CC BY
2Транспортное машиностроение. 2023. № 7(19). С. 26-39. ISSN 2782-5957 (print) Transport Engineering. 2023. no. 7(19). P. 26-39. ISSN 2782-5957 (print)
Научная статья
Статья в открытом доступе
УДК 621.9: 621.91.01
doi: 10.30987/2782-5957-2023-7-26-39
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБРАБОТКИ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ
Борис Яковлевич Мокрицкийш, Павел Алексеевич Саблин2, Александр Витальевич Космынин3, Владимир Владимирович Григорьев4
^ЗАКомсомольский-на-Амуре государственный университет, Россия
1 boris@knastu.ru
2 avkosm@knastu.ru
3 ikpmto@knastu.ru
4 ikpmto@knastu.ru
Аннотация
Рассмотрены методология и результаты применения новых разработанных покрытий на твёрдом сплаве ВК8 для токарной обработки кор-розионностойких сталей марок 12Х18Н10Т, 13Х15Н5 АМ-3, 09Х17Н7Ю.
Цель работы: повысить период стойкости токарных резцов при нанесении покрытий.
Результаты исследования: разработаны покрытия для твёрдого сплава марки ВК8, повышающие период стойкости резцов в 3 раза.
Вывод: наиболее простым и доступным решением по повышению периода стойкости инстру-
Финансирование: работа выполнена при поддержке https://rscf.ru/project/23-29-00393/.
мента при точении стали 09Х17Н7Ю является нанесение покрытий посредством конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ).
Новизна работы: сформирован новый подход к повышению периода стойкости металлорежущего твёрдосплавного инструмента, основанный на моделировании процесса резания в программной среде deform.
Ключевые слова: прогнозирование, период, стойкость, инструмент, имитационное моделирование.
гранта Российского научного фонда № 23-29-00393,
Ссылка для цитирования:
Мокрицкий Б.Я. Совершенствование обработки коррозионностойких нержавеющих сталей /Б.Я. Мокрицкий, П.А. Саблин, А.В. Космынин, В.В. Григорьев // Транспортное машиностроение. - 2023. - № 07. - С. 26-39. йо1: 10.30987/2782-5957-2023-7-26-39.
Original article Open Access Article
IMPROVEMENT OF MACHINING CORROSION-RESISTANT STAINLESS STEELS
Boris Yakovlevich Mokritsky10, Pavel Alekseevich Sablin2, Aleksandr Vitalievich Kosmynin3, Vladimir Vladimirovich Grigoriev4
1,2,3,4 Komsomolsk-on-Amur State University, Russia
1 boris@knastu.ru
2 avkosm@knastu.ru
3 ikpmto@knastu.ru
4 ikpmto@knastu.ru
Abstract
The methodology and results of applying the newly developed coatings on BK8 hard alloy for turning corrosion-resistant steels of the following grades
26
12Х18Н10Т, sidered.
13Х15Н5 АМ-3, 09Х17Н7Ю are con-
© Мокрицкий Б. Я., Саблин П. А., Космынин А. В., Григорьев В. В.,2023
The paper objective to is increase the durability of turning tools when applying coatings.
Research results: coatings are developed for BK8 hard alloy, which increase the durability of cutters by 3 times.
Conclusion: the simplest and most available solution to increase the tool life when turning
09X17H7ro steel is the application of coatings by condensation with ion bombardment (CIB).
The novelty of the work: a new approach is applied to increase the durability of a metal-cutting carbide tool, based on modeling the cutting process in deform software environment.
Keywords: forecasting, period, durability, tool, simulation modeling.
Funding: the work is carried out with the support of the grant of the Russian Science Foundation No. 23-29-00393, https://rscf.ru/project/23-29-00393/.
Reference for citing:
Mokritsky BYa, Sablin PA, Kosmynin AV, Grigoryev VV. Improvement of machining corrosion-resistant stainless steels. Transport Engineering. 2023; 7: 26-39. doi: 10.30987/2782-5957-2023-7-26-39.
