Прогрессивные режущие Материалы для токарной обработки восстанавливаемых поверхностей деталей машин Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621. 91. 03. 30

Б.И. Коган

ПРОГРЕССИВНЫЕ РЕЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Механическую обработку резанием используют в качестве подготовительной и окончательной обработки при восстановлении деталей разными методами. Она служит основой ремонта деталей (гильз цилиндров, коленчатых валов и др.) способами ремонтных размеров и заменой части изношенных деталей.

Качество поверхности и точность механической обработки определяют качество восстановленных деталей, а следовательно, и отремонтированных машин. Предварительная обработка изношенных и окончательная обработка восстанавливаемых деталей имеют свои особенности, которые значительно затрудняют механическую обработку при их восстановлении по сравнению с обработкой при изготовлении новых деталей. К таким особенностям относят: трудности с выбором технологических баз (поверхностей, линий, точек, ориентирующих деталь на станке), так как часто после эксплуатации для них характерны износы и повреждения; высокая твердость и плохая обрабатываемость резанием из-за закаливания и наличия в нанесенных слоях оксидов, карбидов, шлаковых включений и других примесей .

В ряде случаем (например, при наплавке) наблюдают неравномерность толщины наплавленного слоя; его толщина (при различных способах дуговой наплавки) в несколько раз превышает износ, что значительно увеличивает объем последующей механической обработки по сравнению с изготовлением новых деталей. Иногда припуск ограничен (при гальваническом наращивании), что может привести к браку “по черноте”.

При проектировании технологического процесса механической обработки решают следующие основные задачи: надежное (без брака) выполнение требований рабочего (ремонтного) чертежа (в частности, выдерживание размеров, допусков, параметров шероховатости, твердости и др.); разработанный процесс должен быть для данных условий наиболее экономичным.

Точением обычно обрабатывают относительно пластичные покрытия из малоуглеродистых сталей, алюминия, меди и их сплавов, а так же из самофлюсующихся сплавов твердостью до 45 ЖС. При обработке резанием необходимо обеспечить срезание части без их выкрашивания. Напыленные покрытия во время механической обработки не следует нагружать растяжением, изгибом или отрывом.

Лезвийная обработка покрытий из высоколегированных , нержавеющих сталей и самофлю-сующихся сплавов выполняется в основном рез-

цами из твердых сплавов в том случае, когда припуск на обработку >0,25 мм на сторону и твердость монолитного материала ,> 3000 Мпа (35... 45 ИКС). Механическую лезвийную обработку наплавленных и напыленых покрытий с твердостью до 35 НЯС выполняют в несколько ходов. Скорость резания при черновом точении уменьшают на 30. 60 %, а при чистовом на 20. 40 % по сравнению со скоростью обработки нормализованной стали 45.

Наплавленные покрытия, имеющие твердость до 45 ИЯС можно обрабатывать резцами из твердого сплава Т15К6. Обработку ведут в два хода: первый, черновой, по корке, второй получистовой. Оставляют припуск на шлифование 0,3 мм на диаметр (при необходимости). Возможна лезвийная обработка наплавленных поверхностей твердостью 45. 65 ИЯС инструментом из мелкозернистого твердого сплава ВК6-ОМ. Задние и передние углы инструмента рекомендуется устанавливать в пределах 5. 10 градусов, скорость резания 30. 60 м/мин, подачу 0,03. 0,20 мм/об, а глубину резания 0,05. 1 мм. Электролитические железные покрытия точат резцами из твердых сплавов Т5К10, Т15К6 обычной геометрии [1].

Детали из пластмасс обрабатывают на больших скоростях резания. Термопласты обтачивают резцами, снабженными пластинками из твердых сплавов ВК-6 и ВК-8, со скоростью резания 300.600 м/мин и подачей до 0,4 мм/об. Терморе-активаные пластмассы обрабатывают теми же резцами, но со скоростью резания 200. 500 м/мин и подачей до 0,3 мм/об. Качество поверхностей и производительность обработки значительно повышаются при использовании инструментальных материалов в виде минералокерамики и поли-кристалических сверхтвердых материалов (ПСТМ)[1].

