Оптимизация процесса токарной обработки поверхностей изделий из жаропрочных хромоникелевых сплавов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 62190486 А. П. МОРГУНОВ

А. П. ЧУМАКОВ Е. А. РОГАЧЕВ

Омский государственный технический университет ОАО «КБ транспортного машиностроения», г. Омск

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

В статье предложен один из способов совершенствования технологии токарной обработки деталей газотурбинных двигателей, валов роторов, сердечников ро-гообразных, проставок из жаропрочных хромоникелевых сплавов типа ЖС6-У, ЖС6-К, ВЖЛ-12, ЭП202 и т. д. Рассмотрены предъявляемые требования к износу режущих кромок твердосплавных пластин резцов. Приведены физико-механические свойства и химический состав твердосплавных пластин резцов с особо мелким зерном ГОСТ 25398-90.

Ключевые слова: жаропрочный сплав, твердосплавная пластина, формоустойчи-вость, технологические методы, режущая кромка, фаска резца.

При производстве изделий для авиационных двигателей в качестве конструкционных материалов широко используется жаропрочные сплавы типа ВЖЛ-12, ЭП202, ЖС6-У, ЖС6-К, ЖС32, ЖС26, ЭП742, 08Х18Н10Т на никелевой основе. Трудоёмкость при механической обработке, токарные операции составляют 20 — 30 % от всего технологического процесса изготовления изделий типа вал, ротор турбины и т. д. Изделия из сплавов ЖС6-У, ЖС6-К, ВЖЛ-12 имеют высокую твёрдость, вязкость, обусловленную химическим составом материала и физико-механическими свойствами отливки.

В процессе токарной обработки резцы типа ТК10, ТК15, хорошо зарекомендовавшие себя при механической обработке низколегированных сталей и сплавов. Такие резцы быстро изнашиваются при механической обработке жаропрочных сплавов ЖС6-У, ЖС6-К, ВЖЛ-12 [1]. Поэтому были предложены резцы с особомелким зерном повышенной твёрдостью, износостойкостью на основе ШС, ТаС, УС, Со, с использованием которых проводились дальнейшие исследования [2].

В связи с тем что масса исходных заготовок существенно (иногда на порядок) превышает массу готовых деталей, основной проблемой совершенствования технологии предварительной токарной обработки, осуществляемой с целью удаления излишнего припуска, является снижение ее трудоемкости за счет интенсификации процесса резания с учетом ограничений, связанных, главным образом, с износостойкостью режущих инструментов.

Проблемы совершенствования технологии окончательной (чистовой) токарной обработки связаны с необходимостью обеспечения выполнения высоких требований износостойкости инструмента, к

биению и шероховатости плоских, цилиндрических и конических обработанных поверхностей в процессе механической обработки на токарных станках, а также с разработкой технологии обработки сложных поверхностей вращения с криволинейными образующими [3 — 4].

Решение перечисленных выше задач требует системного подхода в технологии механической обработки и совершенствования применяемых инструментальных материалов, геометрической формы режущих инструментов, оптимизации режимов резания и припусков на чистовую токарную обработку [5 — 6].

Наиболее эффективным путем решения большей части этих технологических задач является теоретический анализ, практические рекомендации выбора рациональных режимов резания, износостойкости режущих инструментов, погрешность обработки, шероховатости обработанных поверхностей, геометрических параметров режущих лезвий с учетом изменения действительных механических свойств жаропрочных сплавов типа ЖС6-У, в процессе резания под влиянием деформаций, нагрузочных характеристик, скоростей деформации и неравномерно распределенных температур [7].

В промышленности всё чаще используется ультразвуковая размерная обработка труднообрабатываемых металлов и сплавов (вибрационное резание). Результаты проведенных исследований показали, что сообщение инструменту вынужденных ультразвуковых колебаний оказывает многогранное воздействие на процесс резания, которое выражается в периодическом изменении величины и направления вектора действительной скорости резания; периодическом изменении кинематических углов — переднего, заднего и угла наклона главной режу-

Рис. 1. Схема обработки изделия различными токарными резцами. Главный вид (рис. 1а), и вид с боку (рис. 1б). 1 — передний угол; 2 — угол заострения; 3 — задний угол; 4 — угол при вершине в плане; 5 — главный угол в плане

щей кромки; периодическом изменении толщины срезаемого слоя; изменении характера приложения нагрузки (зона стружкообразования вместо статической испытывает знакопеременную нагрузку); изменение условий формирования поверхностного слоя детали, приводящем к улучшению качества поверхности; изменении контактных условий на рабочих поверхностях инструмента; повышении точности обработки; изменении динамической устойчивости системы СПИД; улучшении условий доступа в зону резания смазывающе-охлаждающих жидкостей; изменение мощности [8 — 9].

