CC BY
37
в зависимости от вида присадок по сравнению с резанием без СОТС.
Максимальное улучшение шероховатости поверхности (в 2 раза) достигается при использовании присадок Х-16 (олеата холестери-ла) и чистой олеиновой кислоты. Близкие результаты могут быть объяснены тем, что Х-16 является эфиром олеиновой кислоты. Можно предположить, что в зоне резания из-за три-бодеструкции эфир может распадаться с выделением чистой олеиновой кислоты, которая и оказывает благоприятное действие на формирование поверхности при развертывании за счет ее пластифицирования.
Выводы
Эксперименты по использованию при металлообработке СОТС с присадками ЖКСХ подтвердили их высокую эффективность в качестве трибоактивных веществ. Отмечено снижение силовых параметров резания, уменьшение шероховатости поверхности.
Установлено, что превалирующим механизмом смазочного действия присадок ЖКСХ является не химический, а структурный. Это позволит не использовать хлорсодержащие присадки ЖКСХ как потенциально опасные для экологии при создании новых СОТС.
Литература
1. Справочник по триботехнике: В 3 т. / Под общ. ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 1990. Т. 2. 420 с.
2. Ермаков С. Ф., Родненков В. Г., Белоенко Е. Д. и др. Жидкие кристаллы в технике и медицине. Мн.: ООО «Асар»; М.: ООО «ЧеРо», 2002. 412 с.
3. А. с. 601304 СССР, приоритет от 27.04.78. Сма-зочно-охлаждающая жидкость для механической обработки металлов / Р. И. Карабанов, В. Н. Латышев, И. Г. Чистякова и др. Опубл. 15.04.79. Бюл. № 13. 3 с.
4. Топлива, смазочные материалы и технические жидкости. Ассортимент и применение: Справочник / Под ред. В. М. Школьникова. М.: Издательский центр «Техинформ», 1999. 596 с.
5. Колбашов М. А., Латышев В. Н., Новиков В. В. и др. Трибологические свойства некоторых жидкокристаллических соединений холестерила // Трение и износ. 2009. Т. 20, № 6. С. 564-567.
6. Латышев В. Н. Трибология резания: В 12 ч. Иваново: Ивановск. гос. ун-т, 2009. Ч. 1: Фрикционные процессы при резании металлов. 108 с.
7. Demus D., Demus H., Zaschke H. Flussige Kristalle in Tabellen. Leipzig: VEB Deut. Verlag, 1974. 356 S.
8. Коротков В. Б. Влияние мезогенных технологических сред на процесс резания медно-никелевых сплавов: Дис____канд. техн. наук. Горький, 1982. 250 с.
9. ГОСТ 20799-88. Масла индустриальные. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2006.
УДК 621.941.1
Повышение работоспособности режущего инструмента при точении коррозионно-стойких сталей с опережающим пластическим деформированием
А. Р. Ингеманссон
Введение
Повышение ресурса работоспособности режущего инструмента традиционно является актуальным направлением совершенствования процессов механической обработки. Изнашивание лезвий — это сложный процесс, в котором реализуется комплекс физических и химических явлений, протекающих в зоне резания. Исследование способа точения с опережающим пластическим деформированием
(ОПД) обрабатываемой поверхности [1, 2], сочетающего два приема — поверхностное пластическое деформирование, создающее необходимые глубину и степень наклепа, и последующий съем упрочненного металла в виде стружки, — обнаружило существенное повышение эффективности работы лезвийного инструмента по сравнению с традиционным резанием. В данной статье приведены результаты изучения повышения работоспособности твердосплавных сменных многогранных пластин
(СМП), оцениваемой комплексом параметров, при использовании ОПД, причин положительного воздействия и его зависимости от условий и режимов ведения обработки.