Особые затруднения представляет обработка сложнолегированных аустенитных жаропрочных сталей и сплавов на хромоникелькобальтовой основе, сплавов на основе W, Т1, №, Та, Мо, 2г, Ве, а так же материалов после сварки, наплавки, оплавления и др.

Вольфрам и его сплавы, а также монокристаллы вольфрама наиболее целесообразно обрабатывать инструментами, оснащенными пластинами из СТМ. Например, стойкость резцов из кубического нитрида бора примерно в 6-8 раз большую чем стойкость твердого сплава ВК10ОМ. Точение эль-боровыми резцами позволяет получать точность 67-го квалитетов, а параметр шероховатости обработанной поверхности Яа=2,5 мкм. Контактные

Таблица 1

Іяжасайг

Теоретическая высота профиля [^тах] может быть рассчитана по формуле, где Ка- заданная шероховатость, мм и I? 0 97 ^шах = 6 -''а

Зависимость подачи Я, мм/об от Ктах ; Те -радиус при вершине резца, мм 5 = V8г,Яшах - 4ЯШах

Расчет максимальной возможной подачи для получения заданной шероховатости 5 шах = ^ |0.048Ла1'97(г, -0.03ЛГ)

На практике чаще используют среднее Ка, рассчитывают по формуле 0.97 и = 11 г -. , - с! £ V •ю3 6

Глубина резания должна быть больше радиуса вершины

Таблица 2.. Расчетные формулы режимов резания.

Обозначения

п = •

і Глубина резания [мм]

О Диаметр заготовки [мм]

5 Подача [мм/ об.]

п Частотав ращения [об. /. мин]

0 Скорость снятия металла [см3 /. мин]

Яа Чистота поверхности [мкм]

ГЕ Радиус вершины [мм]

Яу Максимальная высота профиля [мм]

гс Скорость резания [м/. мин]

жО

тс = ж • О ^п . ? = S2 • 50 . и = 52 . 0 = V с а

г° = 100^. Я =-7Г'Я = вГТ"' 0 = к 5•а

температуры при точении эльборовыми резцами в Материалы ВО-13 применяют для чистого и полу-

3-5 раз меньше, чем при точении твердосплавным инструментом. Стойкость резцов, оснащенных СТМ, можно повысить в 1,5-2 раза, применяя обработку в среде углекислого газа и при глубоком охлаждении (до -196оС). Тонкое точение вольфрама резцами из эльбора Р может с успехом заменить шлифование.

Термически обработанные стали и чугуны и наплавленные покрытия обрабатывают резцами, оснащенными пластинками из минералокерамики.

чистого точения покрытий из порошков конструкционных и легированных сталей твердостью до 160.230 НВ; В0К-60 и ВОК-71 - соответственно для чистового и получистового точения покрытий из порошков сталей твердостью 30.64 ИЯС; В-3 и ОНТ-20 - для чистового и получистового точения покрытий из порошков сталей твердостью 230.380 НВ на основе никеля.

При точении сплавов ПГ-СР2, ПГ-СР3 и ПГ-СР4 может быть использована режущая керамика

на основе А1203 с незначительными добавками Mg0 и 8Ю2 или с добавками Т1С и WC (кер-мет)[2].

Применение в ремонтном производстве инструмента, оснащенного ПСТМ на основе кубического нитрида бора при содержании последнего 50.98 %, существенно улучшает техникоэкономические показатели процесса резания наплавленных и напыленных покрытий. Для черновой обработки покрытий высокой твердости (в том числе и по корке ) целесообразно применять ПСТМ киборит. для чистовой и отделочной обработке служат инструменты с режущей частью из композитов: 01 (эльбор-Р), 02 (белбор), 05 и 09 (ПТНБ), 10 (гексанит-Р), 10Д (двухслойные поликристаллы) и др. Наиболее работоспособны из ПТСМ киборит и композит-10. Высокая теплопроводность киборита ->50 Вт/(мК) обуславливает высокую износостойкость резцов при скорости резания до 200 м/мин[2].

