CC BY
108
УДК 621.735.32
Технологии машиностроения
ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ Х12М
А.Д. Хван, Д.В. Хван, А.Н. Осинцев
Представлены опытные данные, подтверждающие высокую эффективность технологии ПТМО применительно к инструментам из стали Х12М
Ключевые слова: стойкость, относительная деформация, инструментальная сталь
Повышение конкурентоспособности -важнейшая задача машиностроения, которая во многом зависит от технологических и эксплуатационных характеристик режущих и мерительных инструментов. В связи с этим возникает необходимость разработки
инновационных технологий, обеспечивающих высокую стойкость указанных изделий.
С точки зрения экономики машиностроения инструментальное производство является объектом первостепенной важности. Издержки предприятий на инструмент составляют значительную долю (до 10 %) себестоимости изделия. Поэтому проблема повышения стойкости инструментов является всегда актуальной для промышленности.
В машиностроении широко используются различные технологии повышения стойкости инструментальных сталей, требующие постоянного развития и совершенствования.
В настоящее время в промышленности придается большое значение инновационным технологиям повышения стойкости инструментов. В связи с этим следует указать на работы [1 - 5], посвященные повышению стойкости
инструментальных сталей 9ХС, ХВГ, Р6М5 за счет пластической деформации осадки при реализации технологии предварительной термомеханической обработки (ПТМО).
В настоящей работе с целью разработки эффективной технологии ПТМО применительно к инструментам в форме кольца (плашки, резьбонакатные ролики, дорны и др.) представляются результаты исследований
низколегированной инструментальной стали Х12М, из которой нередко изготавливаются указанные инструменты.
Химический состав этой стали представлен в табл. 1.
Таблица 1
Углерод С, % Марганец Mn, % Кремний Sn, % Хром Cr, %
1,2 - 1,45 0,8 - 1,1 0,15 - 0,35 11,0 - 12,5
Для проведения исследований были предварительно изготовлены из прутка цилиндрические образцы размером 020X 30мм, в количестве 30 шт., и осажены на гидропрессе ГМС-250 до различных степеней относительной деформации е = 0,1 ;0,2;0,3 ;0,4;0,5;0,6.
Указанную деформацию определяли по формуле
e =
Ho - H
(1)
0
где Н0, Н - соответственно исходная и текущая высота образца.
Для данной стали испытанием на сжатие цилиндрических образцов размером 020 х 30 мм построена с целью оценки ее механических характеристик кривая течения в координатах
Хван Александр Дмитриевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(473)252-74-80
Хван Дмитрий Владимирович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473)252-74-80
Осинцев Александр Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473)252-74-80, e-mail: tpm@vorstu.ru
интенсивность напряжений (а,) - интенсивность деформаций (в,), определяемых по формулам
o
(2)
Е Н
Здесь Р - сила сжатия; Е = Е0 /(і - є) - текущая площадь поперечного сечения, где Е) - исходная площадь поперечного сечения. На рис. 1
представлена кривая течения.
а.МПа
1600
1400
1200
1000
800
600
400
--'■І'' о
У7 // // /
// / / / /
і I і
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Рис. 1. Кривая течения стали Х12М
Здесь сплошной линией показана опытная кривая течения, а штриховой - аппроксимация А. Надаи
^ = АеП, (3)
где А, п - характеристики материала,
определяемые статистической обработкой опытных данных (А = 1810МПа , п = 0,35МПа).
Технологическая схема ПТМО для исследуемой стали представлена на рис.2.
Рис. 2. Существующая технологическая схема ПТМО
Здесь температуры закалки (поз. 3) и отпуска
(поз. 4) составили соответственно 1333 - 1353 0 К
(охлаждение на воздухе) и 423 - 4430 К
(охлаждение с печью). Твердость стали после окончательной термообработки составила 62 - 64
ед. по Роквеллу.
й-й
Рис. 3. Чертёж резцовых головок для испытаний на износостойкость
Для выполнения стойкостных испытаний из пластически деформированных образцов после рекристаллизационного отжига были изготовлены резцовые головки согласно представленному на рис.3 чертежу.
На рис. 4 представлена фотография державки с резцовой головкой для закрепления ее на токарном станке.
Рис. 4. Державка с резцовой головкой для токарного станка
Изготовленный инструмент проходил окончательную термическую обработку в соответствии с вышеуказанной технологической схемой, после чего выполнялись технологические операции шлифования и затачивания согласно рекомендациям [6].
Геометрические параметры режущей части исследуемого инструмента назначались в зависимости от физико-механических
характеристик обрабатываемого материала.
Стойкостные испытания изготовленного режущего инструмента проводили обработкой конструкционной стали 45 (ГОСТ 1050-60). При этом для выполнения экспериментов использовали сталь одной плавки. Химсостав этой стали в % по ГОСТ 1050-60 приведен в табл. 2.
Таблица 2
С Бі Мп Б Р Сг № Си
0.42 - 0.50 0.17 - 0.37 0.50 - 0.80 0.04 0.04 0.02 0.02 0.02
За критерий износа была принята величина площадки ^3 = 0,4 мм, образующейся на главной задней поверхности инструмента в процессе резания.
В качестве критерия оценки стойкости рассматривается коэффициент относительной стойкости, определяемый по соотношению
Кт = Т, (4)
0
где т0 - стойкость инструмента, изготовленного без пластической деформации, т.е. по традиционной технологии; т - стойкость инструмента, изготовленного по предлагаемой технологии ПТМО.
