ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСНО-ЛЕГИРОВАННЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621:913:621.633

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСНО-ЛЕГИРОВАННЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Л.С. Печенкина, О.И. Попова, М.И. Попова

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассмотрено применение комплексно-легированных сплавов для изготовления режущего инструмента. Одними из показателей, влияющих на параметры качества обработанной детали, которые необходимо учитывать при обработке крупногабаритных деталей, являются показатель ударной вязкости инструментального материала и продолжительность работы режущего инструмента. Применение в конструкциях режущего инструмента оптимизированных составов износостойких сплавов и способов их получения позволяет повысить износостойкость и сопротивляемость режущего инструмента ударной нагрузке. Для изготовления литого инструмента из новых комплексно-легированных сплавов использованы две принципиально различные технологические схемы: 1) отжиг литых заготовок, механическая обработка, высокотемпературная закалка, отпуск на вторичную твердость, доводка шлифованием; 2) получение точнолитых заготовок, их зачистка и доводка. Установлен рациональный химический состав комплексно-легированных сплавов (основа - железо), включающий: от 1,3% до 1,9% углерода, 3,6-5,3% молибдена, 3,4-6,1% ванадия, 4,0-5,5% хрома, до 1,3% кремния при ограниченном содержании марганца (до 1,2%), алюминия и редкоземельных элементов (до 0,15%). Использование в качестве инструментального материала новых литых комплексно-легированных сплавов обеспечивает режущему инструменту высокую стойкость и сопротивляемость ударной нагрузке, приводит к уменьшению стоимости, дает возможность изготавливать режущие инструменты, работающие при высоких ударных нагрузках, для обработки крупногабаритных деталей, зубчатых колес и других заготовок

Ключевые слова: режущий инструмент, ударная нагрузка, комплексно-легированные сплавы, износостойкость

Введение

Важным и актуальным в современном машиностроении является повышение эффективности механической обработки резанием. Решением этой проблемы является, во-первых, создание нового инструментального материала; во-вторых, создание новой геометрической формы режущего инструмента. При этом обязательно необходимо учитывать вопросы повышения стойкости, точности, прочности, производительности и экономический аспект, включающий в себя стоимость инструментального материала и изготовления режущего инструмента, а также его эксплуатацию.

Режущие инструменты, работающие при высоких ударных нагрузках, используют в тяжелой промышленности, судостроении и других отраслях, где производят обработку крупногабаритных деталей, зубчатых колес и других заготовок. Такие режущие инструменты характеризуются сложностью изготовления, связанной с повышенной точностью и высокой стоимостью.

Одними из показателей, влияющих на параметры качества обработанной детали, которые необходимо учитывать при обработке крупногабаритных деталей, являются показа-

© Печенкина Л.С., Попова О.И., Попова М.И., 2018

тели надежности инструментального материала и продолжительность работы режущего инструмента. Показателем надежности инструментального материала, указывающим на его возможность сопротивляться разрушению, является ударная вязкость.

К материалу для режущего инструмента предъявляются высокие требования. Это объясняется тем, что рабочие поверхности инструментов работают при высоких контактных напряжениях, больших удельных давлениях и подвергаются износу и нагреву. Эти материалы должны обладать:

— повышенной прочностью;

— повышенной твердостью;

— повышенной стойкостью;

— повышенной теплостойкостью.

В процессе резания режущие кромки инструмента нагреваются, в результате чего уменьшается твердость инструментального материала и инструмент быстро выходит из строя. Поскольку устойчивость инструментальных материалов к действию тепла различна, например, одни при нагреве до температуры 200—250°С теряют свои режущие свойства, а другие сохраняют свои свойства при температуре до 1000°С и выше, поэтому с увеличением теплостойкости инструментального материала увеличивается стойкость инструмента.

Постановка задачи

В результате периодических динамических и тепловых нагрузок происходит износ режущей части инструмента, зависящий от механических свойств материала, условий резания и геометрических параметров инструмента [1].

