CC BY
19
УДК 621.9
Экспрессная сравнительная оценка работоспособности концевых твердосплавных фрез
Б. Я. Мокрицкий, Д. А. Пустовалов, В. Ю. Кваша
Высокая цена твердосплавных концевых фрез не свидетельствует о том, что требуемая точность обработки заготовки и производительность механической обработки могут быть получены только такой фрезой. Эти же показатели можно достичь при использовании составных фрез, у которых хвостовая часть выполнена из конструкционного материала, рабочая часть — из твердосплавного материала, части между собой ориентированы и соединены. Варианты ориентирования и соединения могут быть разными, что влияет на эксплуатационные показатели и область применения той или иной конструкции фрезы.
Ключевые слова: выбор рациональной конструкции составных твердосплавных концевых фрез, обеспечение точности обработки, прогнозирование эксплуатационных свойств инструмента.
Введение
Справочные рекомендации по выбору материала металлорежущего инструмента обычно ориентированы на общемашиностроительные условия эксплуатации. Они не применимы, если условия эксплуатации иные, например при обработке заготовок, выполненных из новых материалов авиационной отрасли. При больших объемах потребления инструмента цена ошибки велика. Достоверным методом оценки правильности выбора в таких ситуациях является натурный эксперимент. Но затраты на него тоже значительны, поскольку стоимость одного станко-часа для ряда современных станков с ЧПУ составляет 40 тысяч рублей и более. Еще более критична ситуация при разработке нового инструментального материала или при разработке технологического процесса его упрочнения. В этих случаях требуется сравнение нескольких вариантов технологических процессов, а это означает, что затраты возрастут в разы или на порядок. Естественен вывод о том, что нужен метод, который мог бы позволить экспрессно прогнозировать работоспособность инструмента, выполненного из того или иного сравниваемого инструментального материала, например период стойкости инструмента.
При этом подходе необходимо создать такой метод испытания (экспрессной сравни-
тельной оценки) материалов, который бы позволял еще на этапе разработки материалов расставлять их в определенной последовательности при измерении некоего простого параметра, например в порядке убывания периода стойкости инструмента.
Ниже показана возможность прогнозирования эксплуатационных свойств цельных и составных концевых твердосплавных фрез по результатам сравнения параметров следа взаимодействия индентора с исследуемыми образцами (изделиями) при маятниковом скрайбировании [1—3].
Обсуждение результатов
Рассмотрим простейшую производственную ситуацию на примере механической обработки концевыми фрезами пазов и уступов в заготовках деталей авиационного назначения. Пусть созданы условия обработки:
1) фрезами разной конструкции и одинаковой геометрии, а именно:
• корпус выполнен из конструкционной стали, твердосплавные режущие пластины припаяны к корпусу;
• корпус выполнен из конструкционной стали, твердосплавные режущие пластины закреплены механически;
• фреза выполнена цельной твердосплавной;
• фреза выполнена составной, а именно рабочая часть (далее условно она названа режущей) выполнена из твердого сплава, корпус (далее назван хвостовиком) выполнен из конструкционной (или функциональной) стали, режущая часть и хвостовик ориентированы друг относительно друга и соединены (например, пайкой);
2) заготовок деталей, выполненных из различных материалов, а именно:
• из титановых сплавов (пока марка сплава не конкретизируется);
• коррозионно-стойких сплавов;
• алюминиевых сплавов;
3) на современных многокоординатных высокопроизводительных станках с ЧПУ;
4) поверхностей, имеющих ограничения по допуску на размер и по отклонению от расположения, а именно регламентируется отклонение от вертикали положения стенки паза в обрабатываемой заготовке.
Поясним последний пункт. Если регламентировать угол отклонения от вертикали стенки паза, то погрешность получаемого размера будет зависеть от высоты стенки паза и прогиба фрезы. Чем более глубоко расположена стенка паза, тем больше будет длина фрезы, тем больше будет прогиб. Чем более высокопроизводительной будет обработка, тем выше могут быть силы резания, тем выше будет прогиб.
Пусть для этой исходной ситуации без ущерба качеству и производительности обработки требуется:
а) отдать предпочтение какой-то конструкции фрезы;
б) отдать предпочтение той или иной марке инструментального материала;
в) минимизировать затраты на поиск оптимальных решений.
Чтобы отдать предпочтение, необходимы критерии сравнения. Выбор критериев обусловливается рядом обстоятельств, например производительностью обработки, характером разрушения фрез, износом режущих кромок, шероховатостью обработанной поверхности, отклонением параметров обработанной поверхности от заданных требований.
Анализ результатов эксплуатации фрез разной конструкции показывает, что:
а) цельными твердосплавными фрезами можно обрабатывать заготовки с минимальными отклонениями по точности обработки и с максимальной производительностью обработки, но они дорогие и их характер раз-
Рис. 1. Примеры сколов цельных твердосплавных фрез
рушения не позволяет (рис. 1) в полной мере исчерпать ресурс твердого сплава;
б) применение фрез со стальным корпусом на тех же режимах резания, которые применимы для цельных твердосплавных фрез, ведет к некоторому прогибу фрезы, что снижает точность обработки.
