CC BY
60
УДК 621.91.01
Износ керамических инструментальных материалов при высокоскоростном резании жаропрочных никелевых сплавов
Т. Б. Кочина
В работе приводятся экспериментальные результаты, отражающие влияние скорости резания на силы резания и износ минералокерамических инструментов. Показано существование критических скоростей резания, в которых начинается катастрофическое увеличение износа режущего инструмента. Даны рекомендации для обработки жаропрочных никелевых сплавов минералокерамическим инструментом.
Ключевые слова: износ пластин, керамический инструмент, высокие скорости резания, жаропрочные никелевые сплавы.
Из обзора научно-технической информации следует, что обработка хромоникелевых сплавов в основном ведется твердосплавным режущим инструментом, хотя можно ожидать хороших результатов и при использовании минералокерамических инструментов [1]. Поэтому необходимо сделать сопоставительный анализ возможностей использования твердосплавных и минералокерамических режущих инструментов при обработке хромоникелевых сплавов на примере типичного представителя этой группы материалов - сплава ХН65ВМТЮ.
Все эксперименты проводились на токарно-винторезном станке 1А616. Подача 8 изменялась от 0,11 до 0,23 мм/об, глубина резания была постоянной — £ = 0,5 мм. Диаметр заготовки d = 90 мм, длина заготовки 135 мм, путь резания во всех экспериментах по изнашиванию был постоянен — 200 м.
Геометрические параметры режущего инструмента из твердых сплавов: ВК8 - а = = 10у = 12°; <р = 45°; ф1 = 25°; Т15К6 - а = 8°; у = -8°; ф = 45°; <1 = 25°. Геометрические параметры режущего инструмента из минера-локерамики: а = 8°; у = -10 °; р = 70 °; р1 = 20°. Выбранный режущий инструмент в процессе резания сплава на никелевой основе не охлаждался.
Износ режущего инструмента оценивали по максимальной ширине фаски износа на задней поверхности резца. Фаску износа измеряли на микроскопе МБС-1. Результаты измерений обобщены и представлены в таблицах и на рисунках.
Характер изношенной поверхности оценивали по следующим признакам:
1) хрупкое выкрашивание, сколы режущей кромки;
2) кратеры на передней и задней поверхностях инструмента и следы адгезии;
3) лунка износа на передней поверхности, ее размеры.
При обработке сплава ХН65ВМТЮ твердосплавным режущим инструментом ВК8 наблюдали следующие виды изношенных поверхностей. При скорости резания v =14 м/мин на задней поверхности имеется фаска износа с матовой поверхностью (рис. 1, а). Следы адгезионного взаимодействия незначительны и не превышают 10 %. На передней поверхности видны кратеры, «намазывание» обрабатываемого материала. На режущей кромке сколы. Преимущественный вид износа — абразивный и адгезионный.
При скорости резания v = 22 м/мин на задней поверхности появилась проточина, гладкая,
Рис. 1. Главная задняя поверхность режущего инструмента твердого сплава ВК8 после обработки сплава ХН65ВМТЮ (S = 0,19 мм/об, t = 0,5 мм): а — v = 14 м/мин; б — v = 22 м/мин
1,0
0,8
0,6 h(v)
0,4 0,2
А W
1 f
2
/ г
0 20 40 60 80 100
v, м/мин
Рис. 2. Зависимость износа инструмента от скорости резания при обработке сплава ХН65ВМТЮ (S = = 0,19 мм/об, t = 0,5 мм): 1 — Т15К6; 2 — ВК8
блестящая, со следами обрабатываемого материала, рядом, возле проточины, штрихи обрабатываемого материала (рис. 1, б). На передней поверхности инструмента, на режущей кромке, нарост, поверхность гладкая, блестящая, покрыта на 80 % обрабатываемым материалом. Лунки нет.
Рис. 3. Шлиф боковой поверхности стружки, видна зона локализованных пластических деформаций (и = 64 м/мин, в = 0,19 мм/об, t = 0,5 мм)
По результатам эксперимента построен график зависимости (рис. 2), на котором отражено влияние скорости резания на износ по задней поверхности инструмента.
