CC BY
3
Повышение точности металлообработки деталей нефтегазового машиностроения за счет выбора рационального износостойкого
покрытия режущего инструмента
Ю.А. Темпелъ, О.А. Темпелъ, Д.А. Сартакова Тюменский индустриальный университет, Тюмень
Аннотация: Отрасль нефтегазового машиностроения претерпевает изменения, которые связанны с внедрением инновационных технологий, методов и средств для улучшения производственных процессов и систем. Все изменения позволяют достичь повышения среднего ресурса, долговечности и прибыли предприятия в целом. Обработка деталей нефтегазового комплекса и сокращение всех видов износа режущей части инструмента в настоящее время остается самой актуальной темой. На непрерывную работу режущего инструмента оказывают влияние множество факторов. Зависимость между скоростью резания и стойкостью позволяют выбирать оптимальную скорость. В работе определены основные направления исследования по выбору износостойких покрытий для резцов для повышения точности металлообработки. Исследования проводились с применением современных компьютерных программ, что позволило сделать определенные выводы, вывести зависимости и определить круг задач для дальнейшего исследования. Применение основных результатов позволит повысить эффективность обработки и качество поверхностей деталей нефтегазового сектора.
Ключевые слова: стойкость, режим резания, резец, оптимизация, эксперимент, методика, точность, обработка, покрытия, деформация.
Процесс токарной обработки является достаточно сложным, а повышенные температуры в зоне резания и некорректность выбора режимов приводят к резкому изнашиванию инструмента. Появление наклепа при обработке мягких и вязких материалов приводит к сколу режущей кромки при незначительном повышении нагрузки [1]. Применение износостойких покрытий режущей части является современным решением для повышения периода стойкости резца или стабильной его работы в заданный промежуток
Износостойкое покрытие должно способствовать уменьшению контактных нагрузок, благоприятному перераспределению тепловых потоков и повышению сопротивляемости материала к микро- и макро-разрушению [2,3]. В своем развитии покрытия прошли этапы от простых однокомпонентных покрытий до многослойных покрытий, авторы работы [4]
времени.
делают вывод о целесообразном применении именно многослойных покрытий. Так как размерный износ режущего инструмента при этом меньше, что повышает точность обработки [5,6].
Тема является достаточно актуальной, но не до конца раскрытой, хотя большинство работ авторов направлены на повышение ресурса, долговечности, сокращение всех видов отказов и оптимизацию режимов резания при обработке деталей нефтегазового сектора.
Для достижения корректных результатов при проведении компьютерных исследованиях в работе был определен план эксперимента.
Исследования проводились с применением программы ANSYS, MS Excel, методов систематизации и обобщения. А также модели механики разрушения и прочности СМП и алгоритма расчета конструктивных параметров сменных режущих пластин, представленных в работах авторов [7,8].
Обработка резанием различных видов материалов и конструктивных особенностей деталей нефтегазового комплекса осуществляется с большими трудностями. Высокая температура, образуемая в зоне контакта с обрабатываемым материалом, вызывает разупрочнение стандартных твердых сплавов и, как следствие, снижение стойкости инструмента и скорости резания [9-11].
В связи с выше сказанным, целью работы является проведение исследований по выбору рационального износостойкого покрытия для определения оптимальных режимов и повышения ресурса пластины.
В качестве объекта исследования была взята деталь типа «корпус муфты». В результате теоретического обзора было выделено три износостойких покрытия для проведения эксперимента.
Условия проведения эксперимента в компьютерной среде представлены в таблице 1.
Таблица №1
Условия проведения эксперимента в компьютерной среде
Характеристика Описание
Программа ANSYS
Входные параметры (факторы) Подача, скорость резания, число оборотов шпинделя, глубина резания.
Выходные параметры (отклик) Максимальные и минимальные напряжения, деформация пластины.
Покрытия Ионно-плазменное покрытие на основе нитрида титана (вакуумное напыление - PVD); алмазоподобное покрытие DLCPateks (a-C:H/a-SiOCN; алмазоподобное покрытие DLC(ta-C).