Институт сверхтвердых материалов НАН Украины разработал и освоил выпуск сменных многогранных неперетачиваемых пластин из кибори-та. Пластины выпускаются пяти форм в соответствии со стандартом 180 1832-1991 (Я): трехгранной (Т), квадратной (8), ромбической (С) с углом

при вершине 80о (Б), с углом при вершине 55о, а также специальной формы для оснащения станков с ЧПУ. Пластины изготовляются с задними углами 0 (Ы), 5 (В), 7 (С) и 11о (Р) классов точности и, М и в без отверстий и канавок. Размеры цилиндрических пластин изменяются от диаметра 3,97 до 12,7 мм с высотой 2,38.4,76 мм. Применяют и другие формы пластин, вписанные в приведенные размеры. Композит выпускают в виде режущих зерен, впаиваемых в металлическую матрицу. Теплостойкость материалов на воздухе >1200 оС, пределы прочности при растяжении >0,3 ГПа, при изгибе >0,6 ГПа , а модуль упругости 800 ГПа.

Наиболее изучены способы обработки материалов мартенситного класса, нанесенных вибро-дуговой наплавкой или наплавкой под слоем флюса, в том числе порошковой проволокой и электродными лентами, а так же напыленных покрытий из материалов системы №-Сг-В-81 и керамических покрытий из А120з. Большой эффект достигнут при точении покрытий из порошка ПГ-Н80Х13С2Р, полученных газопорошковой наплавкой, и покрытий из порошка ПГ-СР3, нанесенных плазменным напылением с последующим оплавлением. При точении покрытий из порошковых проволок типов ПП-АН 106, ПП-АН 125 и ПП-

Таблица 3. Максимальная глубина резания.

Размер Форма пластины пластины Максимальная глубина резания t (мм|*

0.1 0.2 0.3 ол 0.5 0.7 0.9

С 6 іЙЬШї.їІі! ИОТШМ таш

9 яадгатсійяа юзгопдоя Ы'.пилж йкшти' ■к

12

□ # 7 ідо&ВДОМЮ ЖВДтЮЗД

11 ившявша «ВДОДРПН* таЯМЕЖШ

15

V ф 8 вд&шецквд аишкшя ман

11 штшшшш —

16 МОИМИ амиыатагмч ДНЯМИ

Т Ж 6 .ІШЧИїда» ■■НИН ЖЯК2Ж

11 ОхиАХпаю шляпам г‘П57Мь\ї4Л! ШШШ«ивед ««лгасмая ЩИ

16 ЯЙСЙИЙЛІКСТ иижжада кшгякк ГГОГтьВД |пякаітпя кяОвАи

УУ ж Л

6

8 яяикя

О

5 Щ

1 9

Таблица 4.

Форма пластины Размер пластины Максимальная глубина резания 1 (мм)

1 2 3 Л 5 6 7 8 9 10 11 12

Я двух- слойная • 07 Аша жен ймі

09

т двух- слойная 4 08 глий ЇМНН ш

11 каш гад

С ♦ 09 шит ЗЯЯС ЙПіїЙА мгмл

12

5 ■ 05

06 шт шит 5В№£ МП

09 ИШЬ ш ИДЕЙ явав® ШШ& ВИШКІ &

12 МЖК шш ЮЮИ» шасда ШЙЗЙЗ ИаВЮ тот ЇЗІММ ОаЗК* Эа

Рї 03 эдвд т

05 дгшг

06 '.'ЖИ Айна. «та

• 08 ш» з.пм« тл№ ИХйКй №

09

12 ндо шипя м}ялМ. м«Ж од

19 вюиа ЦНИИ шш зодю

1

*длина напайного угла А035-3,5 мм.