Повышение работоспособности режущего инструмента при точении с ОПД
Исследовалось получистовое и чистовое продольное точение коррозионно-стойких труднообрабатываемых сталей 20X13, 14Х17Н2, 13Х11Н2В2МФ (группа 2 [3], сортовой прокат, состояние поставки, предел текучести Со 2 = 440, 635, 735 МПа соответственно). Привод главного движения токарно-винторезного станка 1М63 («РСЗ», г. Рязань) оснащен векторным частотным преобразователем «Веспер Е2-8300» для реализации бесступенчатого регулирования скорости вращения шпинделя. Твердосплавные СМП были представлены как отечественными образцами, традиционно рекомендованными для точения указанных сталей [3], так и инструментом с износостойкими покрытиями (Iscar, Израиль) [4]. Геометрия пластин: WNUM 080408 — отечественные, WNMG 080408-TF (Iscar). С учетом общих результатов исследований инструментов с покрытиями [5], рекомендаций [4] и принятых в работе режимов и условий точения был выбран сплав IC9250 с защитным слоем, нанесенным химическим способом (CVD). Наружный слой трехуровнего покрытия состоит из нитрида титана TiN (повышенная прочность, обусловленная необходимостью сопротивления хрупкому изнашиванию при резании коррозионно-стойких сталей), промежуточный — из оксида алюминия AI2O3 (повышенная износостойкость) и подложка из карбонитрида титана TiCN (прочная связь покрытия с матрицей). Обработка выполнялась без смазочно-охлаждающих технологических сред. Измерения сил резания производились посредством динамометра DKM 2010 (TeLC, Германия), интегрированного с ПК. Оценка температуры осуществлялась с помощью естественной и искусственной термопар (в последнем случае фиксировалась величина нагрева СМП, а затем рассчитывалась мощность источника тепловыделения в зоне резания по методике калькуляции тепловых полей [6]). Измерение износа лезвий выполнялось на большом инструментальном микроскопе БМИ-1 («НПЗ», Новосибирск). Оценка микротвердости в зонах стружкообразования и контактных пластических деформаций осуществлялась на микротвердомере ПМТ-3 («ЛОМО», Санкт-Петербург). Измерялись усадка стружки и частота цикличности ее образования. ОПД
реализовывалось обкатыванием обрабатываемой поверхности роликами. Режим предварительного деформирования описывается коэффициентом ОПД -Копд:
кОПД - ^нЛр,
(1)
где Нн — глубина наклепанного поверхностного слоя, мм; £р — глубина резания, мм.
На рис. 1 представлены зависимости роста площадки износа Нз по задней поверхности резцов. На кривых традиционно следует выделить участки приработки — интенсивного изнашивания новой режущей кромки, вступившей в работу, и нормального изнашивания — относительно стабильного функционирования лезвия во времени до достижения нормированной величины критерия выхода инструмента из строя.
Анализ кривых зависимости износа от времени обработки и периода стойкости от скорости резания (рис. 1, 2) показывает, что ОПД обрабатываемого материала позволяет повысить стойкость твердосплавного инструмента до 2,5 раз. Почти во всех случаях точения с ОПД приработка резца происходит при меньших величинах износа. Как отмечается в работе [7], интенсивное изнашивание режущего инструмента в период приработки может быть связано с появлением микросколов, являющихся, как правило, результатом кратковременной ползучести. Особенно наглядно это проявляется при обработке коррозионно-стойких сталей, высокопрочных и титановых сплавов, обладающих высокими механическими свойствами и отличающихся проявлением неустойчивости процесса стружкообразования. Снижение температурно-деформационной напряженности процесса съема припуска при использовании ОПД обусловливает уменьшение пластической деформации режущего клина и потери им формоустойчивости, в то время как при традиционной обработке имеют место микросколы и выкрашивания. Интенсивность потери работоспособности инструментом во время фазы нормального изнашивания при точении с ОПД ниже (угол наклона соответствующих участков кривой меньше, чем при традиционной обработке (см. рис. 1)), что обусловливает увеличение периода стойкости твердосплавных СМП.
