Исследование обрабатываемости конструкционных материалов быстрорежущим инструментом с модифицированными рабочими поверхностями Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХ. И ФИЗ.-ТЕХН. ОБРАБОТКИ

УДК 621.941.1

В. Н. ИППОЛИТОВ, В. М. КИШУРОВ, М. В. КИШУРОВ, М. Ю. НЕКРАСОВА

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ БЫСТРОРЕЖУЩИМ ИНСТРУМЕНТОМ С МОДИФИЦИРОВАННЫМИ РАБОЧИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ

Представлены результаты исследований обрабатываемости конструкционных сталей быстрорежущим инструментом с модифицированными рабочими поверхностями. Разработана математическая модель, позволяющая назначать оптимальные скорости резания при обработке конструкционных сталей инструментами с модифицированными рабочими поверхностями, обеспечивающими повышенную их износостойкость. Модифицированные рабочие поверхности инструмента; оптимальная скорость резания

Одним из способов создания локального износостойкого покрытия на рабочих поверхностях режущих инструментов является метод электроакустического напыления-легирования (ЭЛАН). Это один из наименее трудоемких и экономичных методов повышения эксплуатационной надежности и долговечности инструментов. Принципиальная схема нанесения износостойкого покрытия представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема процесса электроакустического напыления: ГИ - генератор импульсов; УЗГ -ультразвуковой генератор; ПМС - преобразователь магнитно-стрикционный; С - емкость разрядного контура; ИР - искровой разряд; МЭП -межэлектродное пространство; БС - «белый слой»

Контактная информация: (34794) 2-34-63

1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Метод электроакустического напыления-легирования основан на использовании плазменных импульсных искровых разрядов в воздушной среде с малой длительностью существования (10-6 £ 4 £ 10-3 с) и с прохождением мощных импульсных токов (до 106 А/мм2) при периодическом контактировании упрочняющего электрода с упрочняемой поверхностью. Вследствие этого происходит перенос и осаждение материала электрода на поверхность инструмента. Одновременно комплексные продольнокрутильные колебания упрочняющего электрода с ультразвуковой частотой от 19 до 22,5 кГц воздействуют на обрабатываемую поверхность инструмента как удар со сдвигом (с эффектом «проковки»). Температура плазмы в межэлек-тродном зазоре может достигать от 7000°С до 11000°С и зависит от регулируемой емкости разрядного контура установки [1, 2]. С помощью электроакустического напыления-легирования возможно локально вводить в состав упрочняемой поверхности необходимые тугоплавкие химические элементы, не изменяя при этом исходное состояние основы.

Основными факторами, определяющими толщину, твердость, шероховатость и сплошность покрытия являются сила технологического тока I (А), емкость разрядного контура С (мкФ) и величина ультразвуковой частоты /у (кГц). Анализ экспериментальных исследований позволил выделить четыре основных режима нанесения покрытий: «мягкий», «средний»,

«грубый» и «черновой». Каждый из выделен-

ных режимов характеризуется определеннои величиной технологического тока I (А), емкостью разрядного контура С (мкФ) и ультразвуковой частотой /у (кГ ц).

2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Металлографический анализ упрочненного слоя, нанесенного на поверхность инструмента из стали Р6М5, показал, что покрытие состоит из «белого» верхнего слоя, состоящего из мелкодисперсных карбидов вольфрама, титана и кобальта, и подслоя, состоящего из аустенитно-мартенситной структуры с включением указанных мелкодисперсных карбидов (рис. 2).

б

Рис. 2. Микроструктура поверхностного слоя легированной стали после нанесения износостойкого покрытия (электрод - твердый сплав) Х500: а - мягкий режим; б - грубый режим

Известно, что при резании металлов инструментальные и обрабатываемые материалы контактируют между собой, как правило, в тяжелых условиях трения и изнашивания при повышенных нагрузках, температурах и наличии ювенильности контакта.

