ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

#2(731) 2021

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. МАШИНОСТРОЕНИЕ

3

Машиностроение и машиноведение

УДК 621.9-05 doi: 10.18698/0536-1044-2021-2-3-8

Инструментальные материалы для токарной обработки специализированных нержавеющих сталей

Б.Я. Мокрицкий, Э.С. Ситамов

Комсомольский-на-Амуре государственный университет

Tool Materials for Turning Specialized Corrosion-Resistant Stainless Steels

B.Y. Mokritskiy, E.S. Sitamov

Komsomolsk-na-Amure State University

Рассмотрены вопросы повышения периода стойкости инструмента при точении специализированных труднообрабатываемых нержавеющих сталей 09Х17Н7Ю, 12Х18Н10Т и 13Х15Н5АМ3 типовыми сменными твердосплавными режущими пластинами. Для выработки рекомендаций по сокращению расхода инструмента выполнен комплекс экспериментальных и имитационных исследований. Имитационное моделирование проведено в программной среде Deform по трем параметрам: температуре, напряжению и деформации. Результаты моделирования сопоставлены с эксплуатационным параметром (износом инструментального материала). Имитационное моделирование осуществлено для десяти различных покрытий на твердосплавном субстрате марки ВК8. В качестве базового инструментального материала использован твердый сплав ВК8, остальные инструментальные материалы различались архитектурой (конструкцией, составом, структурой и методом распыления) покрытий, нанесенных на субстрат ВК8. Разработана методика выбора наиболее рациональных инструментальных материалов. Данные, полученные имитационным моделированием, проверены экспериментально. Достигнуто хорошее совпадение результатов имитационного моделирования и экспериментального исследования.

Ключевые слова: износостойкость инструмента, повышение работоспособности, сменные режущие пластины

The issues of increasing tool durability in relation to the process of turning specialized hard-to-work corrosion-resistant stainless steels of grades 09Х17Н7Ю, 12Х18Н10Т and 13Х15Н5 AM-3 with standard replaceable carbide plates are considered. To develop recommendations, a set of experimental and simulation studies was performed. Simulation was performed in the Deform software environment using the parameters "temperature", "stress", and "strain". The simulation results are compared with the operational parameters (the amount of wear of the tool material). Simulation modeling was performed for 10 different types of coatings on a hard-alloy substrate of the ВК8 brand. The base tool material is a hard alloy of the ВК8 grade, while the other tool materials differ in the architecture (design, composition, structure, and method of coating) of the coatings applied to the ВК8 substrate.

4

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. МАШИНОСТРОЕНИЕ

#2(731) 2021

A method for selecting the most rational tool materials has been developed. The results obtained by simulation were verified experimentally. A good match of results was achieved.

Keywords: tool wear resistance, improving the performance, replaceable cutting plates

Коррозионностойкие стали получили широкое распространение в судостроении, нефтегазовой, пищевой, химической и других отраслях промышленности, и потребность в них постоянно возрастает. Такие стали относятся к труднообрабатываемым.

Расход металлорежущего инструмента при обработке заготовок деталей, выполненных из таких сталей, значителен, поэтому его необходимо сократить. Кроме того, есть примеры, когда износостойкость металлорежущего инструмента недостаточна для обработки одной поверхности заготовки, а смена этого инструмента или его режущей кромки недопустима.

К коррозионностойким относится и специализированная нержавеющая сталь 09Х17Н7Ю, разработанная в СССР в первой половине ХХ века. Существующие рекомендации по сокращению расхода инструмента нельзя использовать по ряду причин, в том числе из-за отсутствия станочного оборудования, для которого их разработали. Зарубежные инструментальные материалы неприменимы либо дают ошибочный результат.

Цель работы — выработка рекомендаций по сокращению расхода сменных режущих пластин (РП) с учетом современных условий и требований.