Одним из путей повышения износостойкости и сопротивляемости ударной нагрузке режущего инструмента является оптимизация составов сплавов и выбор технологии их получения.

Этого можно достичь, управляя процессами формирования структуры и свойств метала, соотношением в них основных химических элементов, комплексным легированием, модифицированием, режимами термической обработки.

Таблица 1

Виды инструментальных материалов

Название Достоинства Недостатки Виды режущих инструментов

2 3 4

Углеродистые стали Высокая твердость после термической обработки. Низкая стоимость. Низкая теплостойкость - 200-250°С. Работа с низкой скоростью резания. В отожженном состоянии инструмент имеет низкую твердость. Режущие инструменты типа: «сверло», «метчик», «шабер», «развертка», «плашка», «фреза», «пила по металлу», «ножовочное полотно», «зубило».

Легированные стали В сравнении с углеродистыми сталями обладают высокой вязкостью в закаленном состоянии и при закалке имеют меньшую склонность к трещинам и деформациям. Низкая теплостойкость. Чувствительна к образованию карбидной сетки, которая сопутствует возникновению трещин и выкрашиванию режущей кромки инструмента. При повышении удельного давления -стойкость режущего инструмента уменьшается. Не обеспечивает высокую стойкость сложных фасонных инструментов. Режущие инструменты типа: «круглая и ленточная пила», «нож для холодной резки», «зубило», «пуансон», «концевой режущий инструмент», «резец» и «фреза», для работы с небольшой скоростью резания, «спиральное сверло», «метчик», «развертка», «плашка», «гребенка», «протяжка» и другой режущий инструмент, работающий с ударными нагрузками.

Быстрорежущие стали Высокая твердость, прочность, теплостойкость, износостойкость. Температурный режим работы до 600— 650°С. Обладает высокой вязкостью, пригодна для работы с ударом. В сравнении с режущим инструментом из углеродистой стали имеет скорость резания в 2—4 раза больше, в 2-3 раза выше стойкость. Чувствительность к перегреву. Высокая стоимость. Режущие инструменты типа: «резец», «сверло», «фреза», «дол-бяк», «развертка», «зенкер», «метчик», «протяжка» и «плашка».

Целью данной работы является повышение стойкости и сопротивляемости ударной нагрузке режущего инструмента, получаемого методами литья, за счет использования в качестве инструментального материала комплексно-легированных сплавов нового состава, конструкции фрез с разделенным припуском по высоте инструментальной рейки.

Результаты работы

В настоящее время имеется много материалов для режущего инструмента, удовлетворяющих указанным выше требованиям. В табл. 1 представлен их анализ с учетом сплавов известных ранее и комплексно-легированных предлагаемого состава [2, 3].

Продолжение табл. 1

1 2 3 4

Твердые сплавы Высокая твердость и износостойкость, уступающая только алмазу. Сохраняет режущие свойства во время работы при нагревании 800-900°С. Скорость резания в 3-4 раза больше скорости резания, допускаемой инструментами из быстрорежущей стали. Повышенная хрупкость (ударная вязкость: 0,5.. .1,2 Дж/см2). Низкая сопротивляемость к изменениям тепловой нагрузки. Высокая стоимость. Режущие инструменты типа: «резец», «сверло», «фреза», «дол-бяк», «развертка», «зенкер», «метчик», «протяжка» и «плашка».

Керамические материалы Высокая твердость. Температурный режим работы до 1200°С, что дает возможность проводить процесс резания с ривысокими скоростями. Низкие механические свойства в сравнении с твердыми сплавами из-за высокой хрупкости и низкой сопротивляемости изгибающим нагрузкам. Резцы с керамическими пластинками для получистовой и чистовой обработок при безударной нагрузке.