для длины напайного угла А028 - 2,8 мм, глубину резания снизить на 30

АН154М, имеющих аустенитную структуру эффективность резцов из ПСТМ значительно ниже. При обработке наплавленных покрытий инструментом из киборита достигают производительности 5.10 см3/мин, а напыленных - 10.20 см3/мин.

В целом стойкость резцов из ПСТМ выше стойкости инструмента из твердого сплава Т15К6 в 20.30 раз. Стойкость инструмента из киборита по сравнению с эльбором в 2 раза, а производительность в 6..11 раз выше при практически одинаковый шероховатости обработанных поверхно-

стей.

Точение покрытий резцами, оснащенными гексанитом-Р, выполняют при следующих режимах: скорости резания 60.100 м/мин, подаче

0,03.0,15 мм/об, глубине резания 0,1.0,3 мм.

Таким образом, основное назначение композитов - это оснащение режущего инструмента для лезвийной обработки высокотвердых сплавов на основе железа и никеля, закаленных сталей, отбеленных чугунов, наплавленных и напыленных износостойких покрытий. Наиболее эффективная область применения инструментов из ПСТМ -

Таблица 5. Технические характеристики работы инструмента.

Группе материалов Условия обработки

Группа ПО 150 Описание и марка Вид обработки Режимы резания Сорт КНБ }

Ус. м/мин мм/об Зр. мм мер 6010 М8(? 7010

Н Конструкционные и низколегированные стали (типа 40, 40Х, и т.п.) черновая 150 - 300 0.1 -0.7 3.0 ■

чистовая 200 - 380 0.05 - 0.4 1.0 ■ □

финишная 280 - 450 0,01 -0,1 0,2 ■

Шарикоподшипниковые стали и стали целевого назначения [ШХ4.111X15 и т.п.) черновая 100-300 0.5-0.9 5.0 ■

чистовая 250 - 350 0,05 - 0,4 1,5 ■ □

финишная 280 -450 0,01 -0,1 0.3 ■

Конструкционные легированные и высоколегированные стали (типа ЗОХМА. 38ХС. 25ХГТ. 20ХНЗА, 45ХН и т.п.) черновая 60 - 250 0,1 -0.7 3,0

чистовая 150 -300 0,05 - 0,4П 1,5 ■ □

финишная 150-320 0,01-0,1 0,2 ■

Стали конструкционные рессорно-пружинные [65С2ВА-Ш, 65Г и т.п.) черновая 150 -250 0,1 * 0,7 4,0 ■

чистовая 200 - 280 0,05 - 0,4 1.5 ■ □

финишная 200 -320 0,01 -0,1 0,2 ■

Инструментальные углеродистые и легированные стали 1У12, ХВГ, 6Х82С и т.п.) черновая 80 - 220 0,1 - 0,4 3.0 ■

чистовая 150 - 280 0.05 - 0.2 1.0 ■ □

финишная 200 - 300 0,01 - 0,03 0,2 ■

быстрорежущие стали [Р6М5] черновая 80 - 220 0,1 -0,4 2,0 ■

чистовая ТОО - 250 0.05 - 0.2 0.8 ■ □

финишная 200 - 280 0,01 - 0.03 0,2 ■

Марганцовистые стали и стали Гадфильда [110Г13Л! черновая 500-180 0,1 -0.5 8,0 ■

чистовая 120 -220 0.07 - 0.2 2,0 ■ □

Материалы, еостановленные упрочняющими наплавками: твердой проволокой (БКОЗБЗ. 12X13) и порошком черновая 120-220 0,1 -о.з 4,0

чистовая 180 - 280 0.05 - 0.2 2.0 ■ □

финишная 200 - 400 0.01 -0,08 0.2 □ ■

К Серый чугун с твердостью НВ 140...290 (СЧ15. СЧ35) черновая 600 - 800 0,5-2,0 8,0 □