Т, мин

150 -

100 -

50 - —

01-—-—-—-—-

13 2 4

Способ упрочения

Рис. 1. Значения периода стойкости Т РП из стали ВК8, упрочненных различными способами: 1 — термозаточкой с полированием; 2 и 3 — нанесением покрытия методом КИБ с фильтрацией капельной фазы при ассистировании ускоренными ионами с использованием инструментального материала ВК8 + Т (до 1 мкм)+ ТЫ (1 мкм) + (№йгТШ)Ы (2,5 мкм) и ВК8 + Т (до 1 мкм) + ™ (1 мкм) + (ТЛ1)Ы (2 мкм) + + TiN (0,5 мкм); 4 — без упрочнения

Далее приведены отдельные результаты по разработке таких рекомендаций. Более подробно эти результаты изложены в работах [1-4]. Для повышения работоспособности РП — их периода стойкости до износа 0,5 мм по задней грани (далее период стойкости) — исследована перспективность нанесения на РП покрытий как известных [5-10], так и специально разработанных для данных или предполагаемых условий эксплуатации.

Отдельные значения периода стойкости РП из стали ВК8, упрочненной различными способами, приведены на рис. 1. Там же для сравнения показан период стойкости такой пластины без упрочнения.

Пластину упрочняли двумя способами: термозаточкой с полированием и нанесением покрытий методом конденсации ионной бомбардировкой (КИБ) с фильтрацией капельной фазы при ассистировании ускоренными ионами. При нанесении слоев покрытия использовали два инструментальных материала: ВК8 + Т (до 1 мкм)+ т (1 мкм) + (Ыь7гТШ)К (2,5 мкм) и ВК8 + Т (до 1 мкм) + ™ (1 мкм) + (ТШ)Ы (2 мкм) + (0,5 мкм). Здесь и далее число в скобках соответствует толщине слоя покрытия в микрометрах.

Как видно из рис. 1, разработанные покрытия позволяют существенно (в 2 раза и более) повысить период стойкости РП.

Некоторые спрогнозированные имитационным моделированием значения периода стойкости четырехгранных РП из различных инструментальных материалов при токарной обработке специализированных труднообрабатываемых нержавеющих сталей 09Х17Н7Ю, 12Х18Н10Т и 13Х15Н5АМ3 приведены на рис. 2. Там же для примера указаны значения Т для пятигранной РП.

Анализ данных, приведенных на рис. 2, позволяет заключить следующее:

• минимальный период стойкости имеет четырехгранная РП из твердого сплава ВК8 при точении стали 09Х17Н7Ю, максимальный — при обработке стали 13Х15Н5АМ3; различие максимального и минимального значений Т четырехгранной РП составило 75 мин;

• при точении стали 12Х18Н10Т четырехгранной РП период ее стойкости в 2 раза

#2(731) 2021

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. МАШИНОСТРОЕНИЕ

5

Т, мин 160

Марка стали а

Т, мин 140

Марка стали б

1 2 3

Марка стали

2 3

Марка стали

г

Рис. 2. Значения периода стойкости Т пяти- (а) и четырехгранных (б-г) РП из различных инструментальных материалов при токарной обработке сталей 09Х17Н7Ю (1), 12Х18Н10Т (2) и 13Х15Н5АМ3 (3):

а и б — сплав ВК8; в — ВК8 + Т^ (5 мкм) + (Т1А1^ (3 мкм) + АШ3 (5 мкм) + ПС (5 мкм); г — ВК8 + А12О3 (2 мкм) + (И^ (5 мкм) + (Т1А1^ (3 мкм) + ™ (3 мкм)

больше, чем при обработке стали 09Х17Н7Ю, и в 2,6 раза меньше, чем при точении стали 13Х15Н5АМ3;

• применение покрытий существенно повы-

его прирост зависит от используемого покрытия;

• при обработке стали 12Х18Н10Т пятигранной РП период ее стойкости в 1,25 раза больше,

сило период стойкости четырехгранной РП; чем при точении стали 09Х17Н7Ю, и в 1,4 раза

а б

Рис. 3. Внешний вид токарного стенда для продольного точения заготовки при замене его резцедержателя токарным динамометром STD201-2 (а) и отображаемые на экране монитора результаты измерения составляющих силы резания (б)

6

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. МАШИНОСТРОЕНИЕ

#2(731) 2021

Значения составляющих силы резания при точении различных материалов

Материал Составляющие силы резания, Н

Fx Fy Fz

09Х17Н7Ю 85,5 305,2 362,5

12Х18Н10Т 64,7 308,0 284,6

13Х15НАМ3 35,2 310,1 191,4

ВТ22 199,4 572,0 578,2

меньше, чем при обработке стали 13Х15Н5АМ3; при точении стали 09Х17Н7Ю максимальное значение периода стойкости пятигранной РП отличается от минимального на 45 мин.

