CC BY
0
УДК 621.9: 658.562.42 DOI 10.25960/mo.2020.4.10
Результаты разработки инструментальных материалов для точения коррозионно-стойких сталей
Б. Я. Мокрицкий
Комсомольский-на-Амуре государственный университет», г. Комсомольск-на-Амуре, Россия
Востребованность специализированных коррозионно-стойких сталей возрастает. Это связано с их уникальными эксплуатационными свойствами. В силу физико-механических характеристик этих сталей сложна их токарная обработка.
Необходимо разработать рекомендации по обработке таких сталей применительно к современному высокопроизводительному станочному оборудованию.
В работе приведены результаты проектирования новых инструментальных материалов для обработки этих сталей. Результаты позволили увеличить ресурс инструмента до 3 раз. Это выполнено при комплексном использовании экспериментальных данных и компьютерного имитационного моделирования в программной среде Deform. Выявлены критерии, при помощи которых моделирование осуществимо на требуемом уровне: износ инструмента, температура в зоне резания, напряжения в инструментальном материале и деформация инструментального материала.
Ключевые слова: новые инструментальные материалы, износ инструмента при точении коррозионно-стойких сталей, имитационное моделирование инструментальных материалов.
Введение
Коррозионно-стойкие материалы, способные работать в агрессивных и природных сложных условиях, находят применение в судостроении (специфика морской воды), химической, нефтегазовой и пищевой отраслях. Такие стали относятся к труднообрабатываемым. Расход металлорежущего инструмента при обработке заготовок деталей, выполненных из сталей, значителен. Необходимо его сократить.
Одним из примеров таких сталей является специализированная сталь 09Х17Н7Ю. Разработанные ранее рекомендации по ее обработке не применимы по ряду причин. Рекомендации по зарубежным инструментальным материалам дают ошибочный результат.
В работе рассмотрены результаты разработки инструментальных материалов для высокопроизводительной токарной обработки трех специализированных высоко корро-
зионно-стойких труднообрабатываемых сталей: 09Х17Н7Ю, 12Х18Н10Т, 13Х15Н5 АМ-3.
Предел текучести стали 12Х18Н10Т равен 200 МПа, что почти в 3 раза меньше, чем у стали 09Х17Н7Ю. Предел прочности в ГОСТах для этой стали четко не указывается, он имеет значительный разброс, что обусловлено условиями термообработки. В любом случае, предел прочности стали 12Х18Н10Т меньше, чем у стали 09Х17Н7Ю. Сталь 13Х15Н5 АМ-3 тоже труднообрабатываемая, но ее характеристики еще ниже, чем у стали 12Х18Н10Т и тем более у стали 09Х17Н7Ю.
Ниже приведены отдельные результаты по разработке таких рекомендаций.
Обсуждение полученных результатов
Рассмотрены типовые сменные отечественные токарные пластины, имеющие разную геометрию (квадратные, треугольные, пяти-
ЕЦШ№РАБ)ТК|
гранные и т. д.). Частично рассмотрено применение зарубежных пластин.
Далее изложены результаты применительно к квадратным пластинам, выполненным из отечественного твердого сплава ВК8, с нанесенными на них разработанными новыми (10 вариантов) покрытиями.
Подробно результаты изложены в работах [1-4] с учетом работ [5-10].
На рис. 1 приведены отдельные результаты применительно к точению со скоростью резания 50 м/мин, подачей 0,21 мм/об заготовки, глубиной резания 1 мм. Под износостойкостью здесь понимается время работы, по истечении которого пластина получила износ 0,5 мм по задней грани. Под покрытием № 1 указан инструментальный материал ВК8 + + Т1 (до 1 мкм) + Т1К (1 мкм) + (№ЯгТ1ЛЩ (2,5 мкм) [нанесение слоев покрытия методом конденсации ионной бомбардировкой (КИБ) с фильтрацией капельной фазы и при ассистировании ускоренными ионами]; под покрытием № 2 — ВК8 + Т1 (до 1 мкм) + Т1К (1 мкм) + + (Т1Л1)К (2 мкм) + Т1К (0,5 мкм) [нанесение слоев покрытия методом конденсации ионной
12Х18Н10Т
Рис. 1. Номограммы, характеризующие износостойкость отдельных инструментальных материалов при обработке разных коррозионно-стойких сталей: а — точение инструментальным материалом ВК8; б и в — точение инструментальными материалами, имеющими разные покрытия на субстрате ВК8
Fig. 1. Nomograms that characterize the wear resistance of individual tool materials when processing different stainless steels: a — turning with ВК8 tool material; б and в — turning with tool materials that have different coatings on the ВК8 substrate
бомбардировкой (КИБ) с фильтрацией капельной фазы и при ассистировании ускоренными ионами]. Цифрой в скобках указана толщина слоя покрытия.
