CC BY
22
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ ООЬЛЧ^.-/
УДК 621.7
Повышение стойкости инструмента при колесотокарной обработке
М. Ю. Куликов, А. Ю. Попов, А. В. Флоров, Маунг Сан
Рассмотрено тепловое состояние режущего инструмента в процессе колесотокарной обработки, которое определяет его работоспособность. Предложены способы улучшения теплоотвода от режущей пластины в процессе обработки. Их применение позволяет снизить теплонапряженность режущего клина и соответственно увеличить стойкость инструмента при колесотокарной обработке.
Ключевые слова: колесотокарная обработка, разрушение режущего инструмента, теплоотвод, износостойкие покрытия.
Введение
Качество и долговечность железнодорожных колесных пар, используемых в подвижном составе, во многом определяются условиями проведения их механической обработки [1, 2]. Большое влияние на качество поверхности рабочего профиля оказывают состояние и износостойкость режущего инструмента, так как обработка сопровождается его интенсивным изнашиванием и соответствующим снижением качества формируемых катальных поверхностей колесных пар [1, 2]. Повышение износостойкости и качества режущего инструмента улучшает не только качественные характеристики обработанных поверхностей колесных пар, но и стабильность обработки по всему рабочему контуру колес, что, в свою очередь, увеличивает долговечность и надежность колесных пар при эксплуатации. Кроме того, повышение работоспособности инструмента для обработки колесных пар может служить хорошим резервом экономии дорогостоящего твердого сплава, что гарантирует значительный экономический эффект.
Основная часть
Ряд проведенных исследований показал [1, 2], что при резании в нестационарных
условиях с переменными режимами резания невозможно прогнозировать стойкость инструмента, так как в предшествующих условиях работы инструмент приобретал эксплуатационную наследственность и топографию износа, неблагоприятно сказывающиеся на стойкости инструмента в последующих условиях эксплуатации [1]. Данное положение делает невозможным применение при обточке колесных пар широко известного метода, основанного на замене режущего инструмента по истечении расчетного (определенного ранее вероятностными методами) ресурса работоспособности.
Отсутствие достоверных данных о надежности режущего инструмента при механической обработке колесных пар требует постоянного контроля за его состоянием со стороны рабочего-станочника. При таком подходе к оценке состояния инструмента решение о его замене носит субъективный характер и определяется в основном квалификацией и опытом рабочего-станочника [1].
Таким образом, целью настоящей работы является повышение износостойкости режущего инструмента для обработки колесных железнодорожных пар.
Исследования проводили при обработке катальной части колесных пар на токарных
МЕТ АЛЛ 00 БРАУТКА
станках типа Rafamet модели UDA-112 с v = = 40 ^ 80 м/мин; f = 1,1 ^ 1,3 мм/об; ap = 6 ^ 8 мм. Объектом исследования были токарные резцы, оснащаемые СМП формы LNMX 301 940 и BNMX (ISO 513), часть из которых составила контрольную группу (СМП без покрытия), на другие наносили специально разработанные для этих целей нанодисперсные, многослойно-композиционные покрытия (NMCC). Использовали режущие пластины, которые крепили в державки, при этом между опорной и режущей пластинками формировали специальный интерфейс, улучшающий те-плоотвод в режущий инструмент. При проведении стойкостных испытаний критерием отказа инструмента служил предельный износ задней поверхности режущей пластины Нз = 0,6 ^ 0,8 мм. Фаску износа задней поверхности измеряли на инструментальном микроскопе БМИ-1Ц. Шероховатость обработанной поверхности определяли профилографом-профилометром Hand-held Roughness Tester TR 200 (Япония).
Исследование механизма изнашивания режущего инструмента, оснащенного пластинами из твердого сплава, при обработке контура колесных пар показало, что изнашивание сопровождается пластическим деформированием режущего клина твердосплавного инструмента с последующим разрушением (рис. 1). В работе [2] также установлено, что одним из превалирующих видов отказа инструмента при колесотокарной обработке является его пластическое разрушение. При этом пластическая деформация сопровождается просадкой режущей кромки или выдавливанием главной задней поверхности [2].
Впервые механизм пластического разрушения твердосплавного инструмента для тяжело нагруженных операций резания (резание труднообрабатываемых сплавов на никелевой основе) был рассмотрен Н. В. Талантовым [4],
Рис. 1. Кинетика развития очагов изнашивания контактных площадок режущей пластины из твердого сплава АТ158 Т1-ТШ при обработке катальной поверхности колесной пары с ар = 6,0 мм; f = 1,2 мм; V = 70 м/мин
который показал, что изнашивание твердосплавного инструмента сопровождается пластическими деформациями режущего клина инструмента, обусловленными ползучестью. Полный отказ инструмента происходит в результате пластического разрушения режущего клина инструмента.