Введение
Большинство отраслей промышленности вынуждены переходить к применению нержавеющих коррозионностойких сталей взамен типовых конструкционных. Это связано с необходимостью нейтрализации агрессивного воздействия окружающей среды и спецификой эксплуатации изделий. Но любая нержавеющая сталь сложна в механической обработке из-за повышенного содержания хрома и никеля. Одним из примеров является сталь марки 09Х17Н7Ю. Она была разработана для нужд судостроения и сегодня применяется в химической отрасли, авиации, космических аппаратах, пищевой промышленности и т.д.
В производственной практике известно, что экономические затраты на изготовление инструмента в структуре себестоимости изготавливаемых изделий составляют более 10%. В связи с высокими затратами и проблемами совершенствования инструментальных материалов стано-
Методология исследования
Исследования выполнены путем предварительного имитационного моделирования покрытий для инструментального твёрдого сплава ВК8 в программной среде deform, выбора наиболее рациональных покрытий, изготовления режущих сменных пластин с такими покрытиями, экспериментальной проверки результатов моделирования в процессе реальной токарной обработки указанных сталей. Оценку спроектированных и изготовленных инструментов реализовывали по периоду
вится актуальным проведение исследования с целью повышения периода стойкости токарных режущих пластин.
В статье приведены результаты совершенствования металлорежущего инструмента для 09Х17Н7Ю и аналогичных 12Х18Н10Т, 13Х15Н5 АМ-3 сталей. Совершенствование реализовано путём разработки специализированных покрытий для инструментального твёрдого сплава отечественного производства марки ВК8 для типовых сменных режущих пластин токарных резцов.
Этот путь выбран как наиболее простой и позволяющий исключить импортную зависимость. В том числе потому, что рекомендации зарубежных инструментальных фирм ориентированы на их марки твёрдого сплава. Апробация этих рекомендаций показала, что они несостоятельны, отказ инструмента происходит на первых же минутах резания.
стойкости до величины износа (0, 5 мм) по задней границе режущих пластин.
Дополнительно выполнена оценка состояния технологической системы резания «станок-приспособление-инструмент-деталь» (СПИД) по параметрам акустической эмиссии, излучаемой в процессе резания.
При имитационном прогнозировании режущий клин принимали как твердое тело, которое отвечает форме и геометрии стандартной вставной твёрдосплавной пластины.
Методология исследования построена на результатах анализа существующей проблемы и на выдвинутой гипотезе.
Сущность проблемы заключается в необходимости повышения периода стойкости режущего инструмента при обработке изделий габаритных изделий (например, валопроводов длиной 6...20 метров, диаметром 600... 800 мм).
Решение проблемы достигается проработкой ряда вопросов:
1. Возможно ли повышение периода стойкости до необходимого уровня для указанных сталей при нанесении покрытий на твердосплавную основу?
2. Как под определённые условия
Fig. 1.
Обсуждение полученных результатов
Рассмотрены результаты применения покрытий при точении трёх разных нержавеющих сталей. Стали марок 13Х15Н5 и АМ-3 приняты к анализу как базовые. В сравнении с ней рассмотрено точение труднообрабатываемых сталей марок 09Х17Н7Ю и 12Х18Н10Т.
Установлено, что изменение скорости резания точения нержавеющей стали 09Х17Н7Ю с 50 м/мин на 60 м/мин и глубины резания с 1 мм на 2 мм инструмент, являвшийся более рациональным в первом случае, оказывался не рациональным во
эксплуатации выполнять проектирование инструментальных материалов?
3. Какими критериями руководствоваться при отборе инструментальных материалов?
Сформированная гипотеза звучит так: при обработке изделий из труднообрабатываемых нержавеющих сталей повышение периода стойкости инструмента может быть достигнуто за счёт нанесения покрытий на рабочую часть режущего инструмента.
Известно [1] о зависимости параметров резания на кристаллохимических и физико-механических характеристик поверхностного слоя инструмента (рис. 1).
втором случае. В этой связи стало нужным использование имитационного прогнозирования для определения рациональности использования того или другого инструмента и оптимизации параметров режима резания, а также проектирования новых инструментальных материалов для новых условий эксплуатации инструмента.
Создано более 30-ти покрытий для твердого сплава отечественного производства марки ВК8. В связи с ограниченными техническими возможностями нанесения покрытий из 30 покрытий выбрано 20.
