CC BY
26
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
УДК 67.05
ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТОКАРНЫХ РЕЗЦОВ СО СМЕННЫМИ РЕЖУЩИМИ ПЛАСТИНАМИ ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Е.В. Артамонов, Д.В. Васильев, А.М. Тверяков, А.С. Штин
Представлены методика определения температуры максимальной работоспособности сменных режущих пластин по изменению электромагнитных свойств инструментальных твердых сплавов от температуры. Проведены исследования механики процесса резания труднообрабатываемых материалов. Доказано, результатами стойкостных испытаний, что разработанная методика позволяет определять условия максимальной работоспособности токарных резцов, оснащенных сменными режущими пластинами из твердых сплавов, при обработке деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных материалов.
Ключевые слова: работоспособность, сменные режущие пластины, инструментальные твердые сплавы, температура максимальной работоспособности, жаропрочные материалы.
Введение. В настоящее время широко применяются в различных отраслях промышленности газотурбинные установки (ГТУ). На компрессорных станциях магистральных газопроводов ГТУ являются основными двигателями для привода газоперекачивающих агрегатов (ГПА).
Анализ существующего положения трубопроводного транспорта газа и оценка перспектив его дальнейшего развития свидетельствуют о том, что газотурбинный вид привода центробежных ГПА и на ближайшую перспективу останется основным видом привода компрессорных станций.
Современные газотурбинные двигатели палубного типа, применяемые в газовой промышленности ведущими компаниями для транспортировки газа такими как «ГАЗПРОМ», изготавливают из жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, которые относятся к труднообрабатываемым материалам.
Актуальным вопросом экологии и защиты окружающей среды является ресурсосбережение. Проблемы эффективного ресурсопотребления всегда являлись достаточно актуальными. Сокращение ресурсоемкости входит в число важнейших стратегических задач России, которая по уровню потребления ресурсов в 2-3 раза превышает ведущие страны мира. Этот вопрос должен затрагивать не только топливную промышленность, он также должен рассматриваться в машиностроении и двигателестроении. Ресурсосбережение при правильном решении, имеет и вторую сторону важной проблемы - повышение конкурентоспособности за счет снижения затрат и уменьшения цены.
В связи с выше изложенным повышение работоспособности токарных резцов со сменными режущими пластинами из твердых сплавов при обработке деталей из жаропрочных материалов при производстве и ремонте газотурбинных двигателей является актуальной проблемой.
Проблеме повышения эффективности механической обработки посвятили свои работы ведущие отечественные ученые: Бобров В.Ф. [1], Борискин О.И. [2] Васин С.А. [3], Верещака А.С. [4], Веткасов Н.И. [5] Гречишников В.А. [6], Григорьев С.Н. [6], Драчёв О.И. [10], Зорев Н.Н. [7], Киселев Е.С. [5], Лоладзе Т.Н. [8], Макаров А.Д. [9], Петраков Ю.В. [10], Петрушин С.И. [11], Петухов Ю.Е. [12], Полетика М.Ф. [13], Резников А.Н. [14], Розенберг А.М. [15], Розенберг Ю.А. [15], Силин С.С. [16], Старков В.К. [17], Табаков В.П. [10], Терёшин М.В. [19], Утешев М.Х. [19], Худобин Л.В. [20], Шаламов В.Г. [21], Ямников А.С.[22] и др.
Целью работы является повышение работоспособности токарных резцов при обработке жаропрочных материалов, путем определения температуры максимальной работоспособности сменных режущих пластин, на основе изменение электромагнитных свойств однокарбидных твердых сплавов.
В рамках исследования были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать зависимость изменения электромагнитных свойств инструментальных твердых сплавов группы ВК при нагреве во всем температурном диапазоне, характерном для процесса резания металлов.
2. Провести экспериментальные исследования механики процесса резания и стойкостные испытания при точении сплава ХН62МВТЮ-ВД, применяемого для изготовления деталей ГТД.
3. Установить зависимость изменения электромагнитных свойств инструментальных твердых сплавов группы ВК от температуры при точении труднообрабатываемого сплава ХН62МВТЮ-ВД с условиями максимальной работоспособности сборных резцов, оснащенных сменными режущими пластинами из данного инструментального твердого сплава.
Методика исследований. На сегодняшний день широкое применение получили магнитные методы неразрушающего контроля. Твердые сплавы обладают электромагнитными свойствами. Наиболее реальный путь исследования электромагнитных явлений при резании - экспериментальный. Он дает возможность установить эмпирические зависимости, проанализировать и максимально исключить расчетные погрешности. За физическую основу был принят вихретоковый метод неразрушающего контроля, который основывается на анализе взаимодействия электромагнитного поля вих-ретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в контролируемом объекте (сменной твердосплавной пластине).