Известно [8], что ползучесть является термоактивированным процессом и определяется тепловыми полями, образующимися в режущем клине в ходе резания. Уровень теплового воздействия на режущий клин инструмента определяет начало механизма высокотемпературной ползучести инструментального материала, что в результате приводит к полному отказу инструмента из-за пластического разрушения режущего клина инструмента. Интенсификацию тепловых потоков, отводящих теплоту из зоны обработки, обычно осуществляют применением смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). Однако по техническим требованиям использовать СОЖ при обработке колесных пар не допускается [1]. Теплопроводность двух- трехкарбидных твердых славов ^С-ТЮ-Со, ^^-ТЮ-ТаС-Со) чрезвычайно низка, что предопределяет сильное снижение интенсивности теплоотвода в инструмент и концентрацию тепловых напряжений непосредственно в контактных областях твердого сплава.
В работе предлагается комбинированный подход к проблеме повышения работоспособности твердосплавного инструмента для обработки колесных пар. Такой подход предусматривает введение в конструкцию инструмента элемента, интенсифицирующего теплоотвод из зоны обработки, и нанесение многослойно-композиционных покрытий с нанодисперс-ной архитектурой на режущий инструмент. Комбинированное улучшение свойств твердосплавного инструмента одновременно снижает напряжения, действующие на контактных площадках инструмента, и уровень теплоты от фрикционных источников на передней и задней поверхностях инструмента, а также заметно интенсифицирует тепловые потоки от рабочих слоев режущего инструмента.
В работе [7] показано, что применение многослойно-композиционных покрытий снижает термомеханические нагрузки на режущий клин инструмента и значительно повышает
его работоспособность, однако сам механизм изнашивания также сопровождается пластическими деформациями. Кроме того, нанесение покрытий снижает уровень напряжений, действующих на контактные площадки инструмента, но уровень теплового нагружения остается высоким.
Тепловое состояние режущего инструмента при нанесении покрытия улучшается, однако покрытие не предотвращает нагрева локальных объемов режущего инструмента, примыкающего к контактным площадкам, а только замедляет распространение теплоты в режущий клин.
В работе рассматриваются условия тепло-отвода от границы между опорными поверхностями режущей пластины и державки инструмента. Как известно, площадь контактирования в любых парах трения определяется не номинальной, а фактической площадью контакта, т. е. суммарной площадью контактирующих вершин микронеровностей пары трения, составляющей несколько процентов от площади номинального контакта. В местах, где контакт отсутствует, образуются воздушные области (карманы). Теплопроводность воздуха в 3500 раз ниже, чем у металлов, используемых в сборных резцах. Поэтому граница между опорными поверхностями режущей пластины и инструментальной державки имеет высокое термическое сопротивление, что резко ухудшает условия теплоотвода из инструмента.
Уменьшить термическое сопротивление в узкой области контакта опорных поверхностей предлагается путем применения теплопроводного интерфейса, который формируется специальной теплопроводной пастой (рис. 2), тонким слоем наносимой на опорные поверхности резцедержателя и твердосплавной режущей пластины.
Для нормального отвода теплоты весь воздух из зазоров должен быть вытеснен специальным теплопроводящим эластичным составом, имеющим гораздо более высокую теплопроводность. Однако тепловые свойства самых лучших теплопроводных паст ниже, чем у металлов, поэтому качество сопрягаемых поверхностей и толщина слоя теплопроводной пасты имеют определяющее значение.
Толщина пасты в месте контакта не должна превышать шероховатость на сопрягаемых
Воздушный зазор
Основание Теплопроводная
режущей пластины паста
Основание резцедержавки
Рис. 2. Опорные поверхности режущей пластины и инструментальной державки
элементах. Пасту наносят равномерным слоем на обезжиренную поверхность, размазывая ее для гарантированного заполнения всех неровностей поверхности.
Главными преимуществами показанного способа снижения тепловой напряженности в зоне резания путем отвода теплоты от режущей пластины в резцедержатель являются низкая себестоимость и отсутствие необходимости применять сложную оснастку. В процессе работы инструмента теплопроводный интерфейс не требует частой замены, так как достаточно сформировать его на весь срок службы режущей пластины, а замену производить только при демонтаже и смене изношенной режущей пластины. Перед формированием нового слоя теплопроводного интерфейса старую пасту удаляют моющим средством, а поверхности обезжиривают и сушат. Указанное свидетельствует о большой технологичности теплопроводной пасты в производственных условиях.
Исследования показали, что использование теплопроводной пасты в сборном резце значительно улучшает теплоотвод из зоны резания и уменьшает теплонапряженность режущего клина инструмента. Благодаря этому увеличивается работоспособность режущего инструмента при колесотокарной обработке.
