Научная статья на тему 'Повышение режущих свойств инструментов из быстрорежущих сталей электроакустическим методом легирования'

Повышение режущих свойств инструментов из быстрорежущих сталей электроакустическим методом легирования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
367
161
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МОДИФИЦИРОВАННЫЕ РАБОЧИЕ ПОВЕРХНОСТИ ИНСТРУМЕНТА / РЕЖУЩИЕ СВОЙСТВА ИНСТРУМЕНТА

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Кишуров Владимир Михайлович, Ипполитов Владимир Николаевич

Описан один из перспективных методов упрочнения режущего инструмента метод электроакустического нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности режущего инструмента, приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие обеспечение повышения режущих свойств инструментов при применении предложенной технологии

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Кишуров Владимир Михайлович, Ипполитов Владимир Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The increasing of cutting characteristics of instruments from quick-cutting steels by electric audibility method of alloying

One of the actual problems of usage of the cutting instrument is the increasing of their cutting properties. It is described as one of the perspective methods of strengthening of a cutting instrument, this is a method of electro-acoustic fixings with antiwar coating covering on worker of the surfaces of the cutting instrument, there are some results of the experimental studies, confirming the provision of increasing, cutting characteristics of instruments while using the described technologies

Текст научной работы на тему «Повышение режущих свойств инструментов из быстрорежущих сталей электроакустическим методом легирования»

МАШИНОСТРОЕНИЕ • ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХ. И ФИЗ.-ТЕХН. ОБРАБОТКИ

УДК 621.941.1

В.М.КИШУРОВ, В. Н. ИППОЛИТОВ

ПОВЫШЕНИЕ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ЛЕГИРОВАНИЯ

Описан один из перспективных методов упрочнения режущего инструмента — метод электроакустического нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности режущего инструмента, приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие обеспечение повышения режущих свойств инструментов при применении предложенной технологии. Модифицированные рабочие поверхности инструмента; режущие свойства инструмента

Научно-технический прогресс на машиностроительных предприятиях во многом связан с повышением режущих свойств инструментов и сроков их надежной эксплуатации.

Широкое применение в машиностроении металлорежущего оборудования с числовым программным управлением и автоматических линий, повышенные требования, предъявляемые к надежности технологического процесса механической обработки и точности, требуют значительного повышения размерной и технологической стойкости инструмента, его эксплуатационной надежности и долговечности.

Из всей широкой гаммы известных в настоящее время технологий упрочнения и нанесения износостойких покрытий на режущие инструменты, имеющих свои достоинства и недостатки, метод электроакустического напыления-легирования (ЭЛАН) характеризуется как наиболее простой, более экономичный и менее трудоемкий.

Метод электроакустического напыления-легирования основан на использовании плазменных импульсных искровых разрядов с малой длительностью существования (10-6 ^ 1И ^10-3 с) и прохождении мощных импульсных токов до 106 А/мм в воздушной среде при периодическом контактировании упрочняющего электрода с инструментом с амплитудой колебания равной ультразвуковой частоте 19 ... 22,5 кГц, вследствие чего осуществляется перенос и осаждение расходуемого материала электрода на поверхность инструмента. При этом температура плазмы в межэлектродном зазоре может достигать от 7000 до 11000оС. В результате теплового и га-

зодинамического воздействия искрового разряда происходит эрозия материала электрода и перенос продуктов эрозии в жидкой и паровой фазах на инструмент, в результате чего образуется износостойкое покрытие, в составе которого присутствует материал электрода и инструмента, продукты их взаимодействия друг с другом и элементами межэлектрод-ной среды (с диссоциированным атомарным кислородом и азотом воздуха). Немаловажным фактором формирования качественного покрытия является эффект катодной очистки, при котором обеспечивается разрушение и удаление поверхностных пленок с обрабатываемой поверхности изделия (катода) за счет высокой плотности выделяемой энергии в микрокатодных пятнах искрового разряда.

Кратковременный нагрев искровым разрядом с локальной температурой, превышающей температуру плавления материала изделия, аналогичен процессу наплавки, но при электроакустическом напылении-легировании за счет образования микрованны расплавленный металл охлаждается со сверхбыстрой скоростью порядка 104-105оС/с с передачей тепла основе упрочняемого инструмента.