Вихретоковый преобразователь представляет собой катушку индуктивности, которая подключена к источнику переменного тока. Ток создает вокруг катушки переменное магнитное поле. При размещении внутри преобразователя сменной твердосплавной пластины указанное поле возбуждает в поверхностном слое вихревые токи. Вихревые токи создают собственное поле, которое наводит в катушке дополнительную ЭДС, несущую информацию об изменениях электромагнитных свойств твердого сплава от температуры.
Исследования проводились на лабораторных площадках кафедры «Станки и инструменты» ТИУ на специально разработанной установке рис.1 [23]. Для эксперимента были выбраны 3 распространенных представителя группы ВК (ВК6, ВК8, ВК10). Разработанная установка состоит из автоколебательного контура 1 и щитка приборов 3. Автоколебательный контур содержит обмотку возбуждения вихретокового преобразователя, собранную по схеме автотрансформатора 2, с нанесенным термоизолирующим покрытием, и корпус с расположенной в нем печатной платой 11, состоящей из источника питания 4, транзистора 5, двух последовательно подключенных конденсаторов 6 и сопротивления 7. На щитке приборов 3 снимаются показания с термометра 8 и вольтметра 9 [23].
Рис. 1. Схема установки для определения температуры максимальной аботоспособности сменных режущих пластин из инструментальных
твердых сплавов
Исследование механики процесса резания и стойкостные испытания проводились в лаборатории «Обработка материалов резанием» кафедры «Станки и инструменты» Тюменского индустриального университета.
Эксперимент проводился на специальном станочном оборудовании, которое оснащено разработанной установкой, позволяющей определять температуру (0°С) и составляющую силы резания (Р) в процессе обработки [22], [27]. Величину фаски износа (Из) по задней поверхности определяли с помощью комплекса оптических приборов, состоящих из лабораторного микроскопа МГ (1), оснащённого оптическим окуляром, (2) предметного столика (3) и ПК (4) (рис. 2).
Рис. 2. Лабораторный комплекс
Токарная обработка жаропрочного сплава ХН62МВТЮ-ВД производилась сборным резцом, оснащенным сменной режущей пластиной из инструментального твердого сплава (ВК8, у=10°, а=10°, ф=45°), при режимах резания постоянных (S=0,39 мм/об, t=1 мм) и различных скоростях резания.
Сплав ХН62МВТЮ-ВД получил широкое применение при капитальном ремонте двигателей для привода газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Поэтому при проведении исследований был выбран данный материал.
Результаты и их обсуждение. По результатам кратковременных испытаний нескольких стандартных твердосплавных пластин определяют значения ЭДС катушки автоколебательного контура при различных температурах 0 (°С). Для наглядности строят график зависимости значений ЭДС катушки автоколебательного контура от температуры по результатам кратковременных испытаний до 900°С (рис. 3 - 5). Причиной характера изменения зависимости ЭДС катушки от температуры является возбуждение вихревых токов в твердосплавной режущей пластине, что свидетельствует об изменении электромагнитных свойств инструментальных твердых сплавов в процессе нагрева.
е*102,В
Рис. 3. Зависимость изменения значений ЭДС катушки автоколебательного контура от температуры ВК10
Рис. 4. Зависимость изменения значений ЭДС катушки автоколебательного контура от температуры сплава ВК8
Рис. 5. Зависимость изменения значений ЭДС катушки автоколебательного контура от температуры сплава ВК6
Анализируя данные графика, определяют максимальное значение ЭДС катушки автоколебательного контура, а затем уменьшают на 5 %. Через полученное значение ЭДС проводят прямую параллельную оси абсцисс до пересечения с линиями графика. Координаты точек пересечения принимают за границы искомого интервала температур. В результате исследований было установлено ВК6 (540 ... 790°С), ВК8 (460 ... 730°С), ВК10 (440 ... 690°С). Из полученного интервала температур наибольшее значение принимается как температура максимальной работоспособности сменной твердосплавной пластины: для ВК6 - 790°С, ВК8 - 730°С, ВК10 - 690°С) [24]. По графическим зависимостям можно выделить явно выраженную тенденцию, с уменьшением содержания Со в сплавах группы ВК максимальные значения ЭДС автоколебательного контура смещаются в сторону увеличения температуры.
547
Работоспособность режущего инструмента - это такое его состояние, при котором он способен выполнять свои функции, имея износ рабочих поверхностей, меньше критериального [4].