Другим способом интенсификации отвода теплоты от режущего клина является замена пасты теплопроводными эластичными прокладками. На переднюю поверхность режущей пластины наклеивают теплопроводящие эластичные прокладки из листового армированного материала (например, из материала НОМАКОН КПТД-2), по форме и толщине соответствующие размерам стружколомающих канавок. Прокладки из керамико-полимерного теплопроводящего материала обладают боль-
МЕТАЛЛ00 БРАБОТКА
шими эластичностью (не менее 50 %) и теплопроводностью [0,8 ^ 1,4 Вт/(м • К)], обеспечивают эффективную теплопередачу по всей опорной поверхности, ликвидируя при этом воздушные зазоры (см. рис. 2). Благодаря армированию стекловолокном материал выдерживает сжатие до 40 МПа, что гарантирует надежное закрепление режущей пластины. При индексации режущей пластины, когда опорная поверхность пластины превращается в переднюю поверхность, части прокладки, находящиеся в контактной зоне, легко удаляются сходящей стружкой.
Результаты исследований, проведенных при обточке поверхности катания колесной пары (V = = 50 м/мин; 5 = 1,2 мм/об; t = 6,0 мм), представлены на рис. 3. Работоспособность режущих пластин оценивали по коэффициенту стойкости относительно исходных пластин из АТ15Б без покрытия, стойкость которых принята за единицу при испытаниях с указанными режимами обработки при предельном износе по задней поверхности кз = 0,7 мм. Свойства пластин с сформированным интерфейсом, улучшающим теплопроводность твердого сплава, сравнивали со свойствами твердосплавных пластин лучших мировых производителей со стандартными покрытиями.
Выводы
Анализ результатов исследований, представленных на рис. 3, позволяет отметить следующее. Установлена высокая эффективность твердосплавных режущих пластин формы ЬЫМХ 301 940 из твердого сплава АТ15Б с теплопроводным интерфейсом и разработанными НМСС на основе трехслойной системы Т1-Т1Ы-(Т1, А1) N по сравнению со стандартными аналогами при тяжелой восстановительной обточке катальной поверхности колесных пар. В частности, отмечено не только увеличение среднего значения стойкости (88,1 мин) и коэффициента стойкости Кст (103,12), но и снижение коэффициента вариации стойкости (и = 3,25), а значит, существенное повышение работоспособности и надежности инструмента, оснащенного тангенциальными пластинами LNMX 301 940 из сплава АТ15Б с повышенной теплопроводностью твердого сплава
120 ^^
| 100 ^ [ I
! диЦ И' ^ ■ щ Щ Щ щ
12" Щ Щщщ щ щ
0
1 2 3 4 5 6
Рис. 3. Результаты сравнительных стойкостных испытаний твердосплавных пластин тангенциальной формы LNMX 301 940 при черновой обточке профиля поверхности катания колесных пар моторвагонного подвижного состава с новыми бандажами (V = 50 м/мин; в = 1,2 мм/об; t = 6,0 мм):
1 — пластины без поверхностного износостойкого покрытия (средняя стойкость 3,25 х 8 колес на режущую кромку); 2 — пластины с термоинтерфейсом (3,900 х 8); 3 — пластины с покрытием ТШ (РУБ) (6,875 х 8); 4 — пластины с покрытием ТШ (РУБ) + термоинтерфейс (8,112 х 8); 5 — пластины с покрытием TiN (10,312 х 8); 6 — пластины с покрытием ТШ + термоинтерфейс (12,89 х 8)
и покрытия на основе системы Т1-Т1^Т1АШ, разработанными для обточки поверхности катания колесных пар.
Литература
1. Богданов А. Ф., Чурсин В. Г. Эксплуатация и ремонт колесных пар вагонов. М.: Транспорт, 1985. 270 с.
2. Попов А. Ю. Оптимизация элементов технологической системы при восстановлении профиля поверхности катания колесных пар подвижного состава: дис. ... канд. техн. наук. М., 1998, 309 с.
3. Куликов М. Ю., Флоров А. В., Сан Маунг. Разработка математической модели тепловых полей и тепловых деформаций в материале при резании // Изв. Кабард.-балкар. гос. ун-та. 2012. Т. II, № 4. С. 40-43.
4. Талантов Н. В. Физические основы резки и износа инструмента. Волгоград: ВТУ, 1994. С. 3-37.
5. Евсеев Д. Г., Верещака А. С. Особенности применения наноструктурированной карбидом вставки с износостойким покрытием для обработки железнодорожных компонентов // Материалы науч.-практ. конф. «Безопасность движения поездов». 2007. Ч. 2, кн. 2. С. 25-28.
6. Верещака А. С., Кушнер В. С. Резание материалов: учеб. М.: Высш. шк., 2009. 535 с.
7. Верещака А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. С. 336.
8. Лоладзе Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инстумента. М.: Машиностроение, 1982. 320 с.