Из приведенных на рис. 1 результатов видно, что наиболее сложна обработка коррозионно-стойкой стали 09Х17Н7Ю. Предположено, что если для ее обработки удастся разработать эффективные инструментальные материалы, то они могут оказаться эффективными и при обработке сталей 12Х18Н10Т и 13Х15Н5 АМ-3. Значительную часть разработанных инструментальных материалов удалось изготовить и испытать. Дальнейшие исследования доказали, что инструментальные материалы, разработанные для стали 09Х17Н7Ю, рациональны и при обработке других указанных коррозионно-стойких сталей. Уровень их рациональности максимален (до 3 раз) при обработке стали 13Х15Н5 АМ-3.
Результаты получены в том числе при ис-пользовании1 имитационного моделирования
1 В экспериментальных исследованиях и в имитационном моделировании участвовал Э. С. Ситамов. Автор благодарит его за предоставленные результаты.
а)
1500 1000 -500 0
б)
1500 1000 500 0
о)
100
Температура, °С
4 5 6 7 8 9
Напряжение s в инструментальном материале, МПа
10
11
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Деформация инструментального материала, мм/мм
г-М -ч-
ад "TTr w
50
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Рис. 2. Номограммы, иллюстрирующие различие параметров: а — температура инструментального материала; б — напряжение в инструментальном материале; в — деформация инструментального материала
Fig. 2. Nomograms illustrating the difference in parameters: a — temperature of the tool material; б — stress in the tool material; в — the amount of deformation of the tool material
как средства (инструментария) обеспечения возможности многовариантного проектирования свойств инструментального материала. Имитационное (ситуационное) моделирование — это термин, в основе которого лежат понятия «симуляция», «имитация» и «моделирование».
Цель имитационного моделирования — получение приближенных знаний о параметрах объекта без непосредственного измерения значений параметров. Такое моделирование может быть осуществлено при использовании различных программных сред (программ). Наиболее применимы в нашем случае программные среды ANSYS, САЕ-система LS-DYNA, Deform. Нами использованы результаты и методология имитационного моделирования Deform [11—16]. Имитационное компьютерное моделирование выполнено по разным критериям. Основные из них для случая точения стали 09Х17Н7Ю указаны на рис. 2.
На рис. 2 позициями 1-11 представлены следующие инструментальные материалы: 1 — ВК8 + TiCN (5 мкм) + (TiAl)N (3 мкм) + + AI2O3 (5 мкм) + TiC (5 мкм); 2 — ВК8 + + AI2O3 (2 мкм) + (Ti)CN (5 мкм) + (TiAl)N (3 мкм) + TiN (3 мкм); 3 — ВК8 + (TiAL)N (3 мкм) + AI2O3 (3 мкм) + (TiAl)N (3 мкм) + + AI2O3 (3 мкм); 4 — ВК8 + TiN (3 мкм) + + TiC (3 мкм) + TiN (3 мкм) + TiC (3 мкм); 5 — ВК8 + TiC (3 мкм) + TiN (3 мкм) + (TiAl)N (2 мкм); 6 — ВК8 + TiCN (2 мкм) + TiC (3 мкм) + + TiN (1,5 мкм); 7 — ВК8 + TiC (1,5 мкм) + + TiN (3 мкм); 8 — ВК8 + TiN (2 мкм) + TiC (5 мкм); 9 — ВК8 + TiCN (0,5 мкм) + TiN (1 мкм); 10 — ВК8 + TiN (0,5 мкм) + TiC (1 мкм); 11 — ВК8.