Работоспособность сменных режущих пластин из твердых сплавов характеризуется сопротивлением разрушению, так как одним из количественных показателей работоспособности является относительный поверхностный износ по задней поверхности [25]. Основными количественными показателями для данного эксперимента были выбраны относительный поверхностный износ и путь резания [13], [26].
Замер фаски износа сменных режущих пластин из инструментального твердого сплава ВК8, после стойкостных испытаний, производилась на лабораторном микроскопе МГ, оснащённого оптическим окуляром, результаты расчета и микрофотографии представлены в порядке увеличения скорости резания на рис. 6.
N» п п Микрофотографии износа разрушения пластин 's -1 X« п.п. Микрофотографии износа разрушения пластин 5 |Н "1 St п п Микрофотографии износа разрушения пластин 1 js X« пл. Микрофотографии износа разрушения пластин "i А
1 Щ г Щ г ш * о Я 1 2 2 2 W О. О. 3 шяш 2 2 Я о о S. 4 2 2 К) ч О S —
при V- 6,7824 м мин при V" 13,5648 ммин при V ■ 18,526 м мин приV"26,7057 ммин
1
7
5 2 ^Я 2 Ша шш ■ о «О б ■н 2 2 <=>. О о* 2 2 из О о <Л S gTjB 1 о
при V - 39,721 м мин при V- 50,83974 м мин при V ■ 60.2SS м мин при V ■ 70,65 м мин
Рис. 6. Микрофотографии фаски износа сменной режущей пластины из твердого сплава ВК8 после обработки жаропрочной стали ХН62МВТЮ-ВД
при различных скоростях
Результаты исследований механики процесса резания и стойкостных испытаний были сведены в графические зависимости для наглядности и представлены на рис.7.
Результаты исследований показали, что при обработке жаропрочного сплава ХН62МВТЮ-ВД сборным токарным резцом, оснащенным сменной режущей пластиной из твердого сплава ВК8, относительный поверхностный износ Иопз (опр. по методике Макарова А.Д.), коэффициент усадки стружки и значения составляющей силы резания Pz (опр. по методике Силина С.С.) обеспечивает минимальные стабильные значения, а путь резания l максимальные значения при одинаковой температуре резания равной 730° С.
Таким образом, температура для сплава ВК8 равная 730° С, полученная при лабораторных исследованиях изменения электромагнитных свойств инструментальных твердых сплавов представленная на рис.4, соответствует температуре резания равной 730° С, при которой относительный поверхностный износ Иот, коэффициент усадки стружки и значения составляющей силы резания Pz обеспечивают минимальные стабильные значения, а путь резания l максимальные значения, представленные на рис.7, так как критерием работоспособности является максимальный путь резания l. Представленная авторская методика и полученные результаты по определению температуры максимальной работоспособности сменных режущих пластин по изменению электромагнитных свойств инструментальных твердых сплавов, являются достоверными, доказаны результатами исследований механики процесса резания и стойкостных испытаний и могут быть использованы для определения температуры и условий максимальной работоспособности инструментальных твердых сплавов при обработке резанием жаропрочных сплавов.
Рис. 7. Результаты исследований механики процесса резания и стойкостных испытаний при обработке жаропрочного сплава ХН62МВТЮ-ВД сборным резцом (ВК8, у=10°, а=10°, ф=45°) при постоянных режимах резания (S=0,39 мм/об, t=1 мм) и переменной скорости резания V
В заключении сформулированы выводы и результаты:
1. Проведены исследования изменения электромагнитных свойств инструментальных твердых сплавов группы ВК при нагреве во всем температурном диапазоне, характерном для процесса резания, что позволило выделить температурные интервалы максимальных значений электромагнитных свойств инструментальных твердых сплавов группы ВК.
2. Проведены экспериментальные исследования механики процесса резания и стойкостные испытания при точении сплава ХН62МВТЮ-ВД, применяемого для изготовления деталей газотурбинных двигателей сборными резцами, оснащенными сменными режущими пластинами из ВК8, которые показали, что относительный поверхностный износ Ьопз, коэффициент усадки стружки и значения составляющей силы резания Pz обеспечивают минимальные стабильные значения, а путь резания l максимальные значения при одинаковой температуре резания равной 730° С.
3. Установлена зависимость температуры максимальной работоспособности сборных резцов, оснащенных сменными режущими пластинами из инструментальных твердых сплавов, с изменением электромагнитных свойств инструментальных твердых сплавов группы ВК от температуры, при точении жаропрочного сплава, что доказывает достоверность разработанной авторской методики и возможность использования методики для определения температуры и условий максимальной работоспособности инструментальных твердых сплавов при обработке резанием жаропрочных сплавов.
Список литературы
1. Бобров В.Д. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975.