Рис. 1. Результат, достигаемый использованием всевозможных технологий нанесения покрытий и модификации рабочих плоскостей режущих инструментов [1]
The result achieved by using various coating technologies and modification of the working planes of cutting tools [1]
Наиболее рациональными из них выбрано 10 покрытий.
Для определения сил резания при применении вышеуказанных покрытий разработан стенд на базе токарно-винторезного станка 16К25 с заменой резцедержателя на динамометр STD 201-02, запись составляющих силы резания выполнялась на ПЭВМ. Токарную обработку выполняли на образцах длиной 600-800 мм, диаметром 300 мм. Величина износа оценивалась с использованием мультисен-сорного измерительного центра MicroVu-
Sol 161. По результатам экспериментальных исследований строили графики зависимости «величина износа - время работы», описывали полученные данные математическими уравнениями. Дополнительно выполняли оценку качества получаемой поверхности с использованием прибора контроля шероховатости TR200 в комплексе со стойкой TA-620.
Общая схема разработки предлагаемого инструмента представлена на рис. 2.
Рис. 2. Принятая схема разработки инструмента: 1 - механические характеристики обрабатываемого материала (предел прочности, модуль упругости и др.); 2 - характеристики режущего инструмента (материал субстрата, геометрия режущей части); 3 - технологические ограничения (по температуре, скорости резания, подаче); 4 -расчет параметров, характеризующих напряженное состояние инструмента (бх, бу, тху); 5 - архитектурные ограничения покрытия (тип покрытия, способ осаждения и т.п.); 6 - разработка вариантов покрытий; 7 - подбор вариантов покрытий; 8 - технологический потенциал осаждения покрытий; 9 - установление затрат на осаждение покрытий; 10 - физические ограничения (температура, усилия и т.; 11 - оценка итогов созданного инструмента; 12 - анализ ожидаемых результатов разрабатываемого инструмента (износа, температуры в зоне резания); 13 - формирование выборки возможных вариантов покрытий; 14 - формирование системы ограничений числа вариантов проектируемого инструмента; 15 - изъятие или объединение совпадающих результатов созданного инструмента; 16 - выделение рациональных конструктивных решений инструментов; 17 - установление области рациональных параметров режима резания; 18 - отбор инструмента по величине износа; 19 - отбор по параметру шероховатости обработанной поверхности; 20 - решение по итогам созданного инструмента; 21 -экспериментальная оценка адекватности результатов, полученных при моделировании; 22 - разработка рекомендаций по токарной обработке нержавеющих сталей Fig. 2. The scheme adopted of tool development: 1 - mechanical characteristics of the machined material (breaking point, modulus of elasticity, etc.); 2 - cutting tool characteristics (material of the substrate, geometry of the cutting part); 3 - technological constrains (temperature, cutting speed, feed); 4 - calculation parameters characterizing the stress state of the tool (бх, бу, тху); 5 - architectural constrains of the coating (coating type, deposition method, etc.); 6
- development of coating options; 7 - selection of coating options; 8 - technological potential of coating deposition; 9
- costs of coatings deposition; 10 - physical constrains (temperature, effort, etc.); 11 - evaluation of the developed tool results; 12 - analysis of the expected results of the developed tool (wear, temperature in the cutting zone); 13 - finding a sample ofpossible options for coatings; 14 - finding a system of restrictions on the number of options designed; 15 -removing or combining the matching results of the developed tool; 16 - selection of rational constructive solutions of tools; 17 - finding the range of rational parameters of the operation mode; 18 - selection of the tool by the wear; 19 -selection by the roughness parameter of the machined surface; 20 - decision made on the results of the developed tool; 21 - experimental assessment of the results obtained during modeling; 22 - working out of recommendations for turning stainless steels
Виртуальное имитирование выполнено по алгоритму, изображенному на рис. 3.