Дополнительная информация Обрабатываемый материал выбран - Сталь 40Х. Произведен расчет режимов и сил резания по имеющимся формулам и зависимостям.
Был определен план эксперимента, который включает в себя три
эксперимента с каждым из представленных покрытий по шестнадцать опытов с изменением варьируемых параметров, представлены в таблице 2.
Была построена матрица полного факторного эксперимента 24 и определены его характеристики. Выходными параметрами в процессе исследования являются напряжения и деформации.
При проведении эксперимента 24 математическая модель имеет вид: У=Ь0+ЬА+ b2X2 +bзXз +b4X4.
Таблица №2
Условия варьируемых параметров
Параметр Подача Скорость Число оборотов шпинделя Глубина резания
Основной уровень 0,2 80 400 0,5
Интервал варьирования 0,01 5 10 0,01
Верхний уровень (+1) 0,21 85 410 0,51
Нижний уровень (-1) 0,19 75 390 0,49
Полученные напряжения и деформации при первом, втором и третьем
эксперименте с нагружением режущей пластины с износостойким покрытием, представлены на рисунках 1 -3.
и
Рис. 1. - Результаты прочностного статического анализа в Ansys режущей пластины с ионно-плазменным покрытием на основе нитрида титана TiN
Рис. 2. - Результаты прочностного статического анализа в Ansys режущей пластины с алмазоподобным покрытием DLCPateks
Рис. 3. - Результаты прочностного статического анализа в Ansys режущей пластины с алмазоподобным покрытием DLC(ta-C)
В результате компьютерного эксперимента с применением виртуальной среды обработки с покрытием на основе нитрида титана было определено, что максимальное напряжение составило 1345 Мпа, минимальное 0,0005 Мпа, максимальная и минимальная деформации пластины, соответственно 2 и 1,74 мкм.
По результатам с алмазоподобным покрытием DLCPateks было определено, что максимальное напряжение составило 1333 Мпа, минимальное 0,0007 Мпа, максимальная и минимальная деформации пластины, соответственно 9,3 и 8,12 мкм.
По результатам с алмазоподобным покрытием DLC ^-С) было определено, что максимальное напряжение составило 1401 Мпа, минимальное 0,0003 Мпа, максимальная и минимальная деформации пластины, соответственно 1,04 и 0,0003 мкм.
Таким образом, наиболее целесообразно применение покрытия DLC ^а-С) поскольку выявлены незначительные деформации в результате компьютерного исследования.
Получено оптимальное сочетание режимов резания при обработке детали из стали 40Х резцом с износостойким покрытием - алмазоподобное покрытие DLC(ta-C): S=0,19 мм/об, У=85 м/мин, п=410 об/мин, при составляющей силе резания Pz=212,69 Н.
Проведение прочностных статических и динамических анализов позволило определить наиболее оптимальное сочетание режимов резания при обработке детали нефтегазового сектора с износостойким покрытием и сделать обоснованный выбор покрытия и метода его нанесения, основанные на модельном эксперименте.
Установлено, что определение рационального износостойкого покрытия:
1) позволит сохранить ресурс и надежность режущей пластины инструмента;
2) обеспечит сокращение вспомогательного времени на смену пластин;
3) способствует выбору оптимальных режимов резания.
Предлагаемая методика выбора износостойких покрытий позволит
сократить все виды затрат при токарной обработке деталей и может быть применена на предприятиях нефтегазового машиностроения. Статья подготовлена при финансовой поддержке Некоммерческой организации «Благотворительный фонд «ЛУКОЙЛ».
Литература
1. Дрималовский Е. И., Памфилов Е. А. Особенности нанесения твердых покрытий на режущий инструмент // Новые материалы и технологии в машиностроении. 2019. №29. С. 33-36.
2. Верещака А. С. Обработка труднообрабатываемых материалов инструментом из твердого сплава с Re-Co-связкой повышенной теплостойкости и нано-структурированным износостойким покрытием // Материалы МНТК ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». URL: mospolytech.ru / science / mami145 / scientific / article / s08 / s08_04.pdf.