344 с.
2. Борискин О.И., Зябрев С.В., Хлудов С.Я. Исследование работоспособности режущих пластин с дискретным исполнением режущей кромки // Известия тульского государственного университета. Технические науки, 2010. Вып. 2. Ч. 1. С. 130-135.
549
3. Васин С. А., Верещака А.С., Кушнер B.C. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: учебник для технических вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. 448 с.
4. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. 336 с.
5. Киселев Е.С., Худобин Л.В., Веткасов Н.И. Ресурсосберегающие технологии изготовления ответственных деталей из труднообрабатываемых материалов // Вестник Рыбинской Государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева. 2017. № 2 (41). С. 199-205.
6. Схиртладзе А.Г., Гречишников В.А., Григорьев С.Н., Коротков И.А. Проектирование металлообрабатывающих инструментов: учеб. пособие / Электрон. дан. Санкт-Петербург: Лань, 2015. 256 с.
7. Зорев Н.Н., Фетисова З.М. Обработка резанием тугоплавких сплавов. М.: Машиностроение, 1966. 227 с.
8. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982. 320 с.
9. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1976. 278 с.
10. Петраков Ю.В., Драчёв О.И. Моделирование процессов резания: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 150400 - "Технологические машины и оборудование." Старый Оскол: ТНТ, 2011. 239 с.
11. Петрушин С.И., Даниленко Б. Д., Ретюнский О.Ю. Оптимизация свойств материала в композиционной режущей части лезвийных инструментов: Учебное пособие. Томск: ТПИ, 1999.
12. Полетика М.Ф., Козлов В.Н. Контактные нагрузки и температуры на изношенном инструменте // Прогрессивные технологические процессы в машиностроении: Сб. науч. трудов. Томск: ТПУ, 1997. С. 18-21.
13. Петухов Ю.Е., Колесов Н.В., Юрасов С.Ю. Задачи по формообразованию при обработке резанием // Вестник машиностроения, № 3, 2014 С. 65-71.
14. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. М.: Машиностроение, 1990. 288 с.
15. Розенберг А. М., Еремин А. Н. Элементы теории процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1956. 319 с.
16. Силин С.С. Метод подобия при резании металлов. М.: Машиностроение, 1979. 152 с.
17. Старков В.К. Физика и оптимизация резания материалов. М.: Машиностроение, 2009. 640 с.
18. Григорьев С.Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента: учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение, 2011. 368 с.
19. Zorev N.N., Uteshev M.H. Untersuchung der Kintakt-spannunger auf den Arbeits-flachen des Werkzeugs miteiner Schneidenabrundung // Berichte der Internationalen Forschungesgemein-schaft fur mechanische produktionstechniktionstechnik. Vol. 20-1 Schweiz, 1971. P. 31-32.
20. Табаков В.П., Худобин Л.В. Повышение работоспособности твердосплавного инструмента путем направленного выбора механических свойств слоев многослойного покрытия с учетом функциональных параметров процесса резания. // Упрочняющие технологии и покрытия, 2018. Т. 14. № 9 (165). С. 414-418.
21. Shalamov V.G. Savel'ev D.A., Smetanin S.D. Producing powder by rotary grinding. Allerton Press, Inc. (New York), 2013. Volume 33. Issue 3. P. 133-135.
22. Ямников А.С., Чуприков А.О., Харьков А.И. Определение составляющих силы резания при точении в зависимости от механических свойств обрабатываемого материала // Наукоемкие технологии в машиностроении, 2016. № 11 (65). С. 31-36.
23. Артамонов Е.В., Тверяков А.М., Штин А.С. Установка для диагностики температуры максимальной работоспособности сменных режущих пластин на основе изменения электромагнитных свойств твердых сплавов // Контроль и диагностика, 2018. №12. С. 54-57.
24. Артамонов Е.В., Тверяков А.М., Штин А.С. Определение температуры максимальной работоспособности на основе электромагнитных свойств твердосплавных режущих пластин // СТИН, 2018. №10. С. 19-22.
25. Артамонов Е.В. Прочность и работоспособность сменных твердосплавных пластин сборных режущих инструментов: монография. Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. 192 с.
26. Шаламов В.Г., Сметанин С.Д., Голосников А.И. Экспериментальное определение коэффициента усадки стружки при ротационном фрезеровании // Вестник ЮУрГУ. Машиностроение, 2014. Т. 14, № 3. С. 68-75.
27. Пат. №142320 Российская Федерация, МПК G01K7/00. Устройство для тарирования естественной термопары, измерения сил резания и температуры в процессе резания / Артамонов Е.В., Васильев Д.В.; заявитель и патентообладатель Тюменский государственный нефтегазовый университет (RU). №2013131205/28; Заявл. 08.07.2013; опубл. 27.06.2014. Бюл. №18.
