instrumenta [The effectiveness of the application of various technologies of vibroabrasive processing of carbide tools] Vibratsiyi v tehnitsi ta tehnologiyah [Vibration in technology and technology]. 2009. No. 4(56). Pp. 75-81 (In Russian).
6. Haet L.G., Gah V.M., Chernomaz V. N. Formiro-vanie poverhnostnogo sloya pri otdelochno-uprochnyayuschey obrabotke tverdyih splavov [The formation of the surface layer during the finishing and hardening treatment of hard alloys] Sverhtverdyie materialyi [Superhard materials], 1984. No. 6. Pp. 43-49 (In Russian).
Лалазарова Наталiя Олекспвна, к.т.н., доцент кафедри технологи металiв та матерiалознавства, тел. (057) 707-37-92, e-mail: lalaz1932@gmail.com, Харшвський нацiональний автомобшьно-дорожнiй унiверситет, вул. Ярослава Мудрого, 25, м. Харшв, 61002, Укра!на, Афанасьева Ольга Валентишвна, к.т.н., доцент кафедри фiзичних основ електронно! технiки, тел. (+38) 096-525-62-35, e-mail: 7584839@ukr.net, Харшвський нацюнальний ушверситет радюеле-ктроники, пр. Науки, 14, м. Харшв, 61166, Укра!-на,
Попова Олена Георгпвна, кт.н., доцент кафедри композитних конструкцш та авiацiйного матерiа-лознавства, тел. (+38) 0675701217, e-mail: o.popova@khai.edu, Харшвський нацюнальний аерокосмiчний ушверситет iм. М.£. Жу-ковського «Харшвський авiацiйний шститут», вул. Чкалова, 17, м. Харшв, 61070, Укра!на.
The influence of surface strengthening of hard-alloy tool on high strength cast iron manu-facturability
Abstract. Problem. High-strength cast irons are characterized by considerable strength and rigidity, heterogeneity of structure, which leads to reduced machinability. Cast iron is characterized by significant heterogeneity in both structure and chemical composition, which contributes to the intensification of the fatigue wear of hard alloys. The process of introducing cast iron with a high level of performance is hampered by an insufficient level of ma-chinability. Improved machinability is achieved not only by changing the structure and properties of cast iron, but also by cutting conditions. Goal. The goal is choozing the optimal method of reinforcement of the VK8 tool used in machining high-strength cast iron to reduce the intensity of fatigue fracture and improve the workability of cast iron. Method. The carbide tool was subjected to vibration abrasive and shot blasting. Sturdy studies were performed in the longitudinal turning of high-strength cast iron on a lathe. Worn tool surfaces were examined using an EM-100BR electron microscope and a REM-200 scanning electron microscope. Results. A typical type of wear for a carbide tool when machining high-strength cast iron with spherical graphite is adhesive-abrasive and fatigue fracture. Studies have shown that hardening of a carbide tool with surface plastic deformation by blasting is a more effective method of improving the reliability of the cutting tool and improving the machinability of high-strength cast iron than vibrating. Scientific novelty. Shot blasting helps reduce the intensity of fatigue fractures of carbide tools when machining non-uniform high-strength cast iron due to the small rounding of the cutting edges and increased strength. Practical significance. Shot blasting leads to a 1.3-fold increase in tool stability, a decrease in the scattering coefficient, and an 1.4-fold increase in destructive flow.
Key words: ductile cast iron, structure, machinability, shot blasting, carbide tool.
Lalazarova Nataliia, PhD, Associate Professor, Department of Technology of Metals and Materials Science, tel. (057) 707-37-92, e-mail: lalaz 1932@gmail.com, Kharkiv National Automobile and Highway University, Yaroslava Mudrogo str., 25, Kharkiv, 61002, Ukraine, Afanasieva Olga, PhD, Associate Professor, Physical Foundations of Electronic Engineering Department, tel. (+38) 096-525-62-35, e-mail: 7584839@ukr.net, Science Avenue, 14, Kharkiv National University of Radio Electronics, Kharkiv, 61166, Ukraine.
Popova Olena, PhD, Associate Professor, Department of Composite Structures and Aviation Materials, (057) 788-44-03, e-mail: o.popova@khai.edu, Kharkiv National Aerospace University «Kharkiv Aviation Institute», Chkalov str., 17, Kharkiv, 61070, Ukraine.
Влияние поверхностного упрочнения твердосплавного инструмента на обрабатываемость высокопрочного чугуна Аннотация. Установлено, что улучшить обрабатываемость высокопрочного чугуна при обработке твердосплавным инструментом можно за счет увеличения сопротивления инструмента усталостному износу, который обусловлен, в основном, неоднородностью высокопрочного чугуна. Эффективным методом повышения надежности твердосплавного инструмента является поверхностное пластическое деформирование дробеструйной обработкой за счет небольшого округления режущих кромок и повышения прочности.
Ключевые слова: структура, обрабатываемость, дробеструйное упрочнение, твердосплавный инструмент.
Лалазарова Наталия Алексеевна, к. т. н., доцент кафедры технологии металлов и материаловедения, тел. (057) 707-37-92, e-mail: lalaz1932@gmail.com, Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, 25, ул. Ярослава Мудрого, 25, г. Харьков, 61002, Украина,
Афанасьева Ольга Валентиновна, к.т.н., доцент кафедры основ электронной техники, тел. (+38) 096-525-62-35, e-mail: 7584839@ukr.net, Харьковский национальный университет радиоэлектроники, пр. Науки, 14, г. Харьков, 61166, Украина.
Попова Елена Георгиевна, к.т.н., доцент кафедры композитных конструкций и авиационного материаловедения, тел. (057) 788-44-03, e-mail: o.popova@khai.edu, Харьковский национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», ул. Чкалова, 17, г. Харьков, 61070, Украина.