Различие в износостойкости инструментальных материалов (см. рис. 1) объясняется различием в параметрах, указанных на рис. 2 (температура и напряжение в инструментальных материалах изменяются почти в 2 раза,
1
2
3
0
б)
« S о
К в
сб ..
м S
к о
о 3
о и
к &
и <в
Si g к
0,6 0,4 0,2
П
( и; !
20
40
60
80
100
t, мин
Рис. 3. Результаты применения режущей пластины фирмы Korlov. Inc.: а — резец с пластиной; б — график зависимости износа Нз от времени t работы инструмента
Fig. 3. Results of using the Korlov. Inc. cutting plate: a — photo of the cutter with the plate; б — graph of the dependence of wear hз on the time t of the tool operation
деформация — в 7 раз). Этому дано объяснение и подтверждение в работах [2-4].
Сравнение износостойкости разработанных новых инструментальных материалов с зарубежными инструментальными материалами не показало преимуществ зарубежных. Даже наоборот. Предлагаемые в проспектах инструментальными фирмами Бап^1к еогошапп, Кеппепше1а11 инструментальные материалы оказались несостоятельными. Рекомендуемые ими режимы резания для указанных нами сталей оказались завышенными по скорости резания. При скорости резания 50-60 м/мин, используемой нами при обработке указанных коррозионно-стойких специализированных труднообрабатываемых сталей, зарубежные пластины тоже не показали превосходства перед разработанными нами, но превосходили значительно (до 8-12 раз) наши пластины по стоимости. Лучшую характеристику, в сравнении с пластинами производства Бап^1к Согошапп, Кеппепше1а11, показали пластины фирмы Ког1оу (рис. 3).
Эти пластины смогли работать при скорости резания 50-60 м/мин без терморазрушения режущего лезвия. Но их износостойкость (90 мин до достижения износа 0,5 мм) не превысила износостойкость большинства разработанных нами инструментальных материалов. Стоимость таких пластин по сравнению с разработанными нами выше в 6-9 раз.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.
1. Применение материала ВК8 в состоянии поставки не решает проблемы обеспечения работоспособности инструмента на уровне, необходимом для высокопроизводительной об-
работки. Его работоспособности недостаточно.
2. Применение разработанных покрытий существенно (в 2 раза и более) повышает работоспособность инструмента.
3. Применение импортных сменных пластин нерационально из-за их высокой стоимости.
Литература
1. Мокрицкий Б. Я., Ситамов Э. С., Серебренникова А. Г. Повышение работоспособности твердосплавного режущего инструмента за счет нанесения покрытий// Вестник ИрГТУ. 2019. Т. 23, № 2. С. 246-251. БО1 Шр://ах.аоьо^/10.21285/1814-3520-2019-2-246-251
2. Ситамов Э. С., Мокрицкий Б. Я., Шакирова О. Г.
Оценка износостойкости твердосплавного инструмента при обработке нержавеющей стали//Ученые записки КнАГУ. 2019. № 3-1 (39). С. 109-112.
3. Ситамов Э. С., Мокрицкий Б. Я. Результаты сравнительного исследования износостойкости твёрдосплав-ного инструмента при обработке нержавеющей стали// Металлообработка. 2018. № 4 (106). С. 7-13.
4. Мокрицкий Б. Я., Ситамов Э. С., Мокрицкая Е. Б. Сравнительное исследование работоспособности твердосплавного режущего инструмента при обработке заготовок деталей, выполненных из нержавеющей стали// Проблемы машиностроения и автоматизации. 2018. № 4. С. 76-79.
5. Васильев Е. В., Попов А. Ю., Бугай И. А. Специальный осевой режущий инструмент для обработки композиционных материалов// СТИН. 2015. № 4. С. 9.
6. Верещагин В. Ю., Мокрицкий Б. Я., Верещагина А. С. Анализ результатов испытаний составных концевых фрез // Ученые записки КнАГТУ. 2016. № 3 (27). С. 53-56.