чистовая 800 - 1700 0,05 - 0,3 1,0 ■

Высокопрочные чугуны, с твердостью НВ 260...420 [ВЧ50. В470] черновая '200 - 600 0,5 -1,5 3,0 □

чистовая 300 * 900 0,05 - 0.3 0,8 ■

Легированные чугуны и чугуны в состоянии отбела с твердостью НВ 280.420 1АХНМ) черновая 30 - 200 0,1 -0,8 8.0 ■

. чистовая 100-250 0.05 - 0.3 1.0 ■

Валковые и износостойкие чугумы, твердостью НРС 48 ,,68 {ИЧХ28, ЧХ28Д2, СПХН) черновая 60 - 200 0,1 -0.4 5,0 ■

чистовая 200 - 260 0,05 - 0,2 1,0 □ ■

Щ предпочтительный выбор Ц возможный выбор

высокоскоростная обработка твердых покрытий (до 68 ИЯС) с малой толщиной срезаемого слоя (0,2...0,5 мм ). Процесс резания характеризуется незначительными энергетическими затратами, небольшим нагревом детали, низкой шероховатостью и отличным качеством поверхности.

В настоящее время компания Микробор Нано-тех создала композит на базе наноКНБ с новыми

свойствами: повышенной стойкостью к ударным нагрузкам при высокой макротвердости, термостойкости и износостойкости. Этот композит (НКНБ) имеет преимущества при обработке релита, стеллита и других твердых и абразивных материалов.

Сорта КНБ Микробор:

МЕЯ 6010. Содержание КНБ, % - 60.65.

Размеры зерна, мкм - 3.5.

Предназначен для черновой обработки с высокой производительстью твердых материалов, особенно сталей. Инновационная формула и технология синтеза композита позволяют получить инструмент, существенно повышающий производительность, как для токарной, так и для фрезерной обработки, обладающий высокой стойкостью к ударным нагрузкам.

МЕЯ 7010. Содержание КНБ, % - 85.90. Размер зерна, нм - 300.800.

Предназначен для чистовой и суперфинишной обработки чугунов, закаленных сталей и сверхтвердых материалов, в том числе композитных, а

также на основе вольфрама и кобальта. Сверхтвердая режущая кромка инструмента МБК7010 обеспечивает высочайшее качество обрабатываемой поверхности и высокую износостойкость.

Расчет подачи от заданной шероховатости поверхности.

Выбор радиуса закругления вершины зависит от формы заготовки и вида механической обработки. Радиус закругления вершины влияет на выбор данных для расчета режимов резания и качества чистовой обработки поверхности. Небольшой радиус закругления вершины - универсальная механическая обработка, слабые силы резания ( пониженная опасность вибрации ). Большой ра-

Таблица 6. Результаты применения НКНБ

Материал ШХ4 Стойкость, мин.