Увеличение скорости резания приводит к изменению характера стружкообразования. При достижении критических скоростей резания и перехода к интенсивному изнашиванию наблюдается переход от сливной стружки (v = 22 м/мин) к циклической [8] (переходной) (v = 34 м/мин). Начинают деформироваться трапецеидальные элементы стружки, подготавливаются условия для локализации пластических деформаций. При скорости резания v = 64 м/мин режущей пластиной из твердого сплава Т15К6 и v = 71 м/мин режущей пластиной из твердого сплава ВК8 наблюдается переход к стружке локального сдвига (рис. 3). Появление стружки локального сдвига на больших скоростях резания у режущей пластины из твердого сплава ВК8, чем у режущей пластины из твердого сплава Т15К6, связано с положительным углом у.
Существует жесткая связь между характером стружкообразования и кривой Нз = f(v), определяется она тем, что как на износ, так и на локализацию пластических деформаций значительное влияние оказывает температура в зоне резания.
На изнашивание режущего инструмента, особенно на выкрашивание кромки и сколы, влияют силы резания. Поэтому при обработке сплава ХН65ВМТЮ получена экспериментально зависимость Pz = f(v) при S = rnnst = = 0,19 мм/об и t = 0,5 мм. Зависимость представлена на рис. 4.
р„ н
600 500
400
300
V, м/мин Рг. Н
Твердый сплав
22 630
56 540
87 585
110 540
Керамика
160 500
348 280
559 250
696 280
50 100
200
300
400
500
600 700 V, м/мин
Рис. 4. Зависимость силы резания от скорости резания
Проведенные ранее исследования на низких скоростях резания (V = 30 м/мин) дали отрицательный результат в оценке возможностей обработки никелевых сплавов минера ло-керамикой [1]. Рекламная информация фирм «Сандвик» (Швеция), «Кеннаметал» (США), «Видна Круп» (Германия) и др. рекомендует использовать минералокерамический инструмент при обработке никелевых сплавов в широком диапазоне скоростей резания (от 100 до 550 м/мин). На основании этих материалов в лаборатории были проведены серии экспериментов по обработке типичного, широко используемого никелевого сплава ХН65ВМТЮ. В качестве инструментального материала использовались различные минералокерамиче-ские пластины, различающиеся химическим составом, способом изготовления, выпускаемые серийно и получаемые в специальных лабораториях [2-6].
Экспериментальные исследования проводились на токарно-винторезном станке 1А616. Режимы резания: скорость резания V = 100 ^ 600 м/мин, 8 = 0,11 ^ 0,23 мм/об, £ = 0,5 мм. Износ режущего инструмента
Поры
измерялся по максимальной ширине фаски износа по задней грани пластины на микроскопе МБС-1. Критический износ кз = 0,5 мм. Результаты экспериментальных исследований, обработанные на ЭВМ, представлены на графиках (см. рис. 8, 9).
При обработке сплава ХН65ВМТЮ оксидно-карбидной керамикой В0К-60 на скоростях резания V = 50 ^ 450 м/мин; 8 = 0,11 мм/об; £ = 0,5 мм наблюдались очень частые сколы. Износ пластины имел большой разброс — от 0,2 до 1 мм, хотя керамика была предварительно отобрана по методике, разработанной во ВНИИАШ. Наименьший износ керамики (Нз = 0,5 мм) наблюдался на скоростях резания V = 300 ^ 450 м/мин. Сколы режущей керамики В0К-60 при обработке никелевых сплавов составили 40 % от общего количества резов (100 резов), разброс значений износа Дкз =
= к
- кз
= 0,8 мм составил более 100 %
от среднего значения износа. Такие результаты говорят о невозможности обработки никелевых сплавов керамикой В0К-60 без ее улучшения. Чтобы улучшить свойства керамики, а именно повысить свойства внутреннего
Основа керамики
А12О3
лТг'
<7777777777775
т = 0,35710-12 кг
77
с = 108 Н/м, Ьерно = 5-103 МГц
Рис. 5. Структура и динамическая модель структуры режущей керамики
с
к
демпфирования в микроструктуре этого материала, было применено органическое вещество «Фолиокс» в качестве покрытия пропитки. Наиболее пористая режущая керамика была подвергнута горячей и холодной пропитке — покрытию органическим веществом «Фолиокс». Смысл пропитки заключался в том, чтобы заполнить поры и создать дополнительные упругие и демпфирующие связи между отдельными зернами в керамической пластине (рис. 5).
