Процессы изготовления инструмента для лезвийной обработки чугуна Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Важнейшим достоинством данной методологии оптимизации с экономической ЦФ является ее способность оптимизировать совместно режимные и геометрические параметры процесса точения, а в итоге достигать минимальной удельной себестоимости обработки Су за счет максимально возможной производительности < и минимально возможных временных наработки ТР и ресурса Я дорогостоящих пластин из ПКНБ.

Литература

1. Горанский Г. К. Расчет режимов резания при помощи электронно-вычислительных машин. Минск: Гос. изд-во БССР, 1963. 191 с.

2. Якобс Г. Ю., Якоб Э., Кохан Д. Оптимизация резания / Пер. с нем. М.: Машиностроение, 1981. 279 с.

3. Инструменты из сверхтвердых материалов / Под ред. Н. В. Новикова. Киев: ИСМ НАНУ, 2001. 528 с.

4. Кравченко Ю. Г., Савченко Ю. В. Надежность режущих пластин из композитов при точении отбеленных чугунов // Высокие технологии в машиностроении: Сборник научных трудов НТУ «ХПИ». Харьков, 2005. Вып. 1 (10). С. 99-104.

5. Даниленко Б. Д., Кравченко Ю. Г. Оптимизация условий точения отбеленных чугунов пластинами из ПКНБ // Системные технологии. Региональный межвузовский сборник научных работ. Днепропетровск, 2008. Вып. 1 (54). С. 44-51.

6. Кравченко Ю. Г. Вероятность неразрушения режущей кромки пластин из композитов // Резание и инструмент в технологических системах: Междунар. науч.-техн. сб. Вып.73. Харьков: НТУ «ХПИ», 2007. С. 118-123.

7. Кравченко Ю. Г., Савченко Ю. В. Расчет удельной себестоимости обработки при точении // Сборник научных трудов НГУ. № 19. Т. 4. Днепропетровск: Национальный горный университет, 2004. С. 88-91.

УДК 621.09

Процессы изготовления инструмента для лезвийной обработки чугуна

Б. Я. Мокрицкий, А. А. Бурков, П. А. Саблин

Введение

Высокая прочность и износостойкость отдельных марок высокопрочных чугунов лимитирует работоспособность металлорежущего инструмента. В дробеметных машинах это имеет место при наружной токарной обработке заготовки детали «импеллер». Именно поэтому приобретает актуальность решение такой задачи, как разработка процессов упрочнения инструмента для заданных условий эксплуатации в рамках концепции проектирования эффективного технологического процесса изготовления инструмента.

Концепция эффективного процесса изготовления инструмента

Предположим, что каждое упрочняющее воздействие на инструмент в процессе его изготовления дает эффект повышения периода стойкости той или иной величины. Эффект

тем значительнее, чем больше этапов изготовления инструмента, на которых применены упрочняющие воздействия. В случае с твердосплавным инструментом, который традиционно рекомендуется для обработки чугунов, такими этапами являются:

• изготовление основы инструментального материала;

• упрочнение основы;

• архитектурирование упрочняющих покрытий;

• упрочнение покрытия.

Если на каждом из этих этапов изготовления инструмента иметь хотя бы по два разных решения, то в нашем распоряжении будет уже несколько (шестнадцать) решений. Это означает, что можно разработать арсенал разных технологических процессов изготовления инструмента и для конкретных условий эксплуатации нужно лишь выбирать из арсенала тот, который наиболее эффективен. Графически концепция представлена на рис. 1, конкретный пример — на рис. 2.

ЙпЛООБШТКА

Рис. 1. Структура создания арсенала технологических процессов изготовления инструмента:

ТП — технологический процесс изготовления инструмента; Ме — металл; МеЫ — химическое соединение (нитрид, карбид, карбонитрид, оксид и т. д.); ГТ — газотермическое нанесение покрытия; КИБ — нанесение покрытия конденсацией с ионной бомбардировкой

Рис. 2. Структура концепции многостадийных технологических процессов изготовления инструмента как последовательности воздействий по упрочнению исходного инструментального материала