Рис. 3. Схема проведения имитационного моделирования: 1 - технические характеристики станка; 2 - физико-технические характеристики и эксплуатационные
особенности материала заготовки; 3 - физико-технические характеристики и эксплуатационные качества материала инструмента; 4 - силовые и температурные характеристики процесса резания; 5 - создание твёрдотельной модели заготовки и инструмента; 6 - разработка их конечно-элементных моделей; 7 - задание краевых условий и перечня требуемых выходных
параметров моделирования; 8 - расчёт образующих усилий резания, температуры, напряжений и деформации инструмента, прогнозирование его работоспособности; 9 - вариационные расчёты указанных параметров;
10 - разработка инструментального материала и расчёт параметров режима резания им под новые и предполагаемые условия эксплуатации; 11 - разработка новых инструментальных материалов; 12 - изображение
итогов прогнозирования в виде диаграмм, покадровых слайдов и т.; 13 - распечатывание и копирование итогов; 14 - создание банка данных Fig. 3. Simulation scheme: 1 - technical characteristics of the machine;
2 - physical and technical characteristics and operational features of the workpiece
material; 3 - physical and technical characteristics and operational qualities of the tool material; 4 - power and temperature characteristics of the cutting operation; 5 - making of a solid model of the workpiece and tool; 6 - development of their finite element models; 7 - setting of boundary conditions and a list of required output parameters of modeling; 8 - calculation of the forming cutting forces, temperature, stress and deformation of the tool, forecasting its operability; 9 - various calculations of the specified parameters; 10 - development of tool material
and calculation of the cutting mode parameters for new and expected operating conditions; 11 - development of new tool materials; 12 - making diagrams, frame-by-frame slides, etc of forecasting results; 13 - printing and copying of the results; 14 - making a data bank
Имитацию реализовывали [2] следующим образом. Напряжения в элементарном объёме (элементе) режущей кромки описывали тензором усилия (далее использованы общепризнанные обозначения с их размерностью):
а =
а Т Т
x xy xz
Т а Т
xy y yz
Т Т а
zy
(1)
За характеристику тензора напряжений взят квадратичный инвариант - эффективное напряжение:
а =V 2
(а-*v )2+а-а )2+а-ах )2 + з^+t2z+Т2).
г2
'yz
(2)
Деформация элемента описывается следующими компонентами: £х, £у, £2, Уху, Уу2, и у2х, которые определяются как смещение элемента ^ и, ю в направлении координат х, у, 2 по следующему выражению:
е„ = ■
Sy =
S, =
du dx' du
dy dm
_du ^du _ x dx dy' _dm du
7yz = ~dy '
_du dm
У zx + .
dz dx
(3)
Усилия в покрытии представляли суммой напряжений, появляющихся в процессе механической обработки, тепловых напряжений, появляющихся вследствие неравномерности распределения температуры, остаточных усилий и усилий появляющихся в результате ползучести инструментальной основы [2]:
а = 7 + а + 7 + 7 , (4)
1 1 терм ост п~ \ у
где 01 - напряжения, возникающие в процессе резания, Па; Отерм - термические напряжения, Па; Оост - остаточные напряжения, Па; Оп - напряжения ползучести, Па.
Фактор равновесия инструментальной основы и слоя покрытия описывается следующим образом:
N +N1 = 0, (5)
где N0 - нормальная сила, действующая на инструментальную основу; N1 - нормальная сила, действующая на покрытие.
Последнее уравнение запишем через нормальные напряжения:
a0h0 = 0 (6)
где ho - толщина инструментальной основы; hi - толщина покрытия. Причем ho
>>hi.
Установлено достаточным введение следующих входных параметров: физико-механические характеристики обрабатываемых материалов и архитектура (особенности конструкции, состава, технологии нанесения) покрытий инструмента. Выходными ожидаемыми результатами считали температуру в районе резания, напряжения в инструментальном материале, износ инструмента. Переход от этих параметров к прогнозному проектированию архитектуры покрытий реализовыва-ли путём измерения силы резания при натурном резании. Значения составляющих силы резания использовали для расчёта напряжений в инструментальном материале по зависимости профессора Петру-шина С.И. [3].
На рис. 4 приведены измеренные значения силы резания при токарной обработке нержавеющих сталей, которые рассматриваются в исследовании.
Установлено, что минимальные значения силы резания характеры для продольной составляющей. Радиальная и вертикальная составляющие силы соизмеримы между собой.