Процесс электроакустического напыления-легирования, который начинается с приближения электрода к инструменту, возникновения искрового разряда на расстоянии между электродом и инструментом, равном пробивному, и завершается при отводе электрода от изделия на расстояние, при котором отсутствует искровой разряд (рис. 1) [1].

ограничению толщины нанесенного покрытия.

Кинематическая схема установки ЭЛАН-3, используемая для нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности инструмента, приведена на рис. 2.

Рис. 1. Последовательность этапов нанесения покрытия электроакустическим методом: а — направленное движение электрода к изделию и возникновение искрового разряда; б — образование эрозионных зон на электроде и изделии с участками плавления и испарения; в — осуществление физического контакта электрод-изделие с образованием микрованны; г — отвод электрода от изделия с продолжающимся воздействием тепловой мощности разряда; д — формирование на изделии покрытия, измененного по составу и структуре материала

После инициирования пробоя за счет накопления в конденсаторе энергии и ионизации межэлектродного промежутка формируется газовый разряд (рис. 1,а), который взаимодействует с локальными участками электрода и инструмента, вызывая их разрушение — электрическую эрозию. В результате этого явления материал электрода начинает плавиться, испаряться и выбрасывается в межэлектродный промежуток в паровой и ми-крокапельной фазах (рис. 1,б). Зона воздействия искрового разряда на инструменте подвергается катодной очистке, нагреву и плавлению. При контакте и соударении электрода с инструментом (рис. 1,в) происходит ударное воздействие (проковка) с ультразвуковой частотой механических колебаний электрода от 19 до 23 кГц, интенсивное перемешивание жидких фаз материалов — электрода и инструмента и образование физического контакта. При отводе электрода от изделия с продолжающимся воздействием разряда (рис. 1,г) нанесенное покрытие удерживается на поверхности инструмента за счет сил поверхностного натяжения. После прекращения действий ультразвукового ударного воздействия электрода на материал основы и искрового разряда (рис. 1,д) покрытие на изделии кристаллизуется с формированием поверхностного слоя с новыми физикохимическими свойствами. Многократное воздействие искровых разрядов и, соответственно, циклов «нагрев-охлаждение» приводит к

Рис. 2. Кинематическая схема установки электроакустического напыления-легирования ЭЛАН-3:

1 — бачок для охлаждения; 2 — ультразвуковой преобразователь; 3 — волновод с электродом;

4 — каретка вертикального перемещения головки;

5 — корпус ультразвуковой головки; 6 — кожух установки; 7 — колонка установки; 8 — реле давления охлаждающей жидкости; 9 — штатив с увеличительной линзой и светофильтром

Основным рабочим органом установки ЭЛАН-3 является ультразвуковая колебательная система 2, предназначенная для преобразования электрических колебаний в механические колебания равные ультразвуковой частоте. Посредством ультразвуковых колебаний в процессе электроакустического напыления-легирования реализуются две функции:

• формирование необходимого зазора между электродом и обрабатываемым инструментом для обеспечения импульсного электрического разряда за счет амплитуды ультразвуковых колебаний;

механическое воздействие на напыляемую поверхность инструмента комплексными продольно-крутильными колебаниями упрочняющего электрода.

Комплексные продольно-крутильные колебания, сообщаемые электроду, позволяют осуществить напыление-легирование любой точкой поверхности электрода.

Для осуществления процесса электроакустического напыления-легирования рабочих поверхностей режущих инструментов в качестве упрочняющих материалов электродов были использованы твердые сплавы ВК8, Т5К10 и вольфрам (W=98%).

Рекомендуемые графитовые и угольные электроды при электроискровом легировании режущих инструментов [2] в данном случае непригодны. Они разрушаются при включении установки в работу, так как данный метод основан на применении магнитострикцион-ного эффекта вибрации упрочняющего электрода с ультразвуковой частотой.

В качестве инструментального материала была взята быстрорежущая сталь Р6М5, широко применяемая при изготовлении режущего инструмента (резцы, сверла, фрезы, метчики и др.).

В качестве обрабатываемых материалов была взята группа конструкционных сталей в состоянии поставки, используемых при изготовлении осей, валов, штоков, зубчатых колес, роторов паровых турбин и многих других деталей.