Артамонов Евгений Владимирович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, artamonovev@,tyuiu.ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Васильев Дмитрий Вячеславович, канд. техн. наук. доцент, заведующий лабораторией, vasilevdv@tyuiu. ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Тверяков Андрей Михайлович, канд. техн. наук, доцент, tveryakov@mail.ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Штин Антон Сергеевич, аспирант, shtin_as@mail.ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет
INCREASING THE WORKING CAPACITY OF LATCH CUTTERS WITH REPLACEABLE CUTTING PLA TES FROM SOLID ALLOYS WHEN TREA TING DETAILS OF GAS TURBINE ENGINES FROMHEA T-RESISTANTMA TERIALS
E.V. Artamonov, D.V. Vasil'ev, A.M. Tveryakov, A.S. Shtin
The article presents a method for determining the temperature of the maximum performance of interchangeable cutting plates by changing the electromagnetic properties of instrumental hard alloys on temperature. Conducted research on the mechanics of the process of cutting difficult materials. It has been proved by the results of stochastic tests that the developed technique allows determining the conditions for maximum performance of turning cutters equipped with interchangeable cutting plates made of hard alloys when machining gas turbine engine parts from heat-resistant materials.
Key words: efficiency, interchangeable cutting inserts, hard alloys, carbide cutting inserts, maximum working temperature, heat-resistant materials.
Artamonov Yevgeniy Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, artamonovev@,tyuiu. ru, Russia, Tyumen, Industrial University of Tyumen,
Vasil'ev Dmitriy Vyacheslavovich, head of laboratory, vasilevdv@tyuiu. ru, Russia, Tyumen, Industrial University of Tyumen,
Tveryakov Andrey Mihajlovich, candidate of technical sciences, docent, tverya-kov@mail.ru, Russia, Tyumen, Industrial University of Tyumen,
Shtin Anton Sergeevich, postgraduate, shtin_as@mail.ru, Russia, Tyumen, Industrial University of Tyumen
УДК 621.9.02
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ КОМБИНИРОВАННОГО ИНСТРУМЕНТА «РАЗВЕРТКА-МЕТЧИК»
Н.Н. Бородкин, В.Ю.Тимохина
Выведены уравнения динамического состояния комбинированных инструментов типа развертка-метчик. Инструмент рассматривается как материальная точка с двумя степенями свободы, совершающая радиальные колебания в диаметральной плоскости. Уравнения учитывают силы сопротивления резания на всех этапах комбинированного инструмента, жесткость инструмента и демпфирующие характеристики колебательной системы, стимулируемой силами внутреннего и внешнего трения. Решение уравнения позволяет определить механическую траекторию движения инструмента и форму обрабатываемых отверстий в поперечном сечении.
Ключевые слова: комбинированный инструмент, математическая модель, обработка отверстий концевым инструментом, колебания концевого инструмента.
При обработке концевым многозубым инструментом наиболее характерным отклонением от формы является огранка отверстий. Огранка - отклонение, при котором поперечное сечение обработанного отверстия представляет собой многогранную фигуру с нечетным числом граней. Согласно [1, 2, 3] ее причиной являются поперечные колебания инструмента, которые вызываются внешними воздействиями, связанными с его вращением.
Для уменьшения огранки инструмент изготавливают с неравномерным угловым распределением зубьев. Определение оптимальных угловых шагов, например, для зубьев развертки, выполнено, исходя из математической модели кинематики колебательного движения инструмента [2]. В основу модели кинематики положена экспериментально установленная зависимость между числом зубьев развертки и количеством граней обработанного отверстия.
Для обработки отверстий сложной формы применяют комбинированный инструмент, например, метчик - развертка, сверло - зенкер и др. Комбинированный инструмент из-за высокой концентрации воздействий представляет собой многопараметрическую модель. При параллельной схеме резания он совершает более сложное (в сравнении с одномерным инструментом) движение, так как закон движения определяется силами сопротивления резанию, действующими одновременно на режущие кромки всех ступеней, причем характер сил на кромках разных ступеней может быть различным. Наличие устойчивой корреляционной зависимости между числом зубьев и формой обработанного отверстия для комбинированного инструмента как, например, для одномерной развертки, маловероятно.
В таких случаях установление всех эмпирико-статистических зависимостей весьма трудоемко и экономически неоправданно. Для оптимизации конструктивных параметров целесообразно использовать математические модели динамики, которые позволяют определить законы движения и траекторию инструмента.
552