Экспериментальную проверку результатов имитационного моделирования выполняли на токарном стенде с использованием токарного динамометра STD201-2 (рис. 3).

Результаты измерения продольной Fx, радиальной Fy и вертикальной Fz составляющих силы резания при точении сталей 09Х17Н7Ю, 12Х18Н10Т и 13Х15НАМ3 приведены в таблице. Там же для сравнения указаны значения этих составляющих при точении титанового сплава ВТ22.

В результате исследования доказана целесообразность применения для точения указанных сталей следующих инструментальных материалов:

• ВК8 + ТЮК (5 мкм) + (ТШ)Ы (3 мкм) + + АЬ03 (5 мкм) + ТЮ (5 мкм);

• ВК8 + АЬ03 (2 мкм) + (ТОСЫ (5 мкм) + + (ТШ)Ы (3 мкм) + ™ (3 мкм);

• ВК8 + (Т^)Ы (3 мкм) + АЬ03 (3 мкм) + + (ТШ)Ы (3 мкм) + АЬ03 (3 мкм);

Литература

• ВК8 + т (3 мкм) + ТЮ (3 мкм) + ТСЫ (3 мкм) + ТЮ (3 мкм);

• ВК8 + ТЮ (3 мкм) + ™ (3 мкм) + (ТШ)Ы (2 мкм);

• ВК8 + ТЮЫ (2 мкм) + ТЮ (3 мкм) + ТСЫ (1,5 мкм);

• ВК8 + ТЮ (1,5 мкм) + т (3 мкм);

• ВК8 + ТСЫ (2 мкм) + ТЮ (5 мкм);

• ВК8 + ТЮЫ (0,5 мкм) + ™ (1 мкм);

• ВК8 + ТСЫ (0,5 мкм) + ТЮ (1 мкм).

Полученные результаты хорошо согласуются

с данными работ [4, 5], посвященных разработке покрытий. Обоснование причин и доли повышения работоспособности РП с такими покрытиями дано в работе [15].

Выводы

1. Применение РП из сплава ВК8 не решает проблему обеспечения периода стойкости инструмента на уровне, необходимом для высокопроизводительной обработки сталей 09Х17Н7Ю, 12Х18Н10Т и 13Х15НАМ3, т. е. ресурса РП недостаточно.

2. Нанесение на РП покрытий существенно (в 2 раза и более) повышает период ее стойкости. Наиболее предпочтительным для токарной обработки заготовки оказался инструментальный материал ВК8 + (3 мкм) + ТЮ (3 мкм) + ТСЫ (3 мкм) + ТЮ (3 мкм) и ВК8 + + ТЮ (3 мкм) + ТСЫ (2 мкм) + ^гТОЫ (3 мкм).

3. Полученные результаты указывают на возможность высокопроизводительной обработки рассмотренных труднообрабатываемых нержавеющих сталей.

[1] Мокрицкий Б.Я., Ситамов Э.С., Серебренникова А.Г. Повышение работоспособности

твердосплавного режущего инструмента за счет нанесения покрытий. Вестник Иркутского государственного технического университета, 2019, т. 23, № 2, с. 246-251, аок http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2019-2-246-251

[2] Ситамов Э.С., Мокрицкий Б.Я., Шакирова О.Г. Оценка износостойкости твердо-

сплавного инструмента при обработке нержавеющей стали. Ученые записки Комсо-мольского-на-Амуре государственного технического университета, 2019, № 3-1(39), с. 109-112.

[3] Ситамов Э.С., Мокрицкий Б.Я. Результаты сравнительного исследования износостой-

кости твердосплавного инструмента при обработке нержавеющей стали. Металлообработка, 2018, № 4(106), с. 7-13.

[4] Мокрицкий Б.Я., Ситамов Э.С., Мокрицкая Е.Б. Сравнительное исследование работо-

способности твердосплавного режущего инструмента при обработке заготовок деталей, выполненных из нержавеющей стали. Проблемы машиностроения и автоматизации, 2018, № 4, с. 76-79.

#2(731) 2021

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. МАШИНОСТРОЕНИЕ

7

[5] Верещака А.С., Дачаева А.В., Аникеев А.И. Повышение работоспособности режущего

инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов путем комплексного применения наноструктурированного износостойкого покрытия и твердого сплава оптимального состава. Известия МГТУ «МАМИ», 2010, № 1(9), с. 99-106.