Рассмотрим комплексное влияние режимов и условий обработки, определяющих эффективность способа резания с ОПД, для задач повышения работоспособности инструмента. Зависимость снижения интенсивности изнашивания резцов от степени предварительно сообщенной материалу заготовки деформации аналогична
25 п
а)
0,35
5 о зо
^ 0,25 -
§
0,20
| 0,15
о
? 0,10
Й
0,05
0 12345678 9 1011121314151617181920212223
Время резания, мин
б)
Время резания, мин
Рис. 1. Зависимость размера площадки износа кз по задней поверхности инструмента от времени работы (материал СМП — ВК6; ир = 90 м/мин; эо = 0,256 мм/об; гр = 1 мм): а — сталь 14Х17Н2, КОПД = 1,2; б — сталь 13Х11Н2В2МФ, КОПД = 1,2; 1 — традиционное точение; 2 — точение с ОПД
изменению параметров (силы, температуры резания и др.) процессов, протекающих в зоне разделения металла. Величины наклепа, созданные в поверхностном слое обрабатываемого тела, соответствующие максимальному снижению температурно-силовой напряженности съема припуска, относятся к наибольшему повышению стойкости инструмента при точении с ОПД. Подобное влияние на работоспособность лезвий отмечено для соотношения усилия деформирования и толщины резания для обработки с ОПД поверхности резания в работе [8].
0~\-1-^т
90 135 180
Скорость резания, м/мин
Рис. 2. Зависимость периода стойкости инструмента от скорости резания (сталь 14Х17Н2 — СМП ВК6; эо = 0,256 мм/об; гр = 1 мм; КОПд = 1,2): 1 — традиционное точение; 2 — точение с ОПД
Скорость резания влияет на эффективность увеличения срока службы резцов при использовании ОПД следующим образом. Обработка исследуемым способом мартенситно-ферритной стали 14Х17Н2 инструментом из твердого сплава ВК6 на режимах, соответствующих рис. 1, а, характеризуется повышением стойкости СМП в 2,5 раза по сравнению с традиционным точением (см. рис. 1, а; 2). С повышением скорости резания в связи с ростом тепловыделения, уменьшением вклада силового фактора в формирование интенсивности изнашивания и развитием диффузионных процессов относительное повышение работоспособности снижается, оставаясь при этом существенным по сравнению с работоспособностью при обычной обработке. При использовании ОПД происходит повышение стойкости в 1,9 и 1,2 раза для Ур = 135; 180 м/мин соответственно (см. рис. 2). Увеличение скорости резания при обработке инструментом с износостойкими покрытиями менее существенно влияет на изменение работоспособности лезвий по сравнению с аналогичным параметром при резании непокрытыми пластинами. Так, возрастание стойкости СМП из сплава 1С9250 (1веаг) при точении с ОПД составляет 1,6; 1,5; 1,4 раза для Ур = 90; 135; 180 м/мин соответственно. Это объясняется следующим. Повышение скорости резания приводит к повышению интенсивности диффузионных процессов и активизации соответствующего механизма изнашивания. Покрытие (в настоящем случае многослойное) выступает барьером на пути взаимного растворения контактирующих пар на атомном уровне. Поэтому влияние роста скорости в исследовавшемся диапазоне не имеет такого воздействия на эффективность применения ОПД, как для непокрытых
инструментов. При использовании ОПД повышение работоспособности для пластин с износостойкими покрытиями реализуется в том числе благодаря определенным особенностям, весьма значимым для таких инструментов, а именно за счет изменения условий нагружения и деформирования твердосплавной матрицы. Этот вопрос рассматривается далее.
