CC BY
11Машины, оборудование и обустройство промыслов
УДК 621.78.013.7
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ НАГРЕВОМ СМЕННЫХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПЛАСТИН
METAL-CUTTING TOOL WITH PREHEATING OF REPLACEABLE HARD-ALLOY PLATES
Е. В. Артамонов, Р. С. Чуйков, А. С. Ставышенко, С. С. Чуйков
E. V. Artamonov, R. S. Chuykov, A. S. Stavyshenko, S. S. Chuykov
Тюменский государственный нефтегазовый университет
Ключевые слова: работоспособность, инструмент, предварительный нагрев, температура, резание Key words: working capacity, tool, preliminary heating, temperature, cutting
Специфика использования и сложные природно-климатические условия работы нефтегазового оборудования обусловливают необходимость применения при их изготовлении высокопрочных, жаропрочных и коррозионно-стойких материалов. При этом все эти материалы относятся к разряду труднообрабатываемых и требуют применения при механической обработке режущих инструментов с высокими прочностными свойствами, таких как сборные режущие инструменты с многогранными неперетачиваемы-ми пластинками (СМП) из инструментальных твердых сплавов (ИТС). Данный вид инструментов используется при всех видах механической обработки резанием. СМП используются в следующих сборных инструментах: токарных резцах, сверлах, зенкерах, фрезах, протяжках.
Из практики эксплуатации сборных режущих инструментов было установлено, что их работоспособность во многом определяется физико-механическими характеристиками ИТС. При этом ключевым фактором, который главным образом определяет работоспособность обработки резанием указанных материалов, является температура в режущей части инструмента. Анализ видов разрушений СМП в сборных режущих инструментах в производственных условиях показал, что наиболее характерным видом разрушений пластин является поломка. Доля СМП, выходящих из строя в результате поломок, составляет 30-40 %. Например, по Тюменскому моторному заводу при обработке высоколегированных сталей и жаропрочных сплавов количество отказов сборного режущего инструмента из-за поломок СМП составляет 40 %. Статистика разрушений СМП сборных инструментов по этому заводу представлена на рис. 1.
3-1 рапная
4 - I рапная
5 -1 рапная
I 1 ПОЛОМКА
Ш износ
ggi ВЫКРАШИВАНИЕ ЕШ скалывание
Рис. 1. Доля отказов СМП
№ 6, 2014
Нефть и газ
87
На долю отказов сборных инструментов с СМП в результате поломки, скалывания и выкрашивания пластин приходится 70 % для 5-гранных СМП по ГОСТ 19064-80 и 75 % — для 3-гранных СМП по ГОСТ 19075-80 (см. рис. 1).
На основании теории Шпета [1] была сформулирована гипотеза о том, что внутренние напряжения, которые должны возникать в ИТС при изготовлении СМП, могут быть одной из главных причин разрушения режущих пластин. Однако до настоящего времени не были изучены влияние и механизм воздействия внутренних напряжений в ИТС на работоспособность СМП сборных инструментов.
Установлена возможность снижения внутренних напряжений путем предварительного нагрева СМП для повышения работоспособности сборных инструментов с СМП за счет устранения хрупкого состояния в начальный период резания [1]. Для проведения экспериментальных исследований образцами являлись стандартные СМП из твердых сплавов ВК8, ВК10 и ВК15. Рентгенографические исследования проводились при температурах от 20 до 700 0С. Качественный анализ дифрактограмм (рис. 2) показал, что с увеличением температуры нагрева твердосплавного образца ширина дифракционной линии уменьшается для всех сплавов группы ВК, что свидетельствует о снижении внутренних напряжений. В результате расшифровок дифрактограмм были построены графики зависимостей внутренних напряжений от температуры для разных твердых сплавов группы ВК, которые показали влияние температуры на изменение внутренних напряжений в ИТС. При температуре 20 0С внутренние напряжения могут достигать значений, близких к предельным а, а при увеличении температуры путем предварительного нагрева СМП до 600 0С до начала процесса резания — практически полностью сниматься.
74,8 75,2 75,6 76,0
Рис. 2. Дифрактограммы для сплавов группы ВК при разных температурах:
а —при 100 0С, б —при 300 0С, в — при 600 0С
74,8
75,2
75,6
76,0
Возможность предварительного нагрева твердосплавной режущей пластины в процессе обработки заготовки резанием предотвращает хрупкое разрушение твердосплавной режущей пластины в виде выкрашивания и микросколов в период приработки, когда ее температура повышается от комнатной до температуры, при которой твердый сплав, из которого изготовлена режущая пластина, переходит из хрупкого в хрупко-пластическое состояние [2]. Предварительный подогрев режущей части позволяет повысить работоспособность металлорежущего инструмента. Это объясняется выводом инструментального твердого сплава из хрупкого в хрупко-пластическое состояние,
б
в
88
Нефть и газ
6, 2014
что позволяет инструменту работать с гораздо большими нагрузками. Эффективность способа достигается возможностью регулирования температуры предварительного подогрева для каждого используемого инструментального материала [1].