В таких условиях определяющую роль в формировании приповерхностной зоны в процессе изнашивания играет прочность адгезион-

ных связей на срез тп, определяемая путем моделирования с использованием специальной установки - адгезиометра [3] - и рассчитываемая по формуле

3 _ Я

%п = _ _„, (1)

4 пг о

где _экс - окружная сила на диске, вращающем индентор; Яэкс - радиус диска, в котором закрепляется индентор; го - радиус отпечатка (лунки) на образцах.

Экспериментальные данные и соответствующие расчеты величины тп различных контактирующих пар (сталь 40Х-Р6М5 без напыления-легирования индентора и инденторов с модифицированными поверхностями упрочненные Ж (98%), ВК8 и Т5К10) показали, что большее значение тп во всем диапазоне температур (20-450°С) присуще контактирующей паре сталь 40Х-Р6М5 (без упрочнения). Далее в порядке уменьшения тп для модифицированных инден-торов - твердым сплавам Т5К10, ВК8 и вольфрамом Ж.

На основании проведенных исследований адгезионного взаимодействия контактирующих пар при различных температурах выбирается материал электрода, обеспечивающий наиболее износостойкое покрытие, оцениваемое параметрическим критерием модификации км определяемый выражением:

к = х / х (2)

м *п‘ ПМ? \ ’

где Тп, Тпм - величины для неупрочненного и модифицированного инденторов соответственно.

Исследованиями адгезионного взаимодействия контактирующих пар «инструмент-деталь» (Р6М5-40Х и 40Х-Р6М5, модифицированных ВК8, Т5К10 и Ж) на установке ЭЛАН-3 установлено, что при использовании Ж в качестве упрочняющего материала следует ожидать получение более износостойкого покрытия на рабочих поверхностях инструмента, что и подтвердилось проведенными стойкостными испытаниями (рис. 3).

Для исследования обрабатываемости конструкционных сталей инструментами из быстрорежущей стали Р6М5 была принята группа конструкционных сталей с действительным пределом прочности Бв довольно широкого диапазона (от 582 до 1015 Н/мм2). Действительный же предел прочности £в является суммарным критерием, оценивающим одновременно влияние прочности и пластичности обрабатываемого материала.

а

Нанесение износостойких покрытий на режущий инструмент осуществлялось на установках ВУ-1Б и ЭЛАН-3.

На основании проведенных стойкостных испытаний получены зависимости коз = XV); I = = XV) и 0 = XV), представленные на рис. 3 для инструментов с модифицированными рабочими поверхностями и стандартного инструмента без покрытия.

м/мин

Рис. 3. Влияние скорости резания на интенсивность износа резцов Р6М5, длину пути резания и температуру с различными покрытиями при чистовом точении стали 40Х (г = 0,25 мм, я = 0,125 мм/об): о - стандартный резец; □ - напылен Ж; А - напылен ВК8; 0 - напылен Т5К10;

Х - упрочнен методом КИБ (2гК)

Анализ полученных данных показал, что зависимости Н03 = / (V) и I = / (V) носят четко выраженный экстремальный характер (рис. 3) с точкой перегиба в зоне оптимальных скоростей резания по интенсивности износа инструмента. При этом уровень оптимальных скоростей резания для инструментов с износостойкими покрытиями по сравнению со стандартными неупроч-ненными инструментами повышается от 1,15 до 1,5 раза. Интенсивность износа упрочненного

инструмента снижается от 1,1 до 1,8 раза, длина пути резания увеличивается более чем в 1,5 раза.

Основной предпосылкой для аналитического определения оптимальной скорости резания V0 явилось существование тесной взаимосвязи, с одной стороны, между V0 и действительным пределом прочности £в обрабатываемого материала и с другой - между V0 и параметром (модификации) упрочнения Кми.