Режимы резания при обточке на токарном станке SV-18-RA приняты следующими: скорость резания: V = 12м/мин; глубина резания t = 1мм;
подача на один оборот шпинделя So = 0,1мм/об; без применения охлаждающей жидкости.
На рис. 5 представлен график изменения
коэффициента Кт в зависимости от относительной деформации е. Здесь точки - опытные значения коэффициента Кт , сплошная линия -аппроксимация экспериментальной зависимости Кт = I (е) полиномом 4й степени
Кт = 65,91е4 -106,82е3 + 55,60е2 - 9,70е +1,00 (5)
Рис. 6. Структурная исходная полосчатость' X 100
Рис. 5. График изменения коэффициента Кт
Из рисунка следует, что до некоторого
критического значения екр = 0,1 [7] происходит
уменьшение стойкости стали, и минимальное значение коэффициента стойкости при этом составляет Кт » 0,6. Данное обстоятельство
^тт
объясняется тем, что при деформациях е < екр
происходит интенсивное увеличение размера зерна в структуре исследуемой стали, приводящее к уменьшению её стойкости. При деформациях
е > екр размер зерна начинает уменьшаться, и в
связи с этим стойкость стали монотонно
увеличивается. Максимальное увеличение
стойкости стали обработанной по новой технологии ПТМО при еопт = 0,5 составляет 1,7 раза
относительно стойкости стали, обработанной без пластической деформации.
Полученные результаты металлографических исследований показали, что балл карбидной неоднородности (БКН) у стали Х12М снизился с 9 единиц (в состоянии поставки) до 2 - 3 единиц после реализации новой технологии ПТМО. В связи с этим увеличение стойкости стали с ростом относительной деформации можно также объяснить снижением БКН, что вполне соответствует основным законам механики разрушения.
На рис. 6, 7 представлены фотографии
распределения карбидов в стали Х12М соответственно в состоянии поставки и после деформации (е = 0,4).
Рис. 7. Карбидная неоднородность деформированной структуры; х500
Были выполнены производственные испытания резьбонакатных роликов из стали Х12М для нарезания метрической резьбы М12 на ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество» (ВАСО). Схема указанной технологии представлена на рис. 8. Отличается она от
традиционной включением в нее дополнительной операции пластической осадки предварительно изготовленной мехобработкой на заготовительной стадии заготовки кольцевой формы с установленными на основе пластической несжимаемости материала размерами (рис. 9). Здесь в скобках даны размеры, получающиеся после осадки с учетом припуска на мехобработку для формообразования резьбонакатного ролика в соответствии с его чертежом.
Рис. 8. Схема технологического процесса изготовления резьбонакатного ролика в условиях ПТМО
4—1
82(41)
Рис. 9. Эскиз заготовки кольцевой формы для пластической осадки
Стойкость указанных роликов увеличилась в 1,6 раза по сравнению с базовым вариантом. Для иллюстрации на рис. 10 показана фотография
указанных выше роликов.
Рис. 10. Фотография резьбонакатных роликов
Таким образом, представленные результаты исследований по влиянию пластических деформаций в условиях ПТМО свидетельствуют об эффективности предложенной нами инновационной технологии повышения стойкости инструментов из стали Х12М и в связи с этим можно рекомендовать её для внедрения в инструментальное производство в различных отраслях промышленности.
ВЫВОДЫ
2. Стойкость резьбонакатных роликов из стали Х12М повысилась в 1,6 раза по сравнению с базовым вариантом.
Литература
1. Хван А. Д., Хван Д.В., Попов А.В., Токарев А.В. Влияние механотермической обработки на снижение балла карбидной неоднородности /А.Д. Хван, Д.В. Хван, А.В. Попов, А.В. Токарев // Кузнечно-штамповочное производство. - 2008. - №8. - С. 29-30.
2. Токарев А.В. Влияние пластического кручения заготовок на стойкость инструментов / А.В. Токарев. Техника машиностроения. 2003. №6. С. 56-57.
3. Патент ЯИ №2252269, С1 МПК с21 Б 7/00, 9/22, 8/00 от 08.01.2004. Способ улучшения свойств инструментальной стали / Токарев А.В., Хван Д.В. и др. // Бюл. №14 от 20.05.2005г.
4. Хван Д.В. Карбидная неоднородность как один из основных факторов, определяющих износостойкость инструментов / Д.В. Хван, А.В. Токарев, А. А. Воропаев // Аэродинамика механика и аэрокосмические технологии: труды первой Всероссийской электронной науч.-техн. конф. Воронеж, 2001. С. 121-123.
5. Токарев А.В. Влияние холодной пластической осадки с кручением на структурное состояние инструментальной стали / А.В. Токарев, А. А. Воропаев // Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий: материалы междунар. конф. и Российской науч. школы. Москва, Воронеж, Сочи, 2002. С. 43-46.
6. Общемашиностроительные нормативы режимов резания для технического нормирования работ на металлорежущих станках. Ч.1. Машиностроение . №1. 1967.
7. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Машиностроение,1978г.-568с.
1. Разработан способ повышения стойкости инструментов кольцевой формы из низколегированных инструментальных сталей на основе технологии ПТМО.
Воронежский государственный технический университет
INCREASE OF FIRMNESS OF TOOL STEEL Х12М Rhvan A. D, Khvan D. V, Osintsev A. N.
The skilled data confirming high efficiency of PTMO technology with reference to tools from X12M steel are presented Key words: firmness, relative deformation, tool steel