На рис. 5 иллюстрировано изменение величин напряжений в инструментальном материале в зависимости от применяемого покрытия (варианты 1-10) в сравнении с твёрдым сплавом ВК8 без покрытия (вариант 11) при точении стали 09Х17Н7Ю.
zx
z
1
Рис. 4. Значения величин составляющих силы резания при точении разных обрабатываемых материалов
Fig. 4. Values of cutting force components when turning different machined materials
40 662 666 669 676
811
823 833 867 911
1002
10 11
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Рис. 5. Результаты моделирования эквивалентных величин напряжений (в МПа) для различных инструментальных материалов (токарная обработка стали 09Х17Н7Ю, скорость резания 5 м/мин, подача 0,21 мм/об., глубина резания 1 мм) Fig. 5. Simulation results of equivalent stress values (in MPa) for various tool materials (turning of 09Х17Н7Ю steel, cutting speed 5 m/min, feed 0.21 mm/r, cutting depth 1 mm)
Расшифровка вариантов 1-10 покрытий дана далее. Анализ рисунка позволяет прогнозировать величины износа разных инструментов и, соответственно, выбирать наиболее рациональные из них.
Прогнозирование работоспособности для точения разных нержавеющих сталей показано на рис. 6.
Рис. 6 показывает, что применение покрытия Т + TiN + (^А!^ увеличивает
период стойкости до 150 минут нержавеющей стали при точении 13Х15Н5 АМ-3, при точении нержавеющей стали 12Х18Н10Т - до 140 минут.
На рис. 7 приведены результаты прогнозирования посредством имитационного моделирования периода стойкости.
12Х18Н10Т
б)
Рис. 6. а - величина износа инструмента ВК8; б - BK8+Ti+TiN+(TiAl)N
Fig. 6. a - Wear value ofBK8 tool; b - ВК8+Ti+TiN+ (TiAl)N
Рис. 7. Период стойкости спроектированных инструментов (а - в минутах; б - в разах) при токарной обработке стали марки 09Х17Н7Ю (глубина резания 1 мм, подача 0,21 мм/об. и скорости резания 50 м/мин) Fig. 7. Durability period of the designed tools (a - in minutes; b - in times) when turning 09Х17Н7Ю steel (cutting
depth 1 mm, feed 0.21 mm / r and cutting speed 50 m/min)
Из рисунка следует:
1. Применение покрытий позволяет повысить период стойкости инструмента в 3 раза в сравнении с инструментом без покрытия.
2. Сформулированная выше гипотеза подтверждена.
3. Наиболее рациональны многослойные покрытия. Из них наиболее рациональны те, которые содержат алмазопо-добный слой Al2Oз.
Результаты оценки качества обработанной поверхности по параметрам шероховатости представлены на рис. 8.
1,5
L -I----------
123456789 10
Архитектура покрытия
Рис. 8. Влияние архитектуры покрытия инструмента на шероховатость обработанной поверхности стали 09Х17Н7Ю (В1 - значение параметра шероховатости для инструментального материала ВК8; В2 - для инструментальных материалов, обозначенных цифрами 1-10)
Fig. 8. Influence of the tool coating architecture on the roughness of the treated surface of 09Х17Н7Ю steel (В1 - roughness parameter for ВК8 tool material; B2 - for instrumental materials indicated by numbers 1-10)
1 - ВК8+TiCN(5мкм) + (TiA^^m) + АШ3(5мкм) + ПС(5мкм); 2 - ВК8+Аl2Oз(2мкм) +
(П^^мкм) + (TiA^^™) + т(3мкм); 3 - ВК8 + (TiAL)N(3мкм) + Al2Oз(3мкм) + (TiA^^™) + Al2Oз(3мкм); 4 - ВК8 + ^(3мкм) + TiC^m) + ^(3мкм) + TiC^™); 5 - ВК8+TiC(3мкм) + т(3мкм) + (П^^мкм); 6 - ВК8 + TiCN^™) + TiC^m) + т(1,5мкм); 7 - ВК8 + TiC(1,5 мкм) + т(3мкм); 8 - ВК8 + т(2мкм) + TiC^™); 9 - ВК8 + TiCN^^™) + ^(1мкм); 10 - ВК8 + ^(0,5мкм) + TiC^m)
Установлено, что для спроектированных инструментов отношение показателей В1/В2 всегда более единицы и достигает 1,46, соответственно, величина шероховатости уменьшились на 46%. При этом отношение В1/В2 для сталей 12Х18Н10Т и 13Х15Н5 АМ3 обладает большими значениями.