Для повышения работоспособности твердосплавных СМП разработана специальная конструкция металлорежущего инструмента с предварительным подогревом [3]. Устройство представлено на рис. 3.
Рис. 3. Металлорежущий инструмент с принципиальной электрической схемой предварительного подогрева: 1 — корпус, 2 — винт, 3 — прихват, 4 —режущая пластина, 5 — полупроводниковый слой, 6 — токоподводящая пластина, 7 — изолирующая прокладка, 8 — источник питания, 9 — лабораторный трансформатор, 10 — выпрямитель, 11 — ключ, 12 — вольтметр, 13 — амперметр
Перед обработкой детали резанием замыкают ключ. Электрический ток от источника питания проходит через лабораторный трансформатор, выпрямитель, ключ, амперметр, токоподводящую пластину, полупроводниковый слой, режущую пластину, прихват, винт, корпус. При прохождении электрического тока основное количество теплоты выделяется в контакте режущей пластины с полупроводниковым слоем за счет эффекта Пельтье, а также в самой режущей пластине в соответствии с законом Джоуля — Ленца. Причем для нагрева режущей пластины до 850 "С достаточно тока не более 200 А (рис. 4), тогда как в известных устройствах [4] он достигает 2000 А.
\-А
1 А
Рис. 4. Зависимость силы тока от температуры предварительного нагрева: 1 — по теоретическому расчету, 2 — по эксперименту
120
160
40
80
О
200
400
600
Б00 0"С
6, 2014
Нефть и газ
После нагрева режущей пластины до температуры 300-500 0С ключ размыкают и начинают резание. В процессе обработки детали режущая пластина нагревается за счет превращения механической энергии резания в тепловую.
Благодаря повышению трещиностойкости режущей пластины в начальный период резания и последующему ее поддержанию за счет режима резания максимальный пройденный путь резания СМП металлорежущего инструмента до разрушения увеличивается на 40-50 % (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость пути резания от скорости резания:
1 — точение без подогрева, 2 — точение с предварительным подогревом
Таким образом, разработана новая конструкция металлорежущего инструмента, обеспечивающая повышение работоспособности путем предварительного подогрева сменной твердосплавной пластины сборного инструмента, которая может быть использована на всех машиностроительных предприятиях, особенно при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов.
Список литературы
1. Артамонов Е. В. Прочность и работоспособность сменных твердосплавных пластин сборных режущих инструментов / Монография. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - 192 с.
2. Патент РФ 2207936, МПК7В23 В/00. Способ металлообработки твердосплавным инструментом / Артамонов Е. В., Ефимович И. А., Костив В. М., Помигалова Т. Е. (РФ) — №2001126982/ 02; заявл. 04.10.2001;опубл. 10.07.2003; Бюл.№ 19.
3. Патент РФ 2254211, МПК7В23 В27/16. Металлорежущий инструмент / Кусков В. Н., Артамонов Е. В., Чуйков Р. С., Трифонов В. Б., Костив В. М. (РФ) - №2004101575; Заявл. 19.01.2004; Опубл. 20.06.2005; Бюл. №17.
4. А.с. СССР 1247173, МКИ4В23В27/16. Резец для обработки труднообрабатываемых материалов / Алифанов А. Я. -№3533897/25-08; Заявл. 11.01.83; Опубл. 30.07.86; Бюл. №28.
Сведения об авторах
Артамонов Евгений Владимирович, д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Станки и инструменты», Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)412924, e-mail: [email protected]
Чуйков Роман Сергеевич, к. т. н. доцент кафедры «Станки и инструменты», Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 89526781187, e-mail: [email protected]
Ставышенко Анатолий Семенович, старший преподаватель кафедры «Станки и инструменты», Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 89129227938, e-mail: kafedra_si@mail. ru
Чуйков Сергей Сергеевич, к. т. н., доцент кафедры «Станки и инструменты», Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 89028132741, e-mail: [email protected]
Artamonov E. V., Doctor of Science in Engineering, professor, head of the chair «Tools and instruments», Tyumen State Oil and Gas University, Tyumen, phone: 8 (3452) 412924, e-mail: [email protected]
Chuykov R. S., Candidate of Science in Engineering, associate professor of the chair «Tools and instruments», Tyumen State Oil and Gas University, Tyumen, phone: 89526781187 e-mail: [email protected]
Stavyshenko A. S., senior lecturer of the chair «Tools and instruments», Tyumen State Oil and Gas University, Tyumen, phone: 89129227938 e-mail: [email protected]
Chuykov S. S., Candidate of Science in Engineering, associate professor of the chair «Tools and instruments», Tyumen State Oil and Gas University, Tyumen, phone: 89028132741, e-mail: [email protected]
90
Нефть и газ
№ 6, 2014