Результаты исследования и их обсуждение

Выбор типовой марки инструментального материала проводили по рекомендациям работы [1]. Для указанных выше условий обработки возможно применение твердого сплава марки ВК3, сверхтвердого инструментального материала (композита) марки 01 или режущей керамики ВОК-60. Эти рекомендации правомерны для случая обработки непрерыв-

ных поверхностей. В нашем случае на цилиндрической поверхности имеются прорези (пазы), то есть имеет место циклическое на-гружение инструмента при обработке прерывистой поверхности заготовки (такие условия работы часто называют работой «на удар»). В силу этого применение композита 01 исключается. Применение твердого сплава марки ВК3 не оправдано (как показали предварительные пробы) из-за необходимости применения очень низких скоростей резания и потреб-

ности в последующем шлифовании поверхности. Исходя из балльной системы оценки работоспособности керамических пластин [1] выбрана квадратная форма пластины с главным углом в плане 45°. Также выбрана державка прямого типа D. Аналогично выбраны значения углов: передний угол составляет -5°, задний угол — 5°. Ширина фаски — 0,5 мм, угол наклона фаски составляет -10°. С учетом квалитета обработки IT7 и диаметра обработки [1] не может быть выбрана глубина резания более 0,13 мм. При этой глубине резания для условий непрерывной обработки выбраны (лист 9 карты 2 [1]) подача — от 0,08 до 0,15 мм/об, скорость резания — от 200 до 400 м/мин.

Далее в табличной форме приведены результаты оценки работоспособности инструмента в зависимости от применяемого метода упрочнения при варьировании параметров режима резания. Результаты (табл. 1) приведены для момента достижения износа (и микровыкрашиваний) 0,3 мм по задней поверхности ин-

струмента. Из данных табл. 1 следует, что применение упрочняющих воздействий позволяет повысить период стойкости инструмента ВОК-60 от 22 до 46 минут (58 мин при изменении формы пластины). Это заметное увеличение периода стойкости и оценка экономической составляющей могут показать эффективность того или другого технологического процесса изготовления инструмента.

Результаты (табл. 1) наглядно показаны на рис. 3 в виде гистограммы: повышение работоспособности инструмента, подвергнутого тому или другому технологическому приему упрочнения, в сравнении с инструментом в исходном состоянии.

Анализ гистограммы позволяет заключить следующее:

• Ударно-циклический характер нагру-жения инструмента (обработка поверхности с пазами) снижает период стойкости инструмента в 2,73 раза (см. инструментальный материал ВОК-60 без обработки и керамику В0К-60 + СТО) в сравнении с обработкой не-

Таблица 1

Сопоставительные данные для оценки эксплуатационных свойств инструментальных материалов, полученных по различным технологическим процессам изготовления

Характеристика точения Площадь поверхности, обработанной за период стойкости инструмента, тыс. мм2

Подача, мм/об Скорость резания, м/мин Период стойкости инструмента, мин Вид разрушения инструмента Мощность резания, кВт

Инструментальный материал ВОК-60

0,08 195 22 Износ, микровыкрашивания 0,28 760

0,08 150 24 Износ, микровыкрашивания 0,22 840

0,08 120 20 Скол 0,20 540

0,08 250 20 Скол 0,38 920

0,1 ■ 250 16 Скол 0,34 960

Керамика ВОК-бО + стабилизирующая термообработка (СТО)

0,08 195 31 Износ, микровыкрашивания 0,28 1260

Керамика ВОК-бО + СТО + покрытие Ti

0,08 195 35 Износ 0,28 1410

Керамика ВОК-60+ СТО + покрытие Ti + (Ti + TiNx)

0,08 195 39 Износ 0,28 1600

Керамика ВОК-бО + СТО + Zr

0,08 195 38 Износ 0,28 1560

Керамика ВОК-бО + СТО + покрытие Zr + ZrNx

0,08 195 46 Износ 0,28 2150

Керамика ВОК-бО* + СТО + покрытие Zr + (Zr + ZrNx)

0,08 * Круглаг 195 | 58 | Износ | 0,38 | 2650 пластина диаметром 9,0 мм и толщиной 4,7 мм.