На основании проведенных исследований адгезионного взаимодействия контактирующей пары инструмент-деталь (Р6М5-40Х и 40Х-Р6М5 модифицированных ВК8, Т5К10 и W) установлено, что при использовании W в качестве упрочняющего материала следует ожидать получение более износостойкого покрытия на рабочих поверхностях инструмента [3].

В качестве показателя износостойкости режущего инструмента был принят относительный поверхностный износ [4] и количество обработанных деталей до критерия затупления ( мм).

Ниже приведены результаты лабораторных и производственных испытаний инструментов из быстрорежущей стали с износостойкими покрытиями при различных видах обработки деталей из конструкционных сталей, а также определена область их рационального использования.

Характерная картина износа инструмента по задней поверхности при точении стали 40Х приведена на рис. 3.

На основании проведенных стойкостных испытаний получены зависимости = /{У);1 = /(У) и® = /(V), представлен-

ные на рис. 4 для инструментов с модифицированными рабочими поверхностями и стандартного инструмента.

Анализ полученных данных показал, что зависимости и но-

сят четко выраженный экстремальный характер с точкой перегиба в зоне оптимальных скоростей резания по интенсивности износа инструмента. При этом уровень оптимальных скоростей резания для инструментов с износостойкими покрытиями по сравнению со стандартным неупрочненным инструментом повышается до 1,3 раза. Интенсивность износа упрочненного инструмента снижается до 1,5 раз, длина пути резания увеличивается более чем в 1,7 раза.

б

Рис. 3. Характерная картина износа резца по задней поверхности: а — задняя поверхность резца Р6М5, модифицированная методом ЭЛАН Р6М5+покрытие ВК8; б — задняя поверхность немодифицированного резца Р6М5х30

Анализ результатов производственных испытаний износостойкости инструментов изготовленных по стандартной технологии — зуборезных резцов и осевого инструмента (сверл, метчиков и концевых фрез) и того же инструмента с модифицированными рабочими поверхностями показал увеличение износостойкости последних в: автоматных резцов — 1,7; зуборезных резцов — 1,9; метчиков — 2,7; сверл — 1,5 и концевых фрез — до 1,7 раза (рис. 5).

Количество обработанных деталей, шт. (1)3=0.5мм)

Рис. 4. Влияние скорости резания на интенсивность износа резцов Р6М5, длину пути резания и температуру с различными покрытиями при чистовом точении стали 40Х (£ = 0,25 мм, 5 = 0,125 мм/об): о — стандартный резец;

□ — напылен W; Д — напылен ВК8; 0 — напылен Т5К10

Рис. 5. Результаты стойкостных испытаний инструментов из Р6М5: а — автоматный резец Р6М5-40Х (V = 30 м/мин); б — сверло спиральное 014 Р6М5-40Х (V = 15 м/мин); в — метчик М16х2 Р6М5 - 08Х17Т (V = 6 м/мин); г — резцы зуборезные Р6М5-12ХН3А (V = = 35 м/мин); д — фреза концевая 050 Р6М5-45 ( м/мин)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тополянский, П. А. Опыт нанесения электроискровых покрытий на режущий инструмент и штамповую оснастку / П. А. Тополянский // Вестник Технология машиностроения. 2004. №6(24). С. 37-40.

2. Верхотуров, А. Д. Электродные материалы для электроискрового легирования / А. Д. Верхотуров, И. А. Подчерняева, Л. Ф. Прядко [и др.]. М.: Наука, 1988. 224 с.

3. Ипполитов, В. Н. Повышение режущих свойств инструментов из быстрорежущей стали на основе модификации их рабочих поверхностей методом электроакустического напыления-легирования : дис. ... канд. техн. наук / В. Н. Ипполитов. 2007. 146 с.

4. Макаров, А. Д. Износ и стойкость режущих инструментов / А. Д. Макаров. М. : Машиностроение, 1966. 264 с.

ОБ АВТОРАХ

Кишуров Владимир Михайлович, зав. каф. теор. и технол. механообработки филиала УГАТУ в Ишимбае. Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1966). Канд. техн. наук по технол. двиг. ЛА (МАИ, 1973). Иссл. в обл. обрабатываемости материалов лезвийным инструментом.

Ипполитов Владимир Николаевич, нач. инстр. пр-ва ОАО мК «Витязь». Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1987). Канд. техн. наук по технол. и оборуд. мех. и физ.-техн. обработки (УГАТУ, 2007). Иссл. в обл. износостойкости реж. инструмента.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.