Для получения аналитической зависимости V0 = (£в, я, г, г, Кми), которая позволяла бы определить оптимальную скорость резания для широкого диапазона конструкционных сталей и широкого изменения условий резания, был проведен полный факторный эксперимент (ПФЭ) типа 25 в логарифмических координатах, так как известно, что применение многофакторного планирования эксперимента позволяет получить математическую модель, которая наиболее полно отражает внутренние связи исследуемого процесса.

В качестве независимых переменных были взяты действительный предел прочности стали при оптимальной температуре £в, подача я, глубина резания г, радиус резца при вершине г и параметр упрочнения (модификации) Кми.

Кодовое обозначение и уровни этих переменных приведены в таблице.

Реализация плана (ПФЭ) позволила получить адекватную математическую модель

у = ^0 = 1,761281-0Д2915Ц -

- 0,166758х2 - 0,015127х3 + (3)

+ 0,059831х4 + 0,072982х5.

Интерпретация уравнения (3) показывает, что повышение £в, я и г приводит к снижению V0, а повышение г и Кми - к повышению Vo.

Для натуральных величин зависимость (3) имеет вид [4]:

4,032057 о-1,069379 -0,699017

Я X

s:

ч>,-0,050251 0,2508 ^0,998879

X * т К ми

ми

м/мин

(4)

Т аблица

Кодовое обозначение и уровни переменных

Независимые переменные, влияющие на V0

Уровни варьирования Действ. предел проч-ти Sв, Н/мм2 Подача я, мм/об Г лубина резания *, мм Радиус резца при верш. т, мм Модификация Кми

Верхний +1 1015 0,15 1,0 1,5 1,4

Средний 0 798,5 0,1 0,625 1,0 1,2

Нижний -1 582 0,05 0,25 0,5 1,0

ВЫВОДЫ

Таким образом, с помощью разработанных моделей удалось впервые в формализованном виде представить влияние различных видов износостойких покрытий на величину оптимальной скорости резания при точении конструкционных сталей инструментами из быстрорежущей стали Р6М5.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тополянский, П. А. Опыт нанесения электроискровых покрытий на режущий инструмент и штамповую оснастку / П. А. Тополянский // Металлообработка. 2004. № 6. С. 37-40.

2. Гадалов, В. Н. Применение электроакустического напыления для упрочнения и восстановления деталей машин / В. Н. Гадалов, Д. Н. Романенко и др. // Сварка и родственные процессы в промышленности. Киев: Экотехнология, 2007. С. 6976.

3. Постнов, В. В. Методы и результаты оценки контактного взаимодействия применительно к процессам металлообработки / В. В. Постнов, В. Ю. Шолом, Л. Ш. Шустер. М.: Машиностроение, 2004. 103 с.

4. Ипполитов, В. Н. Определение оптимальных скоростей резания при точении конструкционных сталей инструментами с модифицированными рабочими поверхностями / В. Н. Ипполитов, В. М. Кишуров, М. Ф. Мугафаров // Вестник УГА-ТУ. 2006. Т. 7, № 1(14). С. 199-202.

ОБ АВТОРАХ

Кишуров Владимир Михайлович, зав. каф. теории и технологии механообработки филиала УГАТУ в г. Ишимбае. Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1966). Канд. техн. наук по технологии двигателей ЛА (МАИ, 1973). Иссл. в обл. обрабатываемости материалов лезвийным инструментом.

Ипполитов Владимир Николаевич, доцент той же каф. Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1987). Канд. техн. наук по технологии и оборудованию мех. и физ.-техн. обработки (УГАТУ, 2007). Иссл. в области повышения износостойкости режущего инструмента.

Кишуров Максим Владимирович, ст. преп. каф. КПМ и ИС НГТУ им. Р. Е. Алексеева. Дипл. инж. (УГАТУ, 2000). Иссл. в области повышения износостойкости режущего инструмента.

Некрасова Мария Юрьевна,

асс. каф. теории и технологии механообработки филиала

УГАТУ в г. Ишимбае. Дипл. инж.-техн. (УГАТУ, 2007). Иссл. в области износостойкости режущего инструмента.