Закономерное влияние оказывает и изменение скорости подачи. Во-первых, уменьшение величины подачи ведет к сокращению площади среза. Это обусловливает снижение уровня нагрузки, действующей на лезвие, а следовательно, интенсивности адгезионно-усталостных явлений и пластической деформации клина. При использовании ОПД происходит снижение вертикальной, радиальной и осевой составляющих силы резания. Поэтому при увеличении площади среза инструмент находится в менее напряженном состоянии по сравнению с состоянием при традиционной обработке, что подразумевает наличие резервов повышения производительности обработки. Щадящие для традиционного точения режимы резания (в результате уменьшения подачи) несколько снижают относительное повышение стойкости за счет ОПД, остающееся при этом существенным. Во-вторых, общеизвестно, что увеличение площади среза (за счет величины подачи) интенсифицирует отвод теплоты из зоны резания в тело инструмента. Проведенными исследованиями установлено уменьшение мощности источника тепловыделения при обработке с ОПД. Это означает, что в рассматриваемом случае с увеличением скорости подачи количество тепла, поступающего в рабочий клин, уменьшается по сравнению с традиционным резанием. Меньший разогрев инструмента предполагает большую сопротивляемость лезвий пластической деформации, вызывающей потерю фор-моустойчивости, ослабление явлений диффузии и др. Таким образом, увеличение скорости подачи при точении с ОПД дает возможность более полно раскрыть ресурсы повышения работоспособности режущей пластины.
Повышение запаса пластичности обрабатываемого материала способствует большему относительному росту стойкости при обработке с ОПД. Так, отношение предела текучести со,2 к временному сопротивлению св для стали 14Х17Н2 равно 0,76, а для стали 13Х11Н2В2МФ — 0,84. При этом период работы с идентичными режимами резания до достижения заданной величины критерия износа при использовании ОПД для первого материала больше в 2,5 раза, а для второго — в 1,7 раза, чем при традиционном точении (см. рис. 1).
Наряду с повышением стойкости инструмента по критерию допустимой площадки Нз по задней поверхности при резании с ОПД менее интенсивно происходит размерное изнашивание лезвий. Этот параметр определяет период времени, в течение которого инструмент обеспечивает изготовление деталей в пределах заданных технических условий. Данный критерий затупления оценивается уменьшением размера резца в направлении, перпендикулярном к обработанной поверхности. При точении с ОПД зафиксировано снижение размерного износа до 2,5 раз, объясняемое меньшей температурно-деформационной напряженностью состояния рабочего клина и процесса съема металла.
При использовании ОПД благоприятное изменение процессов, сопровождающих отделение материала припуска, наряду с улучшением работоспособности инструмента формирует резервы повышения производительности обработки. Известно, что среди режимных параметров наибольшее влияние на интенсивность износа лезвий оказывает скорость резания. Для оценки возможности повышения производительности обработки с применением ОПД воспользуемся соответствующим коэффициентом Ку, отражающим отношение скорости V резания при точении с ОПД к аналогичному параметру при традиционном точении [8]:
КУ - УОПД/Ут,
(2)
где Уопд — скорость резания при точении с ОПД, м/мин; Ут — скорость резания при традиционном точении, м/мин. Для выполнения анализа по формуле (2) остальные режимы резания и периоды стойкости инструментов должны быть идентичными.
Результаты исследований показали, что применение ОПД позволяет повысить производительность обработки за счет повышения скорости резания при неизменной стойкости лезвий до 1,5 раз (Ку - 1,5) по сравнению с традиционным точением (см. рис. 2).
Рассмотрим более подробно причины повышения стойкости режущего инструмента при обработке с ОПД. Проведенные исследования выявили уменьшение вертикальной и горизонтальных составляющих силы резания при точении изучаемым способом. Снижение давлений, действующих на рабочие поверхности инструмента, способствует ослаблению усталостных явлений (адгезионного изнашивания), расшатывающих структуру твердого сплава, и облегчению условий течения прирезцовых слоев стружки, находящихся под воздействием контактного
пластического деформирования. Параллельно экспериментами было установлено снижение микротвердости по толщине стружки вдоль передней поверхности при использовании ОПД по сравнению с традиционной обработкой, что свидетельствует о снижении сопротивления пластическому деформированию в зонах стружкообразования и контактного пластического деформирования, а следовательно, и об уменьшении уровня действующих касательных и нормальных напряжений в зоне резания. Последнее обусловливает уменьшение интенсивности тепловыделения, приводящего к разогреву режущего клина и способствующего облегчению протекания явлений пластического деформирования и диффузионного изнашивания инструмента.