Промежуточным решением является применение составных фрез, а именно конструкции, в которой режущая часть выполнена из твердого сплава, хвостовик фрезы — из конструкционной стали, хвостовик и режущая часть соединены между собой. В этом случае стоимость фрезы ниже, чем стоимость цельной твердосплавной, точность обработки ниже (из-за большого отклонения вследствие большего прогиба стального хвостовика), но выше чем в случае, когда весь корпус фрезы выполнен из конструкционной стали (режущие твердосплавные пластины припаяны или закреплены механически). Отдельные примеры сравнительных результатов испытаний приведены в табл. 1.
Получены следующие рекомендации:
1) нет универсальной конструкции фрезы, обеспечивающей эффективное применение ее в различных условиях эксплуатации: чем выше требуется производительность и точность обработки, тем меньший прогиб фрезы допустим и тем выше издержки на инструмент;
2) при прочих равных условиях применение цельных твердосплавных фрез оправдано при обработке заготовок, выполненных из труднообрабатываемых материалов, например из титановых сплавов;
3) применение фрез с корпусом из конструкционной стали оправдано в условиях обработки тех авиационных материалов, при
Таблица 1
Сведения об обеспечении точности (числитель) и производительности (знаменатель) обработки заготовок фрезами разной конструкции в сопоставимых условиях эксплуатации
Конструктивный признак концевой фрезы Стали Сплавы
конструкционные коррозионно-стойкие броневые (АК-29, АК-32ПК) алюминиевые титановые
Цельная твердосплавная о/х о/х о/х о/х о/х
Составная фреза: 1-й вариант 2-й вариант 3-й вариант 4-й вариант оооо оооо о/х о/х г/х г/у оооо о/х о/х г/у б/у
Напайная фреза о/х; г/у о/х; г/у б/у б/н б/н
0 б о з н а ч е н и я: о — точность обработанных поверхностей обеспечена; г — точность на грани риска появления брака; б — точность не обеспечена; х — производительность хорошая, т. е. на уровне производительности, обеспечиваемой цельной твердосплавной фрезой; у — производительность удовлетворяет, т. е. снижена не более чем на 10 % по отношению к цельной твердосплавной фрезе; н — производительность низкая. П р и м е ч а н и я. 1. При обработке каждой группы материалов использовались свои параметры режима резания, они были постоянными для фрез всех конструкций. 2. Для режущей части фрезы материалы указаны в табл. 2. Стальной корпус фрезы выполняли из 30ХГСА или Р18. 3. Геометрия фрез соответствовала группе обрабатываемого материала.
которых силы резания минимальны, например, при обработке заготовок, выполненных из алюминиевых сплавов;
4) применение составных фрез является компромиссом — оно все более оправдано по отношению к фрезам со стальным корпусом с ростом прочности и твердости обрабатываемых материалов, например, при обработке коррозионно-стойких авиационных сталей.
Проблема выбора конструкции фрезы не исчерпана. Даже в случае выбранного варианта конструкции фрезы остается открытым вопрос о выборе марки твердосплавного материала для обработки заготовки, выполненной из материала конкретной марки титанового или алюминиевого сплава, коррозионно-стойкой стали. Необходимы критерии для такого выбора. Натурный производственный эксперимент не применим из-за высокой стоимости станко-часа и при ограниченном числе заготовок деталей.
Необходим экспресс-оценочный метод, особенно при разработке новых инструментальных материалов под заданные условия эксплуатации. В качестве такого метода предлагается маятниковое скрайбирование [1—4], позволяющее использовать параметры следа скрай-бирования как критерии, по которым прогнозируется уровень эксплуатационных свойств инструмента. Это поможет выстроить сравниваемые инструментальные материалы в ран-дометрический ряд по их эффективности применения для заданных условий эксплуатации.
Оценена возможность использования максимальной ширины или длины следа маятникового скрайбирования в качестве критериев сравнения эксплуатационных свойств инструментальных материалов. В табл. 2 приведены значения этих параметров для идентичных условий нагружения нескольких (российских и международных) марок твердосплавных инструментальных материалов.