Одной из основных задач совершенствования технологии токарной обработки и интенсификации обработки заготовки из хромоникелевых сплавов является выбор технологических параметров определённых в процессе исследования: рациональная скорость вращения обрабатываемой детали (V, м/мин), глубины резания (Н, мм) с учетом ограничений, главным образом, учитывающих требования к износостойкости инструмента, к марки сплава, химическому составу, периоду стойкости (Тст, сек), пути резания (Ьп, м), площади обработанной поверхности (Б, м2), глубине резания (1, мм), скорости подачи (8, мм/об), и т. д.

Так, на выбор максимальной глубины резания оказывают влияние наибольшая длина режущих кромок твердосплавных пластин. На рис. 1а, б показаны принципиальные схемы, операции токарной обработки изделия из жаропрочного сплава типа вал, различными токарными резцами: проходной прямой резец ГОСТ 18869-73, подрезной резец ГОСТ 18860-73, проходной расточной резец ГОСТ 18873-73, отрезной резец ГОСТ 18874-73.

Рис. 1а (главный вид) показана операция механической обработки изделия типа вал проходным прямым резцом ГОСТ 18869-73, подрезным резцом ГОСТ 18860-73, проходным расточным резцом ГОСТ 18873-73. Рис. 1б (вид сбоку) показан механизм обработки изделия типа вал, отрезным резцом ГОСТ 18874-73.

После выбора глубины резания назначают минимальный угол в плане главной режущей кромки. На практике учитываются ограничения при черновой токарной обработке угол в плане выбирают в пределах 45 — 90

После назначения наибольшей допускаемой глубины резания и угла в плане целесообразно назначить наибольшие допускаемые подачу и радиус за-

кругления вершины режущей кромки. При этом необходимо учитывать требования к шероховатости обработанной поверхности и к неравномерности износа режущего лезвия в окрестности его вершины и на главной режущей кромке твёрдосплавной пластины.

Для обработки изделий из жаропрочных сплавов используются пластины из твёрдосплавных материалов типа: ВК6-ОМ, ВК10-ОМ, ВК15-ОМ, выпускаемых согласно ГОСТ 25417-82. Общее количество твердосплавного инструмента, применяемого в механообрабатывающем производстве, составляет 28 — 30%, но этим инструментом снимается до 52^65% стружки, так как производительность обработки твердосплавными инструментами в три — пять раз выше, чем быстрорежущими.

Физико-химические свойства материалов типа: ВК6-ОМ, ВК10-ОМ, ВК15-ОМ, обеспечивают твердосплавному инструменту высокий предел пластической прочности, повышенную сопротивляемость адгезионно-усталостному, химико-окислительному, диффузионному и абразивному изнашиванию. Такие свойства позволили существенно повысить производительность обработки труднообрабатываемых материалов по сравнению с обработкой быстрорежущим инструментом. Для оснащения режущего инструмента применяются вольфрамокобаль-товые твердые сплавы с содержанием кобальта от 6 до 15% для твёрдосплавных пластин типа (ВК6-ОМ, ВК10-ОМ, ВК15-ОМ и др.).

Вольфрамокобальтовые сплавы наиболее эффективны преимущественно при обработке чугу-нов, цветных металлов, стеклопластиков, фарфора, труднообрабатываемых материалов (коррозион-ностойких, высокопрочных сталей, жаропрочных сплавов на основе никеля и титана и т.д.), т.е. материалов, дающих, как правило, дискретные типы стружек (элементная, стружка надлома) и т. д.

Сплав ВК6-ОМ с минимальным содержанием кобальта данной группы, как наиболее износостойкий, но наименее прочный, рекомендуют для чистовой обработки изделий с повышенной скоростью резания и уменьшенной толщиной срезаемого слоя, а сплав ВК10-ОМ — для черновой обработки с пониженной скоростью резания и увеличением сечения среза в условиях ударных нагрузок.

При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режущие свойства пластин в значительной мере определяются зернистостью кар-

Рис. 2. Элементы токарного проходного резца

бидной фазы, главным образом, средним размером зерен карбида вольфрама. Разработанные технологические приемы производства позволяют получить твердые сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составля ющей может изменяться от долей микрона до 10— 155 мкм. Особо мелкозернистый сплав ВК15-ОМ с успехом применяется при чистовой обработке жаропрочных никелевых сплавов, поскольку в этом случае инструмент должен хорошо противостоять пластическим деформациям при высоких напряжениях и температурах.