Наиболее удовлетворительны по соотношению В1/В2 для всех рассматриваемых нержавеющих сталей являются инструменты ВК8+TiCN(5мкм) + (Пл1^(змкм) + АШ3(5мкм) + ^с(5мкм) и ВК8+АШ3(2мкм) + (Л^^мкм) + (Пл1^(змкм) + TiN(3мкм)
Установлено, что доля сливной стружки при резании спроектированными инструментами снижена существенно.
Примеры влияния покрытий на образующуюся стружку представлены на рис. 9.
в) г)
Рис. 9. Общий вид стружек, сформировавшихся при использовании инструмента с разными покрытиями: а - TîCN(5mkm) + (TîA1)N(3mkm) + A12O3(5mkm) + TîC(5mkm); б - ВК8 + TîCN(2mkm) + TîC(3mkm) + Tn(i,5mkm); в - ВК8 без покрытия; с - при точении пластинами, изготовленными корейской фирмой Karloy Inc Fig. 9. General view of chips formed when using a tool with different coatings: a - TiCN(5 microns) + (TiAl)N(3 microns) + Al2O3(5 microns) + TiC(5 microns); b - ВК8 + TiCN(2 microns) + TiC(3 microns) + TiN(1.5 microns); b - ВК8 uncoated; c - when turning with plates made by Karloy Inc (Korean company)
Для испытанных пяти пластин компании ^г^у ^ разброс периода стойкости составлял от 20 минут до 60 минут. В пределах одной пластины все четыре режущих кромки показывали разброс от 20 минут до 40 минут. Самая лучшая пластина на одной из кромок показала период стойкости 65 минут. Это хуже, чем применение созданных нами покрытий.
Ниже приведены отдельные результаты материаловедческих исследований разработанных инструментов. Использован электронный микроскоп модели VEGA3 TESGAN с соответствующими приставками. Пример полученных резуль-
татов показан на рис. 10. Приведённые на нём обозначения здесь не расшифрованы, они специфичны и используются в электронной микроскопии.
Анализ полученной металлографической информации позволяет проверить архитектуру покрытий (количество слоёв, состав и структуру каждого из слоёв) инструмента. Она служит основой для последующей корректировки архитектуры покрытий при оптимизации инструмента под конкретные условия эксплуатации.
Пример металлографической информации другого инструмента показан на рис. 11.
Элемент Вес. % Сигма Вес.% Атом.%
С 31.17 0.36 72.15
Ti 39.09 0.32 22.68
Fe 0.32 0.09 0.16
Co 1.74 0.12 0.82
W 27.68 0.46 4.19
Сумма 100 100
Элемент Вес. % Сигма Вес.% Атом.%
С 19.59 0,46 72.13
О 1.57 0.18 4.34
Co 8.94 0.15 6.71
W 69.90 0,46 16.82
Сумма 100 100
б)
в)
г)
Элемент Вес. % Сигма Вес.% Атом. %
С 16.39 0,35 38.79
О 9.96 0.51 17.70
Ti 71.91 0.50 42.76
Co 1.74 0.09 0.84
Сумма 100 100
д)
е)
Рис. 10. Пример металлографической информации об исследуемом инструментальном материале с многослойным покрытием: а - фото поперечного шлифа материала; б - содержание химических элементов в твёр-досплавной основе инструмента; в - табличное содержание химических элементов в нижнем слое покрытия; г - графическая иллюстрация содержания химических элементов в нижнем слое покрытия; д - табличное содержание химических элементов во втором снизу слое покрытия; е - графическая иллюстрация содержания химических элементов во втором снизу слое покрытия Fig. 10. Example of metallographic information about the tool material under study with a multilayer coating: a -photo of the transverse section of the material; b - content of chemical elements in the carbide base of the tool; c -
tabular content of chemical elements in the lower layer of the coating; d - graphic illustration of the content of chemical elements in the lower layer of the coating; e - tabular content of chemical elements in the second bottom layer of the coating; e - graphic illustration of the content of chemical elements in the second bottom layer of the
coating
Анализ этого рисунка показывает, что в соседствующих участках (точка «Спектр 10» и точка «Спектр 11) покрытия содержание химических элементов могут отличаться, например отличие в элементах А1, Т^ N значительно. Это связано с нестационарностью процессов, протекающих при осаждении покрытий. Для примера, приведённого на рис. 10, такая нестационарность значительно меньше (использовано осаждение покрытия методом конденсации с ионной бомбардировкой КИБ), чем для примера, приведённого на рис. 11 (использовано осаждение покрытия газофазным методом).