Эксперименты по измерению температуры СМП с помощью искусственной термопары обнаружили снижение уровня нагрева твердого сплава при обработке с ОПД. Для условий точения, соответствующих рис. 1, имело место уменьшение нагрева СМП до 9 % по сравнению с обычным резанием. Закономерность повышения эффективности процесса в рассматриваемом аспекте подчиняется принципам, изложенным ранее. Так, отмечалось снижение температуры пластины при переходе от режимов, характерных для рис. 1, в сторону увеличения скорости резания, уменьшения величины подачи и глубины внедрения СМП (Ур = 135 м/мин; ва = 0,166 мм/об; £р = 0,5 мм) до 6 %. Снижение нагрева режущего клина при использовании исследуемого способа способствует повышению сопротивляемости лезвий изнашиванию, в частности диффузионному (уменьшению активности взаимного растворения контактирующих пар), силовому нагружению и, как следствие, процессам пластического деформирования инструментального материала.
Обработке коррозионно-стойких сталей, особенно в диапазоне получистовых и чистовых режимов, свойственна цикличность стружко-образования, оказывающая существенное влияние на период стойкости лезвий. Этот процесс, выражаемый чередованием во времени фаз сжатия и сдвигового деформирования, характеризуется высокочастотными колебаниями сил и температур резания, скоростей перемещения стружки. Такая неустойчивость способствует протеканию адгезионно-усталостных явлений изнашивания. Причем указанный механизм существует параллельно с диффузионным вплоть до высоких скоростей и температур резания. Ослабление связующей фазы твердого сплава проникновением атомов обрабатываемого материала облегчает процессы расшатывания
и вырыва карбидных зерен из основной массы инструмента. Так, в работе [9] установлено, что с повышением числа циклов неустойчивости, сформированных в единицу времени, период стойкости лезвий снижается. Поэтому уменьшение частоты цикличности стружко-образования является резервом повышения работоспособности режущего клина.
Исследованиями установлено, что при использовании ОПД имеет место снижение частоты цикличности стружкообразования по сравнению с традиционным точением. Это обстоятельство способствует сокращению количества актов установления и разрыва адгезионных связей между обрабатываемым и инструментальным материалами в единицу времени. Таким образом, при использовании ОПД и одинаковом пройденном пути резания количество пагубных циклов, воспринятых лезвием, меньше, чем в обычном случае, что обусловливает повышение работоспособности твердосплавных пластин при применении исследуемого способа.
Для изучения точения с ОПД особое внимание следует уделить рассмотрению закономерностей изнашивания в результате пластической деформации режущего клина, которая чрезвычайно сильно влияет на ресурс работы инструмента с износостойкими покрытиями. Явления пластической деформации пластин существенно проявляются при обработке коррозионно-стойких сталей, высокопрочных и титановых сплавов, что обусловлено тремя особенностями, присущими точению данных материалов:
• формированием высоких контактных нормальных напряжений на режущем лезвии;
• высоким уровнем нагрева объемов твердого сплава, прилегающих к кромке инструмента, из-за низкой теплопроводности этих материалов;
• переменностью деформирующих нагрузок, обусловленной высокочастотной цикличностью стружкообразования [5, 9, 7].
Так, в работе [5] отмечается, что основными причинами выхода из строя твердосплавных пластин с износостойкими покрытиями при обработке коррозионно-стойких сталей являются хрупкое разрушение защитного слоя (отслаивание), опережающее, как правило, прорыв покрытия, и деформация инструмента в результате ползучести материала матрицы. Следовательно, уменьшение пластической деформации клина и неустойчивости процесса резания является значимым способом повышения работоспособности инструмента.