Алмазы Высокая твердость и износостойкость. Химически мало активен. Небольшой коэффициент трения. Слабая склонность к налипанию стружек обрабатываемого материала. Хрупкость. Низкая темпера-туростойкость (750—850°). Высокая стоимость. Алмазные резцы для финишной обработки цветных металлов, сплавов и неметаллических материалов.

Комплексно-легированные сплавы Высокая твердость и износостойкость. Высокая ударная вязкость. Высокая сопротивляемость ударной нагрузке. Возможность резать металлы с высокими скоростями резания. Низкая стоимость по сравне-ынию с инструментальными сталями и твердыми сплавами. Низкая обрабатываемость лезвийным инструментом. Литой режущий инструмент типа: «фасонный резец», «сверло», «фреза», «долбяк» и.т.д.

Для увеличения периода стойкости режущего инструмента необходимо, чтобы материал режущей части обладал с увеличением температуры в зоне резания высокой сопротивляемостью изнашиванию; имел твердость больше твердости обрабатываемого материала; выдерживал высокие давления, ударные нагрузки, возникающие при резании без разрушения. Этим требованиям отвечают комплексно-легированные сплавы, которые дают возможность резать металлы с высокими скоростями резания.

Оптимизация составов сплавов для литого инструмента проведена исходя из того, что химический состав должен обеспечить: необходимую прокаливаемость сплавов; композиционное упрочнение; карбидное старение мартенсита и остаточного аустенита при малой склонности к коагуляции.

Для экспериментальной проверки свойств комплексно - легированных сплавов в качестве режущего инструмента выбран резец, литейная форма для которого проста в изготовлении (рисунок). Величина изнашивания рабочей поверхности резца, возникающая из-за трения

стружки о переднюю и заднюю его поверхности, позволяет установить его период стойкости.

Образцы из комплексно-легированных сплавов исследовались в литом состоянии, после отжига при 950°С, после закалки от 1170С в масле и часового отпуска закаленных образцов в условиях следующих температурных режимов: 250, 450, 540°С.

Резцы из разработанных комплексно-легированных сплавов (полученные из заготовок в виде брусков 15*15 и 30*30 мм) испытывали точением заготовок из стали 45' при скорости резания 50 м/мин, глубине резания 1 мм и подаче 0,13 мм/об, без использования СОЖ.

Сопоставление свойств сплавов в литом состоянии проведено с быстрорежущей сталью Р6М5 в термообработанном состоянии (HRCэ 63-64). Из табл. 2 видно преимущество разработанных комплексно-легированных сплавов с повышенным содержанием молибдена (сплавы 2-5) по сравнению с быстрорежущей сталью Р6М5 и сплавом 1 (с низким содержанием молибдена).

Эскиз модельного блока отливки «резец» и элементов ЛПС

Для изготовления литого инструмента из новых комплексно-легированных сплавов использованы два принципиально различных технологических варианта. Если необходимо получить инструмент, который работает в условиях высокой ударной нагрузки или требует большой обработки резанием, отливки подвергаются отжигу при 920...980°С. Необходимость отжига объясняется присутствием в микроструктуре литого комплексно-

легированного сплава сетки тройной эвтектики А+МС+МС3, которая уменьшает ударную в я з к о с т ь металла высокой твердостью сплава (от 57 до 62 HRCэ). Отжиг разрушает сетку квазиэвтектики, частично происходит карбидное превращение из МС3 в МС, выделяется большое количество мелких карбидов МС. При этом структура сплава становится более равномерной, заметно повышается ударная вязкость (до КС 20. 30 Дж/см2 и более) и снижается его твердость (до 28.30 HRCэ). Пониженная твердость сплава обеспечивает возможность механической обработки отливок лезвийным инструментом. Затем осуществляется завершающая термическая обработка, которая представляет собой высокотемпературную закалку (от 1170- 1200С) и отпуск в условиях 520-560 С (по 40 минут каждый), а затем доводка инструмента шлифованием до нужных размеров. После термической обработки в структуре сплава сохраняется 8.1 5 % остаточного аустенита. Твердость инструмента составляет 62,0.65,0 HRCэ.