Общеизвестно применение метода акустической эмиссии для оценки состояния технологической системы резания СПИД. Особенность данной работы состоит в разработке критериев для оценки состояния СПИД. Регистрацию 6 параметров акустической эмиссии выполняли с использованием прибора «Малахит 15А/12». Точили сталь 09Х17Н7Ю квадратными сменными пластинами при скорости резания Урез =50 м/мин, подаче 0,21 мм/об., глубине резания 1 мм. Упрощённый пример использования акустической эмиссии изображен на рис. 12.
Рис. 11. Пример металлографической информации об исследуемом инструментальном материале с покрытием: а - фото поперечного шлифа материала (слева - субстрат, надписи «Спектр 10» и «Спектр 11» указывают места с покрытии, в которых проведено исследование химического состава слоя покрытия); б - графическая иллюстрация содержания химических элементов в точке, обозначенной выше «Спектр 10»; в - графическая иллюстрация содержания химических элементов в точке, обозначенной выше «Спектр 11» Fig. 11. An example of metallographic information about the tool material under study with a coating: a - a photo of the transverse section of the material (on the left - the substrate, the inscriptions "Spectrum 10" and "Spectrum 11" indicate the places with the coating in which the chemical composition of the coating layer was studied); b - a graphic illustration of the content of chemical elements at the point, indicated above "Spectrum 10"; c - graphic illustration of the content of chemical elements at the point indicated above "Spectrum 11"
На рис. 12 произвольно выберем две реперные точки по времени (например, ti = 15 секунд, t2 =55 секунд) регистрации числа Ch сигналов. Линия 1 иллюстрирует запись числа сигналов от базового датчика. Она наклонена к горизонтали под некоторым углом ф1. Линия 2 иллюстрирует запись от основного датчика. Линия 2 наклонена к горизонтали под углом ф2. По положению этой линии можно судить о рациональности используемого инструмента. Например, фиксируя количество сигналов 1220 в момент времени t2 =55 секунд (или 280 сигналов в момент времени ti) для разных инструментов можно полагать, что чем меньше это число сигналов, тем это благоприятнее с позиций акусти-
ческой эмиссии системы резания. Для исключения помех и наводок от СПИД более рационально использовать разницу сигналов, характерных линиям 2 и 1. То есть разница 1220 - 100 = 1120 более рациональна в силу того, что в этом случае отсекаются помехи. Следовательно, разница в углах наклона линий 1 и 2 символизирует разницу в числе сигналов, регистрируемых датчиками. Это различие в момент времени ti обозначим Ati., в момент времени t2 обозначим At2. Из значений на оси Ch сигналов определим их величины:
Ati = 100 - 48 = 52 сигнала; Afe = 1220
- 280 = 940 сигналов.
По ним определим разницу Ai - 2 = t2
- ti = 940 - 52 = 888 сигналов. Условно
назовём это число приростом числа акустических сигналов за время (от Ь до t2) между выбранными реперными точками.
Значения искомых параметров сведены в таблицу для некоторых инструментов.
Рис. 12. Схема для определения параметра «счёт числа сигналов»
Fig. 12. The scheme for determining the parameter "counting the number of signals"
Таблица
Значения параметров сигналов акустической эмиссии
Table
Values of acoustic emission signal parameters
Параметр Режущий инструмент
BKS + Ti+ (Ti)CN+ Ti+(TiAl)N+(NbZrTiAl)N+ Ti BKS + (TiAL)N +Al2O3 + (TiAl)N + Al2O3 BKS+TiCN + (TiAl)N + Al2O3 + TiC BKS
1 2 3 4
At1 40 - 10 = 30 110 - 5 = 105 525 - 10 = 515 100 - 4S = 52
A t2 120 - 15 = 105 400 - 20 = 3S0 1570 - 200= 1370 1220 - 2S0 = 940
A 1 - 2 105 - 30 =75 3S0 - 105 = 275 1370 - 515 = S75 940 - 52 = SSS
Из таблицы следует, что максимальный прирост Ai-2 сигналов акустической эмиссии зарегистрирован при резании сплавом ВК8, минимальный - при резании разработанным инструментом ВК8 + Ti + (Ti)CN + Ti+(TiAl)N + (NbZrTiAl)N + Ti.