Твердость ИЯС61-64

Токарная операция наружная обработка ’’кольцо промежуточное” 0158 мм

Условия работы Инструмент МюгоЬог Конкурент 120

Обозначения пластины СКМЛ120412Т01020 МБЯ7010 СММЛ120412 Т01020 100

Скорость резания, м/мин 150 150 80

Глубина резания, мм 0,4 0,4 60

Подача, мм/об 0,21 0,21 40

Частота вращения детали, об/мин 302 302 20

Фактическая стойкость, дет./грань 103 80 0

Материал Х12 Стойкость,мин

Твердость ИЯС60-62 20

Токарная операция наружная обработка ’кольцо промежуточное” 0 168 мм 17,5

Условия работы Инструмент МюгоЬог Конкурент 15

Обозначение пластины КЫМШ8Т300Р0000 0БЯ610 КЫМШБТ300Р00000 12,5

Скорость резания, м/мин 106 106 10

Глубина резания, мм 0,5 0,5 7,5

Подача, мм/об 0,2 0,2 5

Частота вращения детали, об/мин 200 200 2,5

Фактическая стойкость, дет./грань 20 10 0

Материал ИЧХ28 Стойкость, мин

Твердость ИЯС61-64 40

Токарная операция Наружная обработка “втулки” 0 160 35

Условия работы Инструмент МюгоЬог Конкурент 30

Обозначение пластины КЫМ090300Т01020М БЯ7010 КЫвШ20400 25

Скорость резания, м/мин 92 60 20

Глубина резания, мм 0,35 0,35 15

Подача, мм/об 0,43 0,3 10

Частота вращения детали, об/мин 200 125 5

Фактическая стойкость, дет./грань 35 9 0

Материал ЛПХНДЦ-73 Стойкость, мин

Твердость ИЯС61-66 80

Продолжение таблицы 6.

Токарная операция Наружная обработка “валка” 0 900 мм 70

Условия работы Инструмент Microbor Конкурент 60

Обозначение пластины SMNM120412T03025 MBR6010 SNMN120412CBN 50

Скорость резания, м/мин 55 55 40

Глубина резания, мм 6 6 30

Подача, мм/об 0,6 0,6 20

Частота вращения детали, об/мин 19,5 19,5 10

Фактическая стойкость, дет./грань 90 20 0

Материал 110Г13Л Стойкость, мин

Твердость HRC25-35

Токарная операция Наружная с ударом “брони конической” 0 1090 мм 35

Условия работы Инструмент Microbor Конкурент 30

Обозначение пластины RNMN120400T03025 MBR7010 RNMN120300 T02025 25

Скорость резания, м/мин 170 170 20

Глубина резания, мм 7 7 15

Подача, мм/об 0,3 0,3 10

Частота вращения детали, об/мин 50 50 5

Фактическая стойкость, дет./грань 25 22 0

диус закругления вершины, подходит для больших подач, высокого качества чистовой обработки поверхности.

Компания выпускает пластины и державки для обработки канавок и отрезки, для фрез, с уда-ро и износостойкими покрытиями. Новый режущий материал хорошо себя зарекомендовал при испытаниях на заводах и ремонтных предприятиях Кузбасса. Применение пластин из НКНБ при ремонте горных, сельскохозяйственных и других машин технологически обеспечивает высокое качество ремонта и производительность труда.

Лезвийная обработка инструментальными материалами из НКНБ в ряде случаев заменяет шлифование и позволяет получить шероховатость поверхность Ка=1.25...0.63мкм, а при использовании жесткого оборудования и специального инструмента Яа=0.20.0.18 мкм. Применение этих инструментальных материалов на финишных опе-

рациях будет непрерывно расширяться по мере их изучения. Выбор лезвийного инструмента для обработки восстановительных покрытий ведут в три этапа. На первом этапе определяют отношение твердости инструментального и обрабатываемого материалов при рабочей температуре резания. Полагают, что при обработке покрытий инструментом из твердых сплавов эта температура равна 800о С, а сверхтвердыми материалами 1000° С. Выбирают тот инструментальный материал, который обеспечивает наибольшее отношение твердости. На втором этапе оценивают износостойкость режущего инструмента. На последнем этапе проводят экспериментальную проверку полученных результатов.

Кафедра технологии машиностроения ГОУ КузГТУ (г. Кемерово) может оказать практическую помощь предприятиям региона в установлении областей оптимального применение НКНБ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Коган Б. И. Технология обеспечения восстановления деталей горных машин. - Кемерово: Куз-бассвузиздат, 2007. -392с.

2. Коган Б. И. Прогрессивные твердые сплавы, режущая керамика и композиты для обработки резанием. Методические указания. - Кемерово: КузГТУ, 2012, - 33с.

□Автор статьи:

Коган Борис Исаевич, докт. техн. наук, проф. каф. технологии машиностроения КузГТУ.

E-mail: [email protected]

Технология машиностроения 65