Химические составы исследованных сплавов и их некоторые свойства представлены в табл. 2.

Таблица 2

Химический состав и свойства сплавов

Название Содержание элементов, мас.% Твердость в литом состоянии НЕСэ в заготовках, мм Время работы резцов до переточки, мин. Ударная вязкость КС, Дж/см2

О о 2 О > м Мп < РЗМ

15*15 30*30

1 1.46 0.64 6.21 5.10 1.83 0.58 0.32 0.15 57-61 54-58 35-45 8-10

2 1.90 4.73 5.32 6.10 0.92 0.88 0.34 0.15 61-63 60-62 75-85 10-14

3 1.76 5.30 4.00 5.82 0.88 0.30 0.16 0.02 62-64 59-61 80-90 15-18

4 1.64 5.12 5.00 5.78 1.16 0.75 0.22 0.08 61-63 59-61 75-85 18-20

5 1.42 3.60 5.50 4.94 1.10 0.48 0.28 0.04 60-62 59-61 65-75 18-22

Р6М5 В термообработанном состоянии НЕСэ - 63-64 45-60 -

Второй технологический вариант производства инструмента заключается в получении точности литой заготовки (например, по выплавляемым моделям), её зачистки, шлифовании до требуемых размеров, отпуске на вторичную твердость. Инструмент, который изготавливается по этому варианту, характеризуется немного сниженной ударной вязкостью (из-за сохранения в структуре небольшого количества тройной квазиэвтектики в виде отдельных

изолированных участков), но по износостойкости и технологичности не уступает тому инструменту, который подвергался полной термической обработке. Такой технологический вариант предлагается применять при производстве сверл и концевых фрез диаметром 15.40 мм. В этом случае поверхностная твердость инструмента составляет 59.0.62.0 HRCэ, что вполне достаточно для его надежной работы. Инструмент, имеющий диаметр

меньше 15 мм, необходимо термически обработать, чтобы повысить ударную вязкость. Отлитый инструмент, имеющий диаметр больше 40 мм, без термической обработки характеризуется сниженной твердостью (в некоторых случаях меньше 57 HRCэ) из-за самоотпуска в результате охлаждения отливок в форме. Следовательно, для такого инструмента необходимо использование первой схемы.

Также для анализа условий получения литого инструмента была изготовлена концевая фреза.

В новой конструкции червячной фрезы с разделенным припуском по высоте инструментальной рейки, благодаря уменьшению рабочей высоты зуба для первого, второго и третьего проходов сокращается длина основания каждого зуба, что дало возможность, не уменьшая прочности зуба, уменьшить угловой шаг зубьев в торцевом сечении и образовать на том же внешнем диаметре червячной фрезы большее количество реек. Увеличение количества реек увеличивает количество профилирующих резов, что позволило обеспечить повышение точности обработки, а также уменьшило неравномерность нарезания и динамические нагрузки [4].

Применение комплексно-легированных сплавов и предложенный способ изготовления можно использовать для червячных фрез с разделенным припуском по высоте, что улучшит эксплуатационные свойства фрезы и уменьшит стоимость изготовления.

Заключение

Установлен рациональный химический состав комплексно-легированных сплавов (основа - железо), включающий: от 1,3% до 1,9% углерода, 3,6-5,3% молибдена, 3,4-6,1% ванадия, 4,0-5,5% хрома, до 1,3% кремния при ограниченном содержании марганца (до 1,2%), алюминия и редкоземельных элементов (до 0,15%).

Для изготовления литого инструмента из новых комплексно-легированных сплавов предложено использовать две принципиально различные технологические схемы:

- отжиг литых заготовок, механическая обработка, высокотемпературная закалка, отпуск на вторичную твердость, доводка с помощью шлифования;

- получение точнолитых заготовок, их зачистка и доводка шлифованием, отпуск на вторичную твердость.