По результатам исследования установлен факт влияния инструмента на параметры акустической эмиссии. В свою
Заключение
В статье приведены результаты исследования периода стойкости металлорежущего инструмента при новых разработанных покрытиях на твёрдосплавном субстрате ВК8 при точении коррозионно-стойких нержавеющих сталей марок
очередь установлена возможность применения акустической эмиссии для установления наиболее рациональных инструментов с обеспечением диагностики динамического состояния технологической системы резания СПИД, которая позволяет поддерживать на требуемом уровне динамическое состояние с помощью инструмента на основе сплава ВК8.
09Х17Н7Ю, 12Х18Н10Т, 13Х15Н5 АМ-3. Установлена возможность повышения периода стойкости инструмента в 3 раза без снижения качества и производительности обработки.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Григорьев С.Н., Табаков В.П., Волосова М.А. Технологические методы повышения износостойкости контактных площадок режущего инструмента: монография / С.Н. Григорьев, В.П. Табаков, М.А. Волосова. - Старый Оскол: ТНТ, 2011, - 380 с.
2. Криворучко Д.В. Моделирование процессов резания методом конечных элементов : методо-
REFERENCES
1. Grigoryev SN, Tabakov VP, Volosova MA. Technological methods of increasing the wear resistance of contact pads of cutting tools: monograph. Stary Oskol: TNT; 2011.
2. Krivoruchko DV, Zaloga VA. Modeling of cutting processes by the finite element method: methodo-
Информация об авторах:
Мокрицкий Борис Яковлевич - доктор технических наук, главный научный сотрудник, профессор кафедры «Машиностроение», тел. +79141757562. Саблин Павел Алексеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Машиностроение», тел. 914-176-27-78.
Mokritsky Boris Yakovlevich - Doctor of Technical Sciences, Chief Research Associate, Professor of the Department of Mechanical Engineering; phone: +79141757562.
Sablin Pavel Alekseevich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Mechanical Engineering; phone: 914-176-27-78.
логические основы : монография / Д.В. Криворучко, В.А. Залога; под общ. Ред. В.А. Залоги. -Сумы.: Университетская книга. 2012. - 496 с.
3. Петрушин С.И. Основы формообразования резанием лезвийными инструментами. - Томск: Изд-во ТПУ. 2004. - 204 с.
logical foundations: monograph. Sumy: Universi-tetskaya Kniga; 2012.
3. Petrushin SI. Fundamentals of generation of geometry by cutting with edge tools. Tomsk: TPU Publishing House; 2004.
Космынин Александр Витальевич - доктор технических наук, проректор по науке, тел. +79141793482.
Григорьев Владимир Владимирович - аспирант, тел. 914-183-02-99.
Kosmynin Alexander Vitalievich - Doctor of Technical Sciences, phone: +7914179-3482. Grigoriev Vladimir Vladimirovich - Postgraduatew Student; phone: 914-183-02-99.
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. The authors declare no conflicts of interests.
Статья опубликована в режиме Open Access. Article published in Open Access mode.
Статья поступила в редакцию 13.04.2023; одобрена после рецензирования 16.06.2023; принята к публикации 27.06.2023. Рецензент - Киричек А.В., доктор технических наук, профессор, проректор по перспективному развитию Брянского государственного технического университета, член редсовета журнала «Транспортное машиностроение».
The article was submitted to the editorial office on 13.04.2023; approved after review on 16.06.2023; accepted for publication on 27.06.2023. The reviewer is Kirichek A.V., Doctor of Technical Sciences, Professor, Vice-rector for Long-term Development at Bryansk State Technical University, member of the Editorial Council of the journal Transport Engineering.