7. Верещака А. С., Дачаева А. В., Аникеев А. И.
Повышение работоспособности режущего инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов путем комплексного применения наноструктурированного износостойкого покрытия и твердого сплава оптимального
0
состава // Известия МГТУ «МАМИ». 2010. № 1 (9). С.99-106.
8. Григорьев С. Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента: учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2011. 368 с.
9. Евдокимов Д. Е., Скуратов Д. Л., Федоров Д. Г. Влияние износа режущего инструмента на плотность распределения тепловых потоков при концевом фрезеровании титанового сплава ОТ4// СТИН. 2015. № 9. С. 26-30.
10. Елкин М. С. Исследование влияния износостойких покрытий режущего инструмента на параметры качества обработанной поверхности при фрезеровании концевыми фрезами лопаток и моноколес: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.08. Рыбинск, 2015. 205 с.
11. Курочкин А. В. Повышение работоспособности монолитных твердосплавных концевых фрез путем оптимизации архитектуры многослойных нанострукту-рированных износостойких покрытий: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Рыбинск, 2012. С. 16.
12. Табаков В. П., Чихранов А. В. Повышение работоспособности твердосплавного инструмента путем направленного выбора рациональных параметров состава износостойкого покрытия // СТИН. 2016. № 3. С. 14-18.
13. Математическое описание процессов трещино-образования в износостойких покрытиях режущего инструмента / В. П. Табаков, М. Ю. Смирнов, А. В. Цир-кин, А. В. Чихранов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 6. С. 48-51.
14. Colding B. War characteristics of coated carbide // International Cutting Tool Bay Sandviken, Lecture. 1980. N 5. P. 1-15.
15. Dzieyk Bruno. Fortschritte in der Zerspanungstechnik durch mehrlagige Hrtmetallbeschichtung // Technisches Zentralblatt fur praktische Metallbeschichtung. 1994. Vol. 68, N 6, 2, 4. P. 199-202.
16. Horlin H. A. TiC coated cemented carbides — their introduction and impact on metal cutting // Product Engineering. 1971. Vol. 50, N 4, 5. P. 153-159.
References
1. Mokritsky B. Ya., Sitamov E. S., Serebrennikova A. G.
Improving the performance of carbide cutting tools by applying coatings. Vestnik IrGTU. 2019, vol. 23, no 2, pp. 246-251. DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2019-2-246-251. (In Russ.)
2. Sitamov E. S., Mokritsky B. Ya., Shakirova O. G. Assessment of wear resistance of a carbide tool when processing stainless steel. KnAGU. Uchenye zapiski. 2019, no 3-1 (39), pp. 109-112. (In Russ.)
3. Sitamov E. S., Mokritsky B. Ya. Results of a comparative study of the wear resistance of carbide tools in
the processing of stainless steel. Metalloobrabotka. 2018, no 4 (106), pp. 7-13. (In Russ.)
4. Mokritsky B. Ya., Sitamov E. S., Mokritskaya E. B. Comparative study of the performance of a carbide cutting tool When processing blanks of parts made of stainless steel. Problemy mashinostroeniya i avtomatizacii. 2018. no 4, pp. 76-79. (In Russ.)
5. Vasiliev E. V., Popov A. Yu., Bugay I. A. Special axial cutting tool for processing composite materials. STIN. 2015, no 4, pp. 9. (In Russ.)
6. Vereshchagin V. Yu., Mokritsky B. Ya., Vereshchagi-na A. S. Analysis of test results of composite end mills. Uchenye zapiski KnAGU. 2016, no 3 (27), pp. 53-56. (In Russ.)
7. Vereshchaka A. S., Dachaeva A. V., Anikeev A. I. Improving the performance of cutting tools in the processing of difficult-to-process materials through the integrated use of nanostructured wear-resistant coating and hard alloy of optimal composition. Izvestiya MGTU "MAMI". 2010, no 1 (9), pp. 99-106. (In Russ.)
8. Grigoriev S. N. Methods of increasing the resistance of cutting tools: textbook for University students. Moscow: Mashinostroenie, 2011, 368 p. (In Russ.)