[6] Григорьев С.Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента. Москва, Ма-

шиностроение, 2011. 368 с.

[7] Евдокимов Д.Е., Скуратов Д.Л., Федоров Д.Г. Влияние износа режущего инструмента

на плотность распределения тепловых потоков при концевом фрезеровании титанового сплава ОТ4. СТИН, 2015, № 9, с. 26-30.

[8] Елкин М.С. Исследование влияния износостойких покрытий режущего инструмента

на параметры качества обработанной поверхности при фрезеровании концевыми фрезами лопаток и моноколес. Дис. ... канд. техн. наук. Рыбинск, 2015. 205 с.

[9] Курочкин А.В. Повышение работоспособности монолитных твердосплавных конце-

вых фрез путем оптимизации архитектуры многослойных наноструктурированных износостойких покрытий. Автореф. дис. канд. техн. наук. Рыбинск, 2012. 16 с.

[10] Табаков В.П., Чихранов А.В. Повышение работоспособности твердосплавного инструмента путем направленного выбора рациональных параметров состава износостойкого покрытия. СТИН, 2016, № 3, с. 14-18.

[11] Табаков В.П., Смирнов М.Ю., Циркин А.В., Чихранов А.В. Математическое описание процессов трещинообразования в износостойких покрытиях режущего инструмента. Упрочняющие технологии и покрытия, 2007, № 6, с. 48-51.

[12] Colding B. War characteristics of coated carbide. International Cutting Tool Bay Sandviken, Lecture, 11980, no. 5, pp. 1-15.

[13] Dzieyk B. Fortschritte in der Zerspanungstechnik durch mehrlagige Hrtmetallbeschichtung Advances in machining technology through multi-layer Hrtmetallbeschichtung. Technisches Zentralblatt fur praktische Metallbeschichtung Technical Central sheet for practical metal coating, 1994, vol. 68, № 6, 2, 4, ss. 199-202.

[14] Horlin H.A. TiC coated cemented carbides — their introduction and impact on metal cutting. Product Engineering, 1971, vol. 50, no. 4, no. 5, pp. 153-159.

[15] Мокрицкий Б.Я., Ситамов Э.С. Концептуальные проблемы разработки и упрочнения лезвийного металлорежущего инструмента. Москва, РУСАЙНС, 2020. 166 с.

References

[1] Mokritskiy B.Ya., Sitamov E.S., Serebrennikova A.G. Povysheniye rabotosposobnosti tver-

dosplavnogo rezhushchego instrumenta za schet naneseniya pokrytiy Improving carbide cutting tool performance through coating. Proceedings of ISTU, 2019, vol. 23, no. 2, pp. 246-251 (in Russ.), doi: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2019-2-246-251

[2] Sitamov E.S., Mokritskiy B.Ya., Shakirova O.G. Estimation of wear-resistance of the mel-

domed tools while processing stainless steel. Uchenyye zapiski Komsomol'skogo-na-Amure gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2019, no. 3-1(39), pp. 109-112 (in Russ.).

[3] Sitamov E.S., Mokritskiy B.Ya. Results of comparative investigation of wear-resistance of

meldomed tools for stainless steel processing. Metalloobrabotka, 2018, no. 4(106), pp. 7-13 (in Russ.).

[4] Mokritskiy B.Ya., Sitamov E.S., Mokritskaya E.B. A comparative study of the efficiency of

carbide cutting tool when machining parts made of stainless steel. Problemy mashinostroy-eniya i avtomatizatsii, 2018, no. 4, pp. 76-79 (in Russ.).

[5] Vereshchaka A.S., Dacheva A.V., Anikeev A.I. Working capacity enhancement of cutting

tools in terms of machining of difficult-to-cut materials by complex application of wear-resistant coating and hard alloy. Izvestiya MGTU "MAMI", 2010, no. 1(9), pp. 99-106 (in Russ.).

[6] Grigor'yev S.N. Metody povysheniya stoykosti rezhushchego instrumenta [Methods for im-

proving the durability of cutting tools]. Moscow, Mashinostroyeniye publ., 2011. 368 p.

[7] Evdokimov D.E., Skuratov D.L., Fedorov D.G. Effect of cutting tool wear on the heat flux dis-

tribution density during end milling of titanium alloy OT4. STIN, 2015, no. 9, pp. 26-30 (in Russ.).