Экспериментальные результаты показали, что, хотя средний уровень Нз почти не изменился (износ Нз уменьшился всего на 0,1 мм), процент сколов значительно уменьшился и не превысил 9 % от общего количества резов. То есть показатели резания хотя и улучшились, но не настолько, чтобы рекомендовать серийно выпускаемую керамику ВОК-60 для обработки хромоникелевых сплавов.
При обработке никелевого сплава оксидно-карбидной керамикой ОНТ-20 на скоростях резания V = 200 ^ 500 м/мин и 8 = 0,11 мм/об средний износ Нз = 0,6 мм (на V = 450 м/мин). Сколы пластины не
наблюдались, но средний износ на 0,15 мм больше, чем у режущих пластин В0К-60. Интересно было выявить влияние органического покрытия «Фолиокс» на режущие свойства керамики 0НТ-20. При нанесении покрытия «Фолиокс» минимальный износ наблюдается на скоростях резания V = 420 м/мин, 8 = 0,11 мм/об и достигает в среднем Нз = = 0,37 мм (см. рис. 9). Но разброс по износу колеблется Нз = 0,1 ^ 0,75 мм. При увеличении скорости резания до 500 м/мин разброс по износу сокращается и стабилизируется до 0,1 мм.
При обработке сплава ХН65ВМТЮ керамикой ВОК-71 при V = 150 ^ 500 м/мин и в = 0,11 мм/об сколов не было. Пластины выдерживали даже сравнительно низкие скорости резания; при V = 150 м/мин износ Нз = 0,6 мм. С увеличением скорости износ уменьшался и при V = 450 ^ 500 м/мин в среднем Нз = 0,2 мм (см. рис. 9).
Обработка сплава ХН65ВМТЮ минерало-керамикой В0К-95С (комбинированная, двухслойная, второй нижний слой — твердосплавная подложка) проводилась с подачами в,
а)
б)
N4 0000* ЗООрш
Рис. 6. Износ на главной задней поверхности пластины из В0К-95С после обработки сплава ХН65ВМТЮ (в = 0,11 мм/об): а — V = 175 м/мин; б — V = 235 м/мин; в — V = 260 м/мин; г — V = 320 м/мин
[10
№ 2 (74)/2013
метаСБМ^ТКА
равными 0,11, 0,19, 0,23 мм/об, и переменными скоростями резания. При 8 = 0,11 мм/об минимальный износ составил кз = 0,18 мм на скорости резания V = 300 ^ 450 м/мин. На скорости резания до 200 м/мин обработку производить нецелесообразно. При увеличении подачи 8 (0,19; 0,23 мм/об) обработка возможна на скоростях резания V = 400 ^ 500 м/мин, средний износ кз = 0,55 мм.
На рис. 6 приведены фотографии задней поверхности режущего клина керамики ВОК-95С при скоростях резания, равных 175, 235, 260, 320 м/мин, и подаче в = 0,11 мм/об. На всех фотографиях видно налипание, «намазывание» никелевого сплава на режущую кромку. У вершины резца налипание наиболее заметно, особенно при скорости резания
V = 320 м/мин (рис. 6, г), когда температуры на поверхностях самые высокие. На скорости резания V = 175 м/мин площадь, замазанная никелем, составляет 15 % от полной поверхности износа (рис. 6, а), в отделении от вершины резца — хрупкий скол высотой 0,5 мм (среднее значение износа кз = 0,5 мм). Коэффициент адгезии Аг максимален при
V = 235 м/мин (Аг = 40 %) (рис. 6, б) и минимален при V = 320 м/мин (Аг = 10 %). Хрупкое разрушение присутствует на всех фотографиях и имеет вид проточины, расположенной в том месте, где режущая кромка соприкасается с наклепанной обработанной поверхностью, в этом месте максимальные усилия и температуры на режущей кромке.
После проведения экспериментальных исследований всех серийно выпускаемых режущих керамик и теоретической оценки степени интенсивности адгезионного взаимодействия различных инструментальных материалов с никелевым сплавом пришли к выводу, что большой разброс значений кз, наличие сколов связаны со способом изготовления режущих керамик, а само значение кз в значительной мере обусловливается химическим составом и структурой режущей керамики.