метаАБШШ

о £

о

>о в

«S в й

3,0 -| 2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5

0

S

й

S

й

а

й

й

й

1 2 3 4 5 6 7 8 Варианты исполнения инструмента

Рис. 3. Гистограмма относительной работоспособности инструмента с различным состоянием инструментального материала при точении детали «импеллер» (за единицу принят период стойкости ВОК-60 в исходном состоянии):

1 — ВОК-60 в исходном состоянии; 2 — то же + обработка непрерывной поверхности; 3 - ВОК-бО + СТО; 4 — ВОК-бО + + СТО + покрытие Ti; 5 — ВОК-бО + СТО + покрытие Ti + TiNx; 6 — ВОК-бО + СТО + покрытие Zr; 7 — ВОК-бО + + СТО + покрытие Zr + ZrNx; 8 — ВОК-бО круглой формы + + СТО + покрытие Zr + ZrNx

прерывной поверхности. Достичь того уровня работоспособности, который имеет место при обработке непрерывной поверхности, не позволяет ни один из разработанных технологических приемов упрочнения инструмента.

• Применение покрытий с цирконием более эффективно, чем с титаном.

• Изменение формы пластины с квадратной на круглую (см. последние два раздела в таблице) позволило повысить работоспособность инструмента на 27 %.

Анализ данных табл. 1 позволяет сделать следующие промежуточные выводы:

• При выбранном режиме резания (глубина — О,13 мм, подача - О,О8 мм/об, скорость резания — 195 м/мин) требуемая шероховатость поверхности операцией точения обеспечивается. Если пластина имеет круглую форму, достигается квалитет обработки 1О-12. Нет необходимости в последующем шлифовании.

• Выбранный режим резания не приводит к разрушению инструмента сколом.

• Мощность резания и площадь обработанной поверхности не являются лимитирующими в данном случае. Процесс обработки лимитирован стойкостью инструмента.

• Период стойкости инструментального материала ВОК-бО существенно зависит от технологического приема его упрочнения.

• Упрочняющая обработка ВОК-бО позволяет применять пластины круглой формы с ростом качества поверхности.

Кратко приведем сведения о параметрах технологических приемов упрочнения указанных инструментальных материалов.

• Режущая керамика ВОК-бО в состоянии поставки. Инструментальный материал не подвергается никаким дополнительным воздействиям. При износе одной или нескольких режущих кромок (вершин), а также при их микровыкрашивании в процессе эксплуатации поворотом режущей пластины разрешалась эксплуатация следующей режущей кромки.

• Пластины ВОК-бО + СТО. Это означает, что пластины нагревали ионной бомбардировкой в установке типа «Булат» или «ННВ», работающей по методу конденсации с ионной бомбардировкой. Проводили нагрев до 83О-85О °C, выдерживали не более 2О мин (не допускали перегрев режущих кромок, остужали вместе с установкой).

• Пластины ВОК-бО + СТО + покрытие Ti. Выполняли действия, указанные в предыдущем пункте, и затем на этой же установке наносили слой покрытия из титана c толщиной в пределах 2-5 мкм.

• Пластины ВОК-бО + СТО + покрытие Ti + TiNx. Выполняли действия, указанные в предыдущем пункте, и затем на этой же установке по типовой инструкции наносили слой покрытия из нитрида титана. Толщину слоя титана выдерживали в пределах О,5-2,О мкм, толщину слоя нитрида титана — не более 3,О мкм.

• Пластины ВОК-бО + СТО + покрытие Zr. Выполняли действия, указанные во втором пункте, и затем на этой же установке наносили слой покрытия из циркония. Толщину слоя циркония выдерживали в пределах 2,О-5,О мкм.

• Пластины ВОК-бО + СТО + покрытие Zr + ZrNx. Выполняли действия, указанные в предыдущем пункте, и затем на этой же установке наносили слой покрытия из нитрида циркония. Толщину слоя циркония выдерживали в пределах О,5-2,О мкм, толщину слоя нитрида циркония — не более 3,О мкм.

• Круглые пластины ВОК-бО + СТО + Zr + + ZrNx. Использовали резец с гнездом под круглую пластину. Выполняли действия, указанные на два пункта выше, и затем на этой же установке наносили слой покрытия из нитрида циркония. Толщину слоя циркония выдерживали в пределах О,5-2,О мкм, толщину слоя нитрида циркония — не более 3,О мкм.