8

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. МАШИНОСТРОЕНИЕ

#2(731) 2021

[8] Elkin M.S. Issledovaniye vliyaniya iznosostoykikh pokrytiy rezhushchego instrumenta na par-

ametry kachestva obrabotannoy poverkhnosti pri frezerovanii kontsevymi frezami lopatok i monokoles. Kand. Diss. [Investigation of the influence of wear-resistant coatings of cutting tools on the quality parameters of the treated surface when milling blades and monowheels with end mills. Cand. Diss.]. Rybinsk, 2015. 205 p.

[9] Kurochkin A.V. Povysheniye rabotosposobnosti monolitnykh tverdosplavnykh kontsevykh frez

putem optimizatsii arkhitektury mnogosloynykh nanostrukturirovannykh iznosostoykikh pokrytiy. Avtoref. Kand. Diss. [Improving the performance of monolithic carbide end mills by optimizing the architecture of multi-layer nanostructured wear-resistant coatings. Abstract Cand. Diss.]. Rybinsk, 2012. 16 p.

[10] Tabakov V.P., Chikhranov A.V. Improving the performance of hard-alloy tools by selecting rational parameters of the wear-resistant coating composition. STIN, 2016, no. 3, pp. 14-18 (in Russ.).

[11] Tabakov V.P., Smirnov M.Yu., Tsirkin A.V., Chikhranov A.V. The mathematical description of cracking processes in wearproof coatings of the cutting tool. Uprochnyayushchiye tekhnologii ipokrytiya, 2007, no. 6, pp. 48-51 (in Russ.).

[12] Colding B. War characteristics of coated carbide. International Cutting Tool Bay Sandviken, Lecture, 11980, no. 5, pp. 1-15.

[13] Dzieyk B. Advances in machining technology through multi-layer Hrtmetallbeschichtung. Technical Central sheet for practical metal coating, 1994, vol. 68, no. 6, 2, 4, pp. 199-202.

[14] Horlin H.A. TiC coated cemented carbides — their introduction and impact on metal cutting. Product Engineering, 1971, vol. 50, no. 4, no. 5, pp. 153-159.

[15] Mokritskiy B.Ya., Sitamov E.S. Kontseptual'nyye problemy razrabotki i uprochneniya lezvi-ynogo metallorezhushchego instrumenta [Conceptual problems of development and strengthening of blade cutting tools]. Moscow, RUSAYNS publ., 2020. 166 p.

Информация об авторах

МОКРИЦКИЙ Борис Яковлевич — доктор технических наук, профессор кафедры «Машиностроение». Комсо-мольский-на-Амуре государственный университет (681013, Комсомольск-на-Амуре, Российская Федерация, ул. Ленина, д. 27, e-mail: boris@knastu.ru).

СИТАМОВ Эрадж Сикандарович — аспирант кафедры «Машиностроение». Комсомольский-на-Амуре государственный университет (681013, Комсомольск-на-Амуре, Российская Федерация, ул. Ленина, д. 27, e-mail: Eraj_2303@mail.ru).

Статья поступила в редакцию 10.10.2020 Information about the authors

MOKRITSKIY Boris Yakovlevich — Doctor of Science (Eng.), Professor, Department of Mechanical Engineering. Komsomolsk-na-Amure State University (681013, Komso-molsk-on-Amur, Russian Federation, Lenin St., Bldg. 27, e-mail: boris@knastu.ru).

SITAMOV Eraj Sikandarovich — Postgraduate, Department of Mechanical Engineering. Komsomolsk-na-Amure State University (681013, Komsomolsk-on-Amur, Russian Federation, Lenin St., Bldg. 27, e-mail: Eraj_2303@mail.ru).

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Мокрицкий Б.Я., Ситамов Э.С. Инструментальные материалы для токарной обработки специализированных нержавеющих сталей. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2021, № 2, с. 3-8, doi: 10.18698/0536-1044-2021-2-3-8

Please cite this article in English as: Mokritskiy B.Y., Sitamov E.S. Tool Materials for Turning Specialized Corrosion-Resistant Stainless Steels. BMSTU Journal of Mechanical Engineering, 2021, no. 2, pp. 3-8, doi: 10.18698/0536-1044-2021-2-3-8