3. Верещака А. С., Дачева А. В., Аникеев А. И. Повышение работоспособности режущего инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов путем комплексного применения наноструктурированного износостойкого покрытия и твердого сплава оптимального состава // Известия МГТУ «МАМИ». 2010. №.1(9). С. 99-105.
4. Табаков В. П., Ширманов Н. А., Смирнов М. Ю., Циркин А. В. Износостойкие ионно-плазменные покрытия режущих инструментов // Фундаментальные исследования. 2005. №8. С. 92-93.
5. Молочных П. Н. Влияние размерного износа режущего инструмента на точность обработки // Наука и образование. 2012. №4. С. 1-6. URL: technomag.edu.ru.
6. Пономарев А. И., Игнатьев А. А. Оценка стойкости режущего инструмента при точении на основе вычисления показателя колебательности динамической системы станка // Инженерный вестник Дона. 2023. № 4. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_3 8_4_Ponomarev_Ignat_ev.pdf.
7. Артамонов Е. В. Прочность и работоспособность сменных твердосплавных пластин сборных режущих инструментов: учебное пособие. Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. 192 с.
8. Artamonov E. V., Tveryakov A. M., Shtin A. S. Determination of maximum working capacity of retrofittable cutters on the basis of physicalmechanical features of tool hard alloys // MATEC Web of Conferences. -EDP Sciences, 2018. - Т. 224. - p. 1-6.
9. Барбышев Б. В., Некрасов Р. Ю., Кокорин И. Н., Долгушин В. В. Анализ методики снижения внутренних напряжений в сменных режущих пластинах // Инженерный вестник Дона. 2022. № 3. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_25_3_Barbyshev_Nekrasov.pdf.
10. Темпель О. А., Темпель Ю. А., Васьков Д. Е. Планирование эксперимента выбора оптимальных параметров процесса резания труднообрабатываемых материалов // Вестник МГТУ «Станкин». 2022. №4 (63). С.28-32.
11. Nekrasov R. Y., Putilova U. S. Laser nanometry of cutting tool deformation. - 2016. - 144 p.
References
1. Drimalovskij, E. I., Pamfilov E. A. Novye materialy i tekhnologii v mashmostroenii. 2019. №29. pp. 33-36.
2. Vereshchaka A. S. Materialy MNTK AAI «Avtomobile- i traktorostroenie v Rossii: prioritety razvitiya i podgotovka kadrov», posvyashchennoj 145-letiyu MGTU «MAMI». URL: mospolytech.ru/science/mami145/scientific/article/s08/s08_04.pdf.
3. Vereshchaka A. S., Dacheva A. V., Anikeev A. I. Izvestiya MGTU «MAMI». 2010. №.1 (9). pp. 99-105.
4. Tabakov V. P., Shirmanov N. A., Smirnov M. Yu., Cirkin A. V. Fundamental'nye issledovaniya. 2005. №8. pp. 92-93.
5. Molochnyh, P. N. Nauka i obrazovanie. 2012. №4. pp. 1-6. URL: technomag.edu.ru.
6. Ponomarev A. I., Ignat'ev A. A. Inzhenernyy vestnik Dona. 2023. № 4. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_3 8_4_Ponomarev_Ignat_ev.pdf.
7. Artamonov E. V. Prochnost' i rabotosposobnost' smennyh tverdosplavnyh plastin sbornyh rezhushchih instrumentov: uchebnoe posobie posobie [Durability and performance of replaceable carbide inserts in prefabricated cutting tools]. Tyumen': TyumGNGU, 2003. 192 p.
8. Artamonov E. V., Tveryakov A. M., Shtin A. S. MATEC Web of Conferences. EDP Sciences, 2018. T. 224. pp. 1-6.
9. Barbyshev B. V., Nekrasov R. Yu., Kokorin I. N., Dolgushin V. V. Inzhenernyy vestnik Dona. 2022. № 2. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_25_3_Barbyshev_Nekrasov.pdf.
10. Tempel' O. A., Tempel' Yu. A., Vas'kov D. E. Vestnik MGTU Stankin. 2022. №4 (63). pp. 28-32.
11. Nekrasov R. Y., Putilova U. S. Laser nanometry of cutting tool deformation. 2016. 144 p.