Сплавы с особо мелким зерном группы ОМ, применяются для обработки резанием особо твердых изделий из хромоникелевых жаропрочных сплавов и сталей, когда предъявляются высокие требования к чистоте обработанной поверхности и точности размеров. Сплавы ВК6-ОМ, ВК10-0М и ВК15-ОМ имеют особо мелкозернистую структуру карбида вольфрама, что способствует значительному повышению их износостойкости при небольшом снижении прочности.

Пластина из сплава ВК6-ОМ рекомендуется для чистовой обработки нержавеющей стали и титановых сплавов. Стойкость инструмента из сплава ВК6-ОМ в 1,5 — 3 раза выше стойкости инструмента из сплавов ВК8, ВК6М и ВК3М.

Таблица 1

Химический состав пластин с особо мелким зерном ГОСТ 25398-90

Химические элементы и карбиды, % ВК6-ОМ ВК10-ОМ ВК15-ОМ

Углерод общий 5,70 5,40 5,10

Углерод свободный 0,25 0,25 0,25

Железо 0,30 0,50 0,50

Кислород 0,60 0,80 1,00

ШС 91,80 87,80 82,80

ТаС 2,00 2,00 2,00

УС 0,10 0,10 0,10

Со 6,00 10,00 15,00

Таблица 2

Физико-механические свойства твердосплавных пластин с особо мелким зерном ГОСТ 25398-90.

Марка сплава Придел прочности при изг., МПа Плотность, г/см3 Твердость ИКЛ/ИКС Коэрцитивная сила, Э, А/м

ВК6-ОМ 1200...1350 14,0.15,0 90.92/80 330

ВК10-ОМ 1400...1600 14,3.14,5 89.91/79 260

ВК15-ОМ 1500.1700 13,8.14,0 88.89/78 240

Пластины из сплавов ВК10-0М и ВК15-ОМ рекомендуются для получистовой и черновой обработки нержавеющей и жаропрочной сталей, титановых сплавов, вольфрама и молибдена. Стойкость инструмента, оснащенного сплавами ВК10-ОМ и ВК15-ОМ в 1,5 — 3 раза больше стойкости инструмента из сплавов ВК6 и ВК8. В табл. 1 указан химический состав, а в табл. 2 физико-механические свойства выпускаемых промышленностью твёрдо-сплавных пластин для токарных резцов, на которых проводились исследования.

Для обеспечения формоустойчивости пластины режущего лезвия из сплава ВК10-ОМ, ВК15-ОМ при точении сплава ЖС6-У, целесообразно затачивать на задней поверхности фаску предварительного притупления оптимальной ширины. На рис. 2 показаны элементы токарного проходного резца с твердосплавной пластиной, с помощью которого происходит снятие определённой толщины (припуска) металла с обрабатываемого изделия.

Так, например, при жестких требованиях к размерному износу твёрдосплавных пластин, заложенных технологическими параметрами токарной обработки (0,01—0,015 мм), наиболее благоприятными являются значения ширины фаски 0,4 — 0,5 мм, при которых уровень касательных напряжений, возникающих в резце при обработке изделий типа вал, не превышает 92-103 МПа. Уровню напряжений 520 — 555 МПа, возникших при обработке изделия в плоскости контакта режущей кромки пластины, соответствует изменение ширины фаски резца от 0,35 до 0,5 мм.

Проведённые исследования показали, что при токарной обработке экспериментальных изделий из жаропрочного сплава типа ЖС6-У твердосплавным инструментом (ВК6-ОМ, ВК10-0М, ВК15-ОМ) при снятии слоя с обрабатываемого изделия острозато-ченными инструментами и резцами с фасками износа более 0,58^0,64 мм с точки зрения износостойкости не имеет положительных показателей.

По результатам проведенных исследований были получены положительные результаты и разработана технология механической токарной обработки резцами группы ОМ (ВК6-ОМ, ВК10-0М, ВК15-ОМ) изделий из жаропрочных сплавов ЖС6-У, ЭП202, ЖС6-К, ЭП742, 08Х18Н10Т и т.д. Уменьшился износ инструмента в 1,9 — 2,3 раза, чистота (шероховатость) токарной обработки поверхности изделия повысилась с Я2 = 6,3 до Я2 = 3,2. Использование данной технологии механической обработки повлекло за собой понижение энергозатрат с 0,75^0,60 кВт на один килограмм обрабатываемого металла, до 0,43^0,23 кВт. Так как при механической обработке в зоне контакта инструмента с изделием происходит нагрев до 750°С^820°С, что влечёт к быстрому износу твердосплавной пластины (инструмента). Для устранения отрицательного влияния высокой температуры на структуру обрабатываемого изделия и служебные свойства резцов использовалась смазачно-охлаждающая жидкость (СОЖ) «Аквол-2» (ТУ 38 УССР 2-01-220-79), предназначенная специально для обработки деталей из жаропрочных хромоникелевых сплавов.