Более подробные сведения о режимах упрочнения инструментальных материалов приведены в работах [2-5]. Необходимо отметить, что имеются другие инструментальные материалы. Они могут конкурировать с ВОК-бО

Таблица 2

Сопоставительные данные для оценки эксплуатационных свойств различных инструментальных материалов

Характеристика точения Площадь поверхности, обработанной за период стойкости инструмента, 2 тыс. мм2

Подача, мм/об Скорость резания, м/мин Период стойкости инструмента, мин Вид разрушения инструмента Мощность резания, кВт

Инструментальный материал ВОК-71+ СТО + покрытие Zr + ZrNx

0,08 195 64,0 Износ - 3020

Сверхтвердый инструментальный материал марки «Томал»

0,08 100 2,2 Скол - -

0,08 195 3,0 Скол - -

0,08 300 1,5 Скол - -

Сверхтвердый инструментальный материал марки «Киборит»

0,08 195 46,0 Скол - 2150

Сверхтвердый инструментальный материал марки «Киборит» + СТО

0,08 195 64,0 Скол - 3020

по периоду стойкости в данных условиях обработки. Примеры применения таких материалов отражены в табл. 2.

• Режущая керамика ВОК-71. Сравнение табл. 1 и данных о ВОК-71 из табл. 2 показывает, что при упрочняющих воздействиях (термообработке и нанесении покрытия [6]) режущая керамика ВОК-71 обеспечивает работоспособность, превышающую работоспособность ВОК-60. Технологические особенности упрочнения ВОК-71 состоят лишь в том, что в нагретом состоянии пластины выдерживали 20-40 мин, затем в камеру вводили азот до давления 0,5 • 10-9 МПа, выдерживали еще 10-30 мин и охлаждали вместе с камерой.

• Сверхтвердый инструментальный материал марки «Томал». Данный инструментальный материал оказался неконкурентным. Его разрушение происходит только сколом, варьирование режима резания заметных результатов не дало.

• Сверхтвердый инструментальный материал марки «Киборит». Данный инструментальный материал оказался эффективным как в состоянии поставки, так и в состоянии упрочняющей термообработки.

Выводы

Рекомендации по выбору инструмента для указанных условий обработки ограничены. Типовые инструментальные материалы не ре-

комендуются. Разработанные технологические процессы упрочнения режущей керамики позволили увеличить ее период стойкости до 39-58 мин. Хорошую работоспособность (46 мин) показал сверхтвердый инструментальный материал «Киборит», особенно после упрочняющей вакуумной термообработки.

Литература

1. Промптов А. И., Лившиц О. П., Замащиков Ю. И.

и др. Рекомендации по выбору режимов резания финишных операций точения, растачивания, торцевого фрезерования инструментом, оснащенным твердым сплавом, керамикой и композитом: Учеб. пос. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2000. 104 с.

2. А. с. № 1520890 СССР. Способ изготовления инструмента из оксидно-карбидной керамики / Ю. Г. Кабал-дин, Б. Я. Мокрицкий, А. А. Андреев и др. Опубл. 10.04.2010. Бюл. № 10.

3. А. с. № 1639087 СССР. Способ изготовления инструмента из режущей керамики / Ю. Г. Кабалдин, Б. Я. Мокрицкий, А. С. Верещака и др. Опубл. 10.04.2010. Бюл. № 10.

4. А. с. № 1759035 СССР. Способ изготовления режущего инструмента из керамики / Б. Я. Мокрицкий, Ю. Г. Кабалдин, В. Н. Медакин и др. Опубл. 27.01.2010. Бюл. № 3.

5. А. с. № 1766095 СССР. Способ изготовления режущего инструмента из режущей керамики / Б. Я. Мо-крицкий, В. Н. Медакин, Н. И. Южакови др. Опубл. 27.01.2010. Бюл. № 3.

6. А. с. № 1616056 СССР. Способ изготовления режущего инструмента / Б. Я. Мокрицкий, Ю. Г. Кабалдин, О. Б. Ковалев и др. Опубл. 27.01.2010. Бюл. № 3.