Представленные сплавы и технологии могут быть востребованы при производстве литого металлорежущего инструмента (резцов, фрез, свёрл), проведены их испытания, показавшие высокую износостойкость и работоспособность изделий. Использование в качестве инструментального материала новых литых комплексно-легированных сплавов обеспечивает режущему инструменту высокую стойкость и сопротивляемость ударной нагрузке, приводит к уменьшению стоимости, дает возможность изготавливать режущие инструменты, работающие при высоких ударных нагрузках, для обработки крупногабаритных деталей, зубчатых колес и других заготовок.

Литература

1. Попова О.И., Попова М.И., Печенкина Л.С. Пути повышения стойкости червячных фрез // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. № 4. С. 134-139.

2. Афанасьев В.К., Кольба А.В. Разработка инструмента из белого чугуна без применения специального легирования // Металлообработка. 2011. № 2 (62). С. 4148.

3. Печенкина Л.С. Оптимизация состава самозакаливающихся чугунов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 6. С. 117-121.

4. Попова О.И., Кривошея А.В., Попова М.И. Усовершенствование математических моделей формообразования червячных колес с учетом равномерного припуска при обработке // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 2. С. 114122.

Поступила 14.09.2018; принята к публикации 14.11.2018 Информация об авторах

Печенкина Лариса Степановна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: pls-7@mail.ru

Попова Ольга Ивановна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: olga_10_popova@mail.ru

Попова Маргарита Ивановна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: vip.popovamargarita@mail.ru

APPLICATION OF INTEGRATED HYDRA METALS FOR THE CUTTING TOOL

MANUFACTURING

L.S. Pechenkina, O.I. Popova, M.I. Popova

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the article considers the use of complex alloys for manufacturing cutting tools. One of the indicators affecting the quality parameters of the machined part, which should be taken into account when machining large-sized parts, is the indicator of the toughness of the tool material and the cutting tool operation time. The use of optimized compositions of wear-resistant alloys and methods for their preparation allows one to increase the wear resistance and resistance of the cutting tool to shock load. For the manufacture of the cast tool from the new complex alloys, two fundamentally different technological schemes were used: 1) annealing of cast workpieces, mechanical processing, high-temperature hardening, tempering for secondary hardness, and finishing by grinding; 2) obtaining precise castings, stripping and finishing them. A rational chemical composition of complex alloys (base - iron) was established, including: from 1.3% to 1.9% carbon, 3.6-5.3% molybdenum, 3.4-6.1% vanadium, 4.0-5.5% chromium, up to 1.3% silicon with a limited content of manganese (up to 1.2%), aluminum and rare-earth elements (up to 0.15%). The use of new cast complex alloys as a tool material provides the cutting tool with high durability and resistance to shock load, leads to a reduction in cost, makes it possible to produce cutting tools operating at high shock loads, for machining large-sized parts, gears and other blanks

Key words: cutting tool, impact load, complex-alloyed alloys, wear resistance

References

1. Popova O.I., Popova M.I., Pechenkina L.S. "Ways to increase the durability of worm cutters", Ihe Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2018, vol.14, no. 4, pp.134-139.

2. Afanas'ev V.K., Kol'ba A.V. "Development of a tool made of white cast iron without special alloying", Metalworking (Metalloobrabotka), 2011, no. 2 (62), pp. 41-48.

3. Pechenkina L.S. "Optimization of the composition of self-hardening cast irons", Ihe Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, vol. 13, no. 6, pp. 117-121.

4. Popova O.I., Krivosheya A.V., Popova M.I. "Improvement of mathematical models of the formation of worm wheels, taking into account the uniform allowance during processing", ne Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, vol. 13, no. 2, pp.114-122.

Submitted 14.09.2018; revised 14.11.2018

Information about the authors

Larisa S. Pechenkina, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: pls-7@mail.ru

Ol'ga I Popova, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: olga_10_popova@mail.ru

Margarita I. Popova, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: vip.popovamargarita@mail.ru