Библиографический список

1. Напряженно-деформированное состояние и прочность режущих элементов инструментов / Е. В. Артамонов [и др.] ; под ред. М. Х. Утешева. — М. : ООО Недра : Бизнесцентр, 2001. — 199 с.

2. Баженов, М. Ф. Твёрдые сплавы : справ. / М. Ф. Баженов, С. Г. Байчман, Д. Г. Карпачев. — М. : Металлургия, 1978. — 184 с.

3. Балакшин, Б. С. Основы технологии машиностроения / Б. С. Балакшин. — М. : Машиностроение, 1969. — 559 с.

4. Бобров, В. Ф. Основы теории резания металлов / В. Ф. Бобров. — М. : Машиностроение, 1975. — 334 с.

5. Кушнер, В. С. Изнашивание режущих инструментов и рациональные режимы резания : учеб. пособие / В. С. Кушнер. — Омск : ОмГТУ, 1998. — 138 с.

6. Кушнер, В. С. Эффективные режимы резания и геометрические параметры инструмента при черновом точении сталей / В. С. Кушнер, С. В. Фролов // Вестник машиностроения. — 1987. — № 3. — С. 45-47.

7. Макаров, А. Д. Оптимизация процессов резания / А. Д. Макаров. — М. : Машиностроение, 1976. — 278 с.

8. Марков, А. И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов / А. И. Марков. — М. : Машиностроение, 1968. — 365 с.

9. Чумаков, А. П. Повышение конструкционной прочности поверхностного слоя ударно-акустическим методом с вне-

дрением твёрдой смазки и подачей азота в зону обработки / А. П. Чумаков // Омский научный вестник. — 2011. — № 1 (97). — С. 38-40.

МОРГУНОВ Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Технология машиностроения» Омского государственного технического университета (ОмГТУ), академик Европейской академии естествознания. ЧУМАКОВ Алексей Павлович, мастер электросталеплавильного участка ОАО «КБ транспортного машиностроения».

РОГАЧЕВ Евгений Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры физики ОмГТУ. Адрес для переписки: alexeychumakow@mail.ru

Статья поступила в редакцию 25.04.2014 г. © А. П. Моргунов, А. П. Чумаков, Е. А. Рогачев

УДК 62101 Ф. Н. ПРИТЫКИН

А. Ю. ОСАДЧИЙ

Омский государственный технический университет ОАО «КБ транспортного машиностроения»,

г. Омск

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЛАСТЕЙ ПРОСТРАНСТВА КОНФИГУРАЦИЙ, ЗАДАЮЩИХ СОВОКУПНОСТЬ ДОСТИЖИМЫХ ТОЧЕК РАБОЧЕЙ ЗОНЫ МАНИПУЛЯТОРА С УЧЕТОМ ПОЛОЖЕНИЯ ЗАПРЕТНЫХ ЗОН

Исследованы области пространства конфигураций, задающих совокупность достижимых точек рабочей зоны манипулятора с учетом положения запретных зон. Для аналитического задания областей использована теория множеств. Ключевые слова: синтез движений роботов, конфигурационное пространство, запретные зоны, интеллектуальные системы управления роботами.

В настоящее время активно ведутся работы связанные с созданием мобильных роботов, оснащенных интеллектуальными системами управления. При управлении движением данных роботов необходима оценка двигательных возможностей исполнительных механизмов. Данные задачи, например, необходимо решать при автоматизации погру-зочно-разгрузочных работ при обнаружении, обезвреживании, и уничтожении взрывных устройств и др. При интеллектуальном управлении движением мобильного робота в реальном масштабе времени важной задачей является сокращение времени расчетов, связанного с определением взаимного положения исполнительного механизма и запретных

зон. В работе предлагается метод, позволяющий сократить указанное время, на основе задания в аналитическом виде областей в конфигурационном пространстве, которые задают совокупность запрещенных конфигураций, пересекающих запретные зоны. В этих целях использована совокупность областей, определяемых плоскостями и поверхностями второго порядка, и теория множеств. Наибольшее применение для решения указанных задач получил мобильный робот «Варан» (см. рис. 1а). Исследуем в связи с этим влияние положения подвижной платформы и механизма манипулятора этого робота на область допустимых значений вектора обобщенных координат д (д1,д^2, .., дп) (где д1, ..., дп —