9. Evdokimov D. E., Skuratov D. L., Fedorov D. G. Influence of cutting tool wear on the density of heat flow distribution during end milling of titanium alloy OT4 // STIN. 2015, no 9, pp. 26-30. (In Russ.)
10. Elkin M. S. Investigation of the influence of wear-resistant coatings of cutting tools on the quality parameters of the treated surface when milling blades and monowheels with end mills: dis. ... Cand. of Techn. Sciences: 05.02.08. Rybinsk, 2015, 205 p. (In Russ.)
11. Kurochkin A. V. Improving the performance of monolithic carbide end mills by optimizing the architecture of multilayer nanostructured wear-resistant coatings. The author's abstract diss. ... Cand. of Ing. Sciences. Rybinsk, 2012, p. 16. (In Russ.)
12. Tabakov V. P., Chikhranov A. V. Improving the performance of carbide tools by directional selection of rational parameters of the wear-resistant coating composition. STIN. 2016, no 3, pp. 14-18. (In Russ.)
13. Tabakov V. P., Smirnov M. Yu., Tsirkin A. V., Chi-khranov A. V. Mathematical description of crack formation processes in wear-resistant coatings of cutting tools. Uprochnyayushchie tehnologii i pakrytiya. 2007, no 6, pp. 48-51. (In Russ.)
14. Colding B. War characteristics of coated carbide. International Cutting Tool Bay Sandviken, Lecture, 1980, no 5, pp. 1-15.
15. Dzieyk Bruno. Fortschritte in der Zerspanungstechnik durch mehrlagige Hrtmetallbeschichtung. Technisches Zentralblatt fur praktische Metallbeschichtung. 1994, vol. 68, no 6, 2, 4, pp. 199-202.
16. Horlin H. A. TiC coated cemented carbides — their introduction and impact on metal cutting. Product Engineering. 1971, vol. 50, no 4, 5, pp. 153-159.
MEIAlL/pOBRABOTKA
ÜÜUViy
Сведения об авторах
Мокрицкий Борис Яковлевич — доктор технических наук, профессор-консультант Комсомольского-на-Амуре государственного университета, 681013, Хабаровский край, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, д. 27, е-шаП: boris@knastu.ru
Для цитирования: Мокрицкий Б. Я. Результаты разработки инструментальных материалов для точения коррозионно-стойких сталей. Металлообработка, 2020, № 4, с. 10-15. БОГ 10.25960/шо.2020.4.10
UDC 621.9: 658.562.42 DOI 10.25960/mo.2020.4.10
The results of the development of tool materials for turning corrosion resistant steels
B. Ya. Mokritskii
Komsomolsk-on-Amur State University, Komsomolsk-on-Amur, Russia
Demand for specialized corrosion resistant stainless steels is increasing. This is due to their unique performance properties. Due to the physical and mechanical characteristics of these steels, their turning is difficult. It is necessary to develop recommendations for processing such steels in relation to modern high-performance machine tools. The paper presents the results of designing new tool materials for processing these steels. The results allowed to increase the tool resource up to 3 times. This was done using complex experimental data and computer simulation in the Deform software environment. The criteria by which modeling is feasible at a sufficient level are identified. These are "tool wear", "temperature in the cutting zone", "stresses in the tool material" and "tool material deformation".
Keywords: new tool materials, tool wear when turning stainless steels, simulation modeling of tool materials. Information about the authors
Boris Ya. Mokritskij — Doctor of Engineering Sciences, Professor-consultant, Komsomolsk-on-Amur State University, 27, Lenin ave., Komsomolsk-on-Amur, Khabarovsk Krai, 681013, Russia, e-mail: boris@knastu.ru
For citation: Mokritskij B. Ya. The results of the development of tool materials for turning corrosion resistant steels. Metalloobrabotka, 2020, no 4, pp. 10-15. DOI 10.25960/mo.2020.4.10
Обращаем ваше внимание, что издательство «Политехника» проводит проверку всех рукописей, поступивших в редакцию журнала «Металлообработка», в системе «Антиплагиат» в целях выявления необоснованного заимствования.
С уважением, редакция журнала «Металлообработка»