ТВИН-200 по предварительно-теоретическим оценкам имеет наименьший коэффициент интенсивности адгезионного взаимодействия к& — 0,5 против 0,6 для остальных керамик [7]. Все пластины должны были быть изготовлены в газостатических камерах, что значительно
Рис. 7. Износ на главной задней поверхности пластины из минералокерамики ТВИН-200 после обработки сплава ХН65ВМТЮ (V = 400 м/мин; в = 0,11 мм/об; t = 0,5 мм)
0,8
0,6
к(V)
0,4
0,2
-i— - ( 1
100
200
300
400
500
V, м/мин
Рис. 8. Зависимость износа инструмента от скорости резания при обработке сплава ХН65МВТЮ пластинами из минералокерамики ТВИН-200 (813^ + А12О3 + + ZrO2 + ...), в = 0,11 мм/об:
• — среднее значение кз для данной скорости резания; —•— — стандартное отклонение; — — аппроксимирующая зависимость вида кз^) = а0 + а^ + а2V2
0,8
0,6 к(V)
0,4 0,2
1 6 2
3
4 \ Ль
5
-—==
100
200
300
400
500
V, м/мин
Рис. 9. Износ пластин из минералокерамики различных марок (в = 0,11 мм/об; t = 0,5 мм): 1 — В0К-60 с покрытием «Фолиокс»; 2 — 0НТ-20 с покрытием «Фолиокс»; 3 — ВОК-71; 4 — В0К-95С; 5 — ТВИН-200; 6 — ТВИН-400 (10 % 81С)
Коэффициенты уравнений регрессии вида к3 (и) = а0 + а^и + а^р2
Инструментальный материал Коэффициенты уравнения регрессии
«0 а\ а2
ВОК-60 0,776 - 1,43М0-3 1,58240-6
ВОК-60 с «Фолиоксом» 1,988 - 9,51М0-3 1,45240-5
ОНТ-20 1,431 - 3,345^10-3 3,64340-6
ОНТ-20 с «Фолиоксом» 2,554 - 0,011 1,32440-5
ВОК-71 1,072 - 4,11М0-3 4,54840-6
ВОК-95С 0,933 - 3,89440-3 4,85740-6
ТВИН-200 0,245 - 4,55-10-4 5-10-7
ТВИН-400 (10 % БЮ) 1,65 - 7,298 •Ю-3 9,23340-6
снижает их пористость. Во влиянии пористости на разброс Дйз, Тз и сколы убедились, уменьшая ее за счет пропитки режущей керамики органическим веществом «Фолиокс».
При обработке пластинами ТВИН-200 никелевые сплавы на подаче 8 = 0,11 мм/об минимальное среднее значение износа Н3 = 0,17 мм было получено при скоростях, равных 250 и 400 м/мин исследуемого диапазона (рис. 7). Наибольший износ Нз = 0,28 мм наблюдается при V = 360 м/мин (рис. 8, 9).
При подаче 8 = 0,19 мм/об износ Нз почти не зависит от скорости резания и приблизительно 0,2 мм. При подаче в = 0,23 мм/об наименьшее значение износа Нз = 0,18 мм получено на скорости резания V « 200 м/мин.
Следующей была использована керамика ТВИН-400. Керамика изготовлена научно-исследовательским институтом и предоставлена с различным содержанием карбида кремния (БзС): 10, 20 и 30 %. Наилучшее резание наблюдалось пластинами с 10%-ным содержанием БзС. Керамика с 30%-ным содержанием БзС вступала в интенсивное адгезионное взаимодействие и быстро изнашивалась. Этот результат был ожидаем [7]. Минимальный износ для ТВИН-400 (с 10 % Б1С) достигается в диапазоне скоростей V = 300^500 м/мин, Нз = = 0,25 мм при подаче в = 0,11 мм/об. При подаче в = 0,19 мм/об допустимый диапазон скоростей резания уменьшается, минимальное значение Нз = 0,27 мм получено при V = = 400 м/мин.
Режущая пластина ТВИН-400 (20 % БЮ) имеет минимальный износ Нз = 0,33 мм при скорости резания V = 300 м/мин и подачей в = 0,11 мм/об. При подаче в = 0,19 мм/об
минимальное значение Нз = 0,25 мм при
V = 400 м/мин.
По экспериментальным результатам при резании никелевых сплавов минералокера-мическими инструментальными материалами были получены эмпирические зависимости в форме уравнений полиномиальной регрессии (таблица), которые графически представлены на рис. 9. Здесь показаны рекомендуемые диапазоны скоростей резания и средние значения износа резца при различных режущих керамиках и подаче в = 0,11 мм/об. Четыре типа режущих керамик (ТВИН-200, ВОК-95С, ВОК-71 и ТВИН-400) являются приемлемыми и могут быть рекомендованы для высокоскоростного резания никелевых сплавов.