При обработке с ОПД происходит ослабление интенсивности тепловыделения в зоне резания и нагрева лезвий. Кроме того, выявлено
снижение всех составляющих силы резания, в том числе вертикальной. Ранее было установлено уменьшение частоты цикличности стружкообразования при точении исследуемым способом. Это способствует сглаживанию пагубного влияния колебаний сил резания, температур контактных поверхностей, скоростей перемещения стружки на стойкость инструмента. Данные факторы обусловливают снижение температурно-силовой напряженности состояния режущего клина, тем самым ослабляя процесс пластической деформации объемов твердого сплава и явления хрупкого изнашивания. Наряду с указанными ранее причинами данные факторы обеспечивают увеличение периода стойкости инструмента как с износостойкими покрытиями, так и без них при обработке с ОПД.
Выводы
Применение ОПД обрабатываемой поверхности при точении коррозионно-стойких хромистых и сложнолегированных сталей фер-ритного, мартенситно-ферритного, мартенсит-ного классов позволяет повысить стойкость инструмента (СМП как с износостойкими покрытиями, так и без них) по критерию максимально допустимого размера площадки износа по задней поверхности до 2,5 раз, размерную стойкость инструмента до 2,5 раз и производительность процесса (увеличение скорости резания при фиксированной стойкости пластин) до 1,5 раз по сравнению с традиционным резанием. Изучены закономерности изменения эффективности способа в зависимости от режимов и условий ведения токарной обработки, что позволяет назначать наиболее рациональные параметры процесса. Рассмотрены причины повышения работоспособности лезвий при использовании ОПД. Благоприятное воздействие исследуемого способа связано со снижением сил резания, мощности тепловыделения в зоне разделения обрабатываемого материала и контактных деформаций,
уровия иагрева твердосплавной пластины, пагубного влияния высокочастотной неустойчивости процесса циклического стружкообразования и величины пластических деформаций режущего клина.
Литература
1. Пат. № 2399460 Российская Федерация. МПК В 23 В 1/00. Способ обработки деталей резанием с опережающим пластическим деформированием / Ю. Н. Полянчиков, П. А. Норченко, Д. В. Крайнев и др.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»; заявл. 30.03.2009; опубл. 20.09.2010 № 2009111702/02. Бюл. № 26. 6 с.
2. Полянчиков Ю. Н., Крайнев Д. В., Норченко П. А. и др. Эффективность применения безвольфрамового твердого сплава ТН20 при резании нержавеющих сталей с опережающим пластическим деформированием // Изв. ВолгГТУ. Сер. «Прогрессивные технологии в машиностроении». Вып. 6, № 12. Волгоград, 2010. C. 43-45.
3. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник / Я. Л. Гуревич, М. В. Горохов, В. И. Захаров и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 240 с.
4. Iscar. Complete machining solutions. Turning tools: Catalogue. Tel Aviv: Iscar, 2008. 828 p.
5. Быков Ю. M. Исследование закономерностей износа твердосплавного инструмента с износостойкими покрытиями с целью повышения его работоспособности: Дис. ... канд. техн. наук: 05.03.01. Волгоград, 1983. 253 с.
6. Резников А. Н. Теплофизика процессов механической обработки. М.: Машиностроение, 1981. 279 с.
7. Талантов Н. В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. М.: Машиностроение, 1992. 240 с.
8. Ярославцев В. M. Точение с опережающим пластическим деформированием: Учеб. пос. по курсу «Технология машиностроения». М.: Изд-во МГТУ, 1991. 38 с.
9. Липатов А. А. Закономерности процесса резания высоколегированных сталей и пути повышения работоспособности твердосплавного инструмента: Дис. ... канд. техн. наук: 05.03.01. Волгоград, 1987. 256 с.
