CC BY
39
УДК 621.9.02 : 621.78.013.7
Е. В. АРТАМОНОВ С. С. ЧУЙКОВ
Тюменским государственный нефтегазовый университет
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПОДОГРЕВОМ СМЕННЫХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПЛАСТИН
На основании проведенных исследований разработана новая конструкция металлорежущего инструмента, обеспечивающая повышение работоспособности путем предварительного подогрева сменной твердосплавной пластины сборного инструмента.
Ключевые слова: работоспособность, инструмент, предварительный нагрев, температура, резание.
Сложные природно-климатические условия работы нефтегазопромыслового оборудования обуславливают необходимость применения высокопрочных коррозионностойких материалов при изготовлении деталей этого оборудования. Как правило, эти материалы относятся к разряду труднообрабатываемых. При обработке резанием указанных материалов возникают большие температуры в режущей части инструмента, которые главным образом определяют его работоспособность.
Эффективность машиностроительною производства во многом определяется используемым металлорежущим инструментом. В нас тоящее время наибольшее распространение получили сборные инструменты со сменными многогранными пластинами (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 но многом определяется физико-механическими характеристиками ИТС. 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 %. Так, 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.
На долю отказов сборных инструментов с СМП в результате поломки, скалывания и выкрашивания пластин приходится 70 % для 5-граппых СМП по ГОСТ 19064-80 и75% для 3-гранных СМП по ГОСТ 19075-80 (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 разруше-
З-граммая 4-гранная 5-гранная
Рис. 1. Доли отказов СМП
пия 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 11 ]. Для проведения экспериментальных исследований образцами являлись стандартные СМП из твердых сплавов ВК8, ВК10 и ВК15. Рентгенографические исследования проводились при температурах от 20 до700 вС. Качественный анализ дифрактограмм (рис. 2) показал, что с увеличением темпера туры нагрева твердосплавного образца ширина дифракционной линии уменьшается для всех сплавов группы ВК, что свидетельствует о снижении внутренних напряжений. В результате расшифровки дифракто!рамм построены графики зависимостей внутренних напряжений от температуры для разных твердых сплавов группы ВК (рис. 3).
В результате исследований влияния температуры на изменение внутренних напряжений в ИТС (рис. 3) было установлено, что при комнатной температуре (20°С) внутренние напряжения могут достигать значений, близких к предельным ош, а при увеличении температуры путем предварительного нагрева С.МП до 600 °С до начала процесса резания практически полностью сниматься.
Рис. 2. Дифрактограммы для сплавов ВК8 (а}, ВКЮ (б), ВК15 (в) при разных температурах: 1 - при 100 °С, 2 - при 300 °С, 3 - при 600 °С
*
аміїа
Рис. 3. Зависимость внутренних напряжений от температуры для разных сплавов ВК:
1 -ВК8,2-ВК10,3-ВК15
Рис. 4. Металлорежущий инструмент с принципиальной электрической схемой предварительного подогрева:
I - корпус, 2 - винт, 3 - прихват, 4 - режущая пластина, 5 - полупроводниковый слой,
6 - токоподводящая пластина, 7 - изолирующая прокладка, 8 - источник питания, лабораторный трансформатор, 10 - выпрямитель, 11 - ключ. 12 - вольтметр, 13 - амперметр
Рис. 5. Зависимость температуры Рис. 6. Зависимость пути резания от скорости резания
предварительного подогрева от силы тока (сталь 40Х, ВК8, й=0,28 мм/об, 1=1 мм):
I - без предварительного подогрева СМП,
2-е предварительным подогревом СМП
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИК № 1 Я7> 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ
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, ког да ее температура повышается от комнатной до температуры при которой твердый сплав, из которою 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 хрупкопластическое состояние, что позволяет инструмент)' работал» с гораздо большими нагрузками. Эффективность способа достигается возможностью регулирования температуры предварительного подогрева для каждого используемого инструментального материала [1].
Для повышения работоспособности твердосплавных С-МП разработана специальная конструкция металлорежущего инструмента с предварительным подогревом [3]. Устройство работает следующим образом (рис. 4). 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 эффек та 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. 5), тогда как в известных устройствах |4| он достигает 2000 А. После нагрева режущей пластины до температуры 300 —500 “С ключ размыкают и начинают резание В процессе обработки детали режущая пластина нагревается за счет превращения механической энергии резания в тепловую.
Благодаря повышению треіциностойкости режущей пластины в начальный период резания и последующему ее поддержанию за счет режима резания максимальный пройденный пуп, резания СМП металлорежущего инструмента до разрушения увеличивается на 40 — 50% (рис. 6).
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.
Библиографический список
1. Артамонов, Іі.В. І Ірочность и работоспособность сменных твердое плавных пластин сборных режущих инструментов: монография / Е.В. Артамонов. — Тюмень :ТюмГН ГУ. 2003. — 192 с
2. Патент РФ 2207936. МПК7В23 В1 /00. Способ металлообработки твердосплавным инструментом / Артамонов Іі.В.. Ефи мовим И.А., Костив В.М., ПомигаловпТ.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 В.. Костив В.М. (РФ) - Г*> 2004101575 . заявл. 19 01.2004 . опубл. 20.06.2005. Бюл. № 17.
4. А.с. СССР 1247173. МКИ4В23В27/16. Резецмя обработки труднообрабатываемых материалов / Алифанов А.Я.
N0 3533897/25-08: яаявл. 11.01.83; опубл. 30.07.86, Бюл. N0 2Я.
АРТАМОНОВ Евгений Владимирович, док тор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Станки и инструменты».
Адрес для переписки: e-mail: kafedra_si(a>mail.ru ЧУЙКОВ Сергей Сергеевич, аспирант кафедры «Станки и инструменты».
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 18.12.2009 г.
© Е. В. Артамонов, С. С. Чуйков
Книжная полка
Маркечко, И. В. Проектирование штампов листовой штамповки с использованием программного продукта «Компас-Штамп» [Текст]: учеб. пособие для вузов по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением» / И. В. Маркечко, М. В. Медведев, В. Г. Штеле ; ОмГТУ. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2009.
Ч. 2. — 2009. — 83 с.: рис. — Библиогр.: с. 79. — ISBN 978-5-8149-0775-2.
Описаны методики и примеры проектирования разделительного штампа совмещенного действия, а также дан пример формировании чертежа пуансона с использованием программного продукта «Компас-Штамп».
Григорьев, С. Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента [Текст! : учеб. для вузов по направлению подгот. «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / С. Н. Г ри горьсв. — М.: Машиностроение, 2009. — 368 с.: рис., табл. — (Для вузов). — Библиогр.: с. 366-368. — 978-5-94275-429-7.
Представлены сведения о современных инструментальных материалах, мировых тенденциях их совершенствования. Проведены систематизация и классификация методов нанесения покрытий и модификации поверхностного слоя инструмента из различных материалов. Раскрыты физические основы и технологические особенности методов. Приведены примеры их практической реализации, а также данные о влиянии различных методов на работоспособность инструментов широкой номенклатуры. Материал представлен с учетом новейших достижений науки и техники в области модификации поверхности и нанесения различных покрытий, в том числе наноструктурных.