Лучшей керамикой по данным исследований является ТВИН-200, она позволяет работать в широком диапазоне скоростей резания —
V = 150 400 м/мин, при подаче в = 0,11 мм/об с большой стабильностью среднего износа ДНз (10 %). Относительный износ на керамике ТВИН-200 равен 2,4 • 10-6.
Другие режущие керамики — ТВИН-400, ВОК95С и ВОК-71 — тоже могут быть рекомендованы для обработки никелевых сплавов, но для них рекомендуются более узкие диапазоны по выбору скорости резания и подачи. Поэтому всегда существует опасность для этих инструментальных материалов без предварительных расчетов не попасть в рекомендуемый диапазон режимов резания.
Не пригодна для обработки никелевых сплавов минералокерамики ВОК-60, а ОНТ-20 или «Кортинит» можно рекомендовать к работе после предварительного нанесения на поверхность пластины пропитки «Фолиокс».
Литература
1. Кочина Т. Б. Анализ современных достижений и возможностей развития в области скоростного резания труднообрабатываемых материалов // Качество машин: межвуз. сб. науч. тр. Балт. гос. техн. ун-та. СПб., 2011. С. 119-134.
2. Кочина Т. Б., Файзиматов Б. Н. Высокоскоростная обработка жаропрочных никелевых сплавов новыми марками инструментов из минералокерамики ТВИН-400 / / Решение проблемных вопросов теории механизмов и машин: тез. докл. междунар. и науч.-практ. конф. Фергана, 1994. С. 182-183.
3. Кочина Т. Б., Петрашина Л. Н., Файзиматов Б. Н. Высокоскоростная обработка жаропрочных никелевых сплавов инструментами из минералокерамики ТВИН-200 и В0К-95С // Нетрадиционные методы и технологии: материалы междунар. науч.-теор. конф. ФерПИ. Фергана, 1997. С. 44.
4. Кочина Т. Б., Петрашина Л. Н., Файзиматов Б. Н. Повышение износостойкости инструментов из минера-локерамики при высокоскоростном резании // Науч.-техн. журн., ФерПИ. Фергана, 1998. № 1 (2). С. 107-109.
5. Кочина Т. Б. Обработка жаропрочных никелевых сплавов инструментами из минералокерамики на высоких скоростях резания // Инженерия поверхности и реновация изделий: материалы Междунар. науч.-техн. конф., 28-30 мая 2002 г., Ялта. Киев: АТМ Украины, 2002. С. 88-89.
6. Kochina T. B., Sologub T. G. Interactions of the cutting ceramics with the basic elements of the work material of nickel and chromium // Ecology and Life (Science, Education, Culture): International Journal. Issue7/ Editor in Chief, compiler N. N. Semchuk; Yaroslav-the-Wise Novgorod State University. Novgorod the Great. 2002. P. 31.
7. Кочина Т. Б. Интенсивности адгезионно-диффузионного изнашивания режущего инструмента при обработке жаропрочных никелевых сплавов // Качество машин: межвуз. сб. науч. тр. Балт. гос. техн. ун-та. СПб., 2011. С. 143-154.
8. Командури Р., Браун P. X. Механизм образования непрерывной сегментной стружки при обработке резанием // Тр. Амер. об-ва инженеров-механиков. Конструирование и технология машиностроения. 1981. Т. 103.№ 1. С. 145-155.
Издательство «Политехника» предлагает
Конструкционные стали и сплавы : учеб. пособие / Г. А. Воробьева, Е. Е. Складнова, В. К. Ерофеев, А. А. Устинова; под ред. Г. А. Воробьевой. — СПб.: Политехника, 2012. — 440 с. : ил. ISBN 978-5-7325-1010-2 Цена: 990 руб
В книге изложены основы металловедения черных и цветных металлов и сплавов на их основе. Рассмотрены положения теории и технологии термической обработки сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов. Приведены закономерности формирования структуры и свойств основных промышленных сталей и сплавов, справочные данные по режимам их упрочнения.
Предназначено для студентов технических специальностей машиностроительных вузов, может быть полезно для студентов, обучающихся по смежным специальностям, а также аспирантов и инженерно-технических работников.
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.
№ 2(74)/2013
¡3