Таблица2
Измеренные значения параметров следа при идентичные условиях маятникового скрайбирования твердосплавных инструментальных материалов разных марок
Параметры следа Марки исследуемых материалов
ВК8 (ISO K30-K40) TF15 T15K6 (ISO P10) NX2525 T30K4 (ISO P05)
Ширина следа, мм 0,071 0,068 0,06 0,055 0,05
Длина следа, мм 8,23 7,92 8,05 8,71 7,95
Отношение длины к ширине следа 115,92 116,61 134,16 158,36 159
Таблица 3
Взаимосвязь максимальной ширины следа скрайбирования с физико-механическими свойствами инструментальных материалов через последовательность расположения сравниваемых материалов в рандометрических рядах по изменению свойств инструментальных материалов
Марка инструментального материала Последовательность расположения в ряду по росту физико-механических свойств Последовательность расположения в ряду по росту максимальной ширины следа скрайбирования Последовательность расположения в ряду по росту эксплуатационных свойств материалов (по периоду стойкости инструмента при резании)
По модулю упругости По твердости
Р6М5 (S 6-5-3) (ISO 1.3343) 1 1 7 1
Р12 (S 12-1-4-5) 2 2 6 2
Р18 (ISO 1.3302) 3 3 5 3
ВК8 (ISO K30-K40) 4 4 4 4
T15K6 (ISO P10) 6 6 2 6
T30K4 (ISO P05) 5 5 3 5
TF15 7 7 1 7
Рис. 2. Графическая иллюстрация примеров следов (а—в) маятникового скрайбирования и их параметров (г): а — фотография начала следа скрайбирования; б — фотография поверхности твердого сплава ВК8 в следе скрайбирования; в — примеры начал следов скрайбирования упругопластичного материала; г — взаимосвязь максимальной ширины следа скрайбирования со структурой инструментальных твердых сплавов и вязкостью разрушения:
— вязкость разрушения МПа • м1/2; — — при глубине скрайбирования h = 0,05; — — при глубине скрайбирования h = 0,1; — — при глубине скрайбирования h = 0,15
Из табл. 2 следует, что использование ширины следа для данных условий проблематично из-за того, что различие заметно только во втором или в третьем знаке после запятой. С этой точки зрения использование длины следа предпочтительнее.
Допустимо также использовать в качестве критерия отношение длины к ширине следа, так как различие в этой величине более заметно и значение возрастает для выбранной последовательности марок материалов (это объясняется тем, что изменение длины более значительно, чем изменение ширины). В то же время для другой группы сравниваемых инструментальных материалов эта последовательность может быть иной и ширина следа там может быть использована в качестве прогнозирующего параметра. Такой пример показан в табл. 3, где указаны не сами значения сравниваемых параметров, а место данного материала в ряду сравниваемых материалов.
Из табл. 3 следует, что из семи сравниваемых инструментальных материалов наиболее рациональным для выбранных условий резания является материал ТЕ15, потому что у него наиболее благоприятное (седьмые места) сочетание физико-механических характеристик (модуля упругости и твердости), при этом у него самый меньший уровень повреждений (меньше максимальная ширина следа скрайбирования) при маятниковом скрай-бировании и самые высокие (седьмое место) эксплуатационные свойства (максимальный период стойкости).
Для оценки чувствительности метода маятникового скрайбирования проведены дополнительные эксперименты. Например, оказалось возможным с помощью метода маятникового скрайбирования идентифицировать структуру твердого сплава и оценить упругие свойства материала. На рис. 2 показаны примеры следов скрайбирования и оценки влияния структуры материала на параметры следа скрайбирования. Если предположить, что зависимости, представленные на рис. 2, г, имеют линейный характер, то зависимость максимальной ширины следа скрайбирования от размера < зерна твердого сплава можно представить полиномом, например зависимостью
у = 0,086 + 0,013<
для случая максимальной глубины внедрения индентора, равной 0,1 мм.
Выводы
1. В работе показано, что применение составных фрез взамен цельных твердосплавных фрез оправдано в ряде производственных ситуаций. Нет необходимости в повсеместном применении цельных твердосплавных фрез, необходимость в них растет с ростом требований к точности изготовления, с ростом производительности обработки, с ростом прочности обрабатываемых материалов. Для изготовления деталей общемашиностроительного назначения достаточно применения составных фрез.
2. В производстве может быть использовано несколько вариантов конструкций составных фрез. Каждый из вариантов имеет свою рациональную область применения по группам обрабатываемых материалов и параметрам режима резания.
3. При выбранном варианте конструкции фрезы рациональная марка инструментального материала может быть выбрана экспресс-оценочно с применением метода маятникового скрайбирования. Это сокращает затраты средств и времени и позволяет прогнозировать эксплуатационные свойства режущего инструмента по результатам измерения параметров следа скрайбирования.
Работа выполнена при поддержке грантов № 2014/68 (код проекта 254) и № 9.251.2014/К (код проекта 251) Минобрнауки.
Литература
1. Схемы нагружения и методики оценки физико-механических характеристик и эксплуатационных свойств инструментальных материалов / Б. Я. Мокрицкий, В. В. Петров, В. В. Высоцкий, А. В. Артеменко // Ученые записки КнАГТУ. 2013. № 4-1 (13). С. 51-59.
2. Пустовалов Д. А., Мокрицкий Б. Я., Саблин П. А. Методики оценки свойств материалов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2013. № 6. С. 36-41.
3. Методики и некоторые результаты применения метода акустической эмиссии для оценки эксплуатационных свойств инструментальных материалов / Б. Я. Мок-рицкий, В. В. Высоцкий, Е. Ю. Соболев, К. Ю. Дроздов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2012. № 7. С. 37-42.
4. К вопросу об управлении работоспособностью металлорежущего инструмента: оптимизация свойств инструментальных материалов / Б. Я. Мокрицкий, Е. А. Панова, М. А. Козлова, П. А. Саблин // Ученые записки КнАГТУ. 2014. № 2-1 (18), С. 61-69.
