CC BY
40
РЕЗАНИЕ МА ТЕРИАЛОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СПЕЦИАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА
УДК 621.9
СВЕРЛО С ЦЕЛЬНОЙ ГОЛОВКОЙ ИЗ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗА ДЛЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ЗАЭВТЕКТОИДНОГО СИЛУМИНА
В.П. Астахов
Представлены результаты разработки и испытания конструкции высокопроизводительного сверла с цельной головкой из поликристаллического алмаза (PCD), предназначенного для сверления высококремниевых заэвтектоидных силуминов. Подробно рассмотрены разработка конструкции сверла и основные этапы технологии его изготовления, включая процессы и оборудование. Испытания разработанного сверла показали, что его применение ведет к увеличению стойкости инструмента, уменьшению осевой силы сверления и улучшению качества обработанных отверстий при значительном экономическом эффекте как за счет повышения стойкости, так и за счет значительного увеличения производительности сверления.
Ключевые слова: сверление, поликристаллический алмаз (PCD), высококремниевые силумины, производство сверл.
Введение. Исследования и опросы в металлообрабатывающей промышленности показывают, что обработка отверстий (сверление, развертывание, растачивание) является самой трудоемкой операцией металлообработки в современном производстве, так как 36 % машинного времени (40 % при обработке на станках с ЧПУ) затрачивается на обработку отверстий, в то время как на операции токарной обработки - 35 % и фрезерные операции - 25 %. При этом 40 % общего объема стружки производится при обработке отверстий [1]. Учитывая эти факты, новых высокопроизводительных инструментов для обработки отверстий является важной задачей.
К сожалению, многие инструменты для обработки отверстий, в частности конструкции сверл, далеко не оптимальны даже в наиболее продвинутых отраслях промышленности, например таких, как автомобильная промышленность. По мнению автора, основными причинами являются ес-
тественное отставание в понимании и, следовательно, в принятии того, что привнесли новые технологии и современные станки в структуру автоматизированного производства. Главным для такого понимания является то, что впервые в истории металлообработки машинное время стало лимитирующим фактором в цикле обработки, которое также включает загрузку/разгрузку деталей, смену инструмента и т.д. Учитывая, что практическое применение высокоскоростных (с частотой вращения до п=40 000 мин-1) автоматизированных станков (производственных ячеек и автоматических линий) с жесткими мотор-шпинделями, оснащённым БЗК-хвостовиками, с интеллектуальными системами управления с полным контролем состояния инструмента (например, силы резания, крутящий момент, уровень вибраций и т.д.), жесткими высокоточными термоусадочными и гидравлическими патронами, подачей СОЖ высокого давления через инструменты и многое-многое другое произошло в относительно короткий промежуток времени (последние 5-7 лет), это получило название «тихой» 4-й Индустриальной революции. К сожалению, для многих как исследователей процессов резания и инструмента, так и фирм-изготовителей инструмента этот факт остался незамеченным.
Целью разработки сверл в новых условиях производства является повышение производительности обработки при одновременном увеличении стойкости инструмента, так как:
1) операционные расходы на эксплуатацию современного обрабатывающего центра составляют приблизительно $2/мин (нижний показатель, используемый при расчётах эффективности обработки в промышленности); для 2200 рабочих часов в год, $2/мин означает операционные расходы $264 000 в год только для одного обрабатывающего центра. Даже если принять, что реальное машинное время составляет 80 % (учитывая время загрузки/выгрузки деталей, смену инструмента и т.д.), увеличение производительности сверла на 50 % позволяет сэкономить $105 600 на один обрабатывающий центр;
2) увеличение стойкости и надежности сверла позволяет существенно сократить время вынужденного простоя на замену инструмента. Еще недавно это время никто серьезно не рассматривал, так как оно было незначительным в суммарном времени цикла обработки. Сейчас оно становится чуть ли не главным фактором во времени вынужденного простоя [2, 3], особенно когда в рассмотрение включается надежность инструмента (выход из строя до завершения периода стойкости) [4].
Данная работа посвящена разработке новой конструкции высокопроизводительного сверла повышенной стойкости для обработки высококремниевых заэвтектоидных стилуминов - материалов, широко применяемых в массовом производстве в автомобильной промышленности.
Описание проблемы. Заэвтектоидные силумины, содержащие до 20 % кремния, находят широкое применение в современной автомобильной промышленности (например, поршни, втулки цилиндров, ответствен-
ные детали автоматических трансмиссий) благодаря уникальному сочетанию их механических (высокая прочность при повышенных температурах) и физических (высокая износостойкость, малый (близкий к сталям) коэффициент линейного расширения) свойств. Обрабатываемость таких материалов низкая, так как их структура содержит две твердые фазы с противоположными свойствами, а именно относительно мягкий матричный алюминий и твердые частицы кремния. Первая фаза способствует адгезионно-усталостному износу инструмента из-за образования нароста на передних поверхностях. Вторая фаза, свободный кремний, способствует интенсивному абразивному износу инструмента. Результаты этих двух видов износа на твердосплавном сверле показаны на рис. 1. Абразивный износ превалирует на уголках сверла (рис.1, а) где скорость резания (и, следовательно, скорость относительного скольжения) наибольшая, в то время как адгезионный износ превалирует на главной режущей кромке (рис. 1, б).
Рис. 1. Типичные виды износа твердосплавного сверла при обработке силумина 390: а - абразивный износ уголков сверла; б - адгезионно-усталостный износ режущей кромки
В недавнем прошлом проблема износа решалась путем использования относительно небольших скоростей резания и частой сменой инструмента. Как было показано выше, ни то, ни другое неприемлемо в современном автоматизированном производстве, так как не позволяет достичь экономии процесса, заложенной в возможностях системы сверления.
Для решения проблемы были разработаны сверла с напайными пластинами из поликристаллического алмаза (polycrystalline diamond - PCD) по аналогии с конструкциями быстрорежущих сверл, оснащенных напайными твёрдосплавными пластинами, применяемыми в прошлом. В таких сверлах (рис. 2, а) PCD-пластины напаивают на периферийных участках режущих кромок, что позволило решить проблему с повышенным абразивным износом этих участков (см. рис. 1, а) при обработке высококремниевых силуминов. В настоящее время такая конструкция сверл является
основной в автомобильной промышленности практически во всех странах мира. Инструментальные компании Guhring, Mapal, Sumitomo, Ingersoll, Kennametal - ведущие производители такого инструмента.
Проблемы со сверлами, оснащенными напаянными PCD-пластинами, стали провялятся при переходе к высокооборотным шпинделям (с частотой вращения n> 25 000 мин-1), то есть при высоких скоростях резания. Рис. 2, б показывает сущность проблемы, которая заключается в выкрашивании PCD-слоя. Исследования автора показали, что существуют две причины для такого выкрашивания.
а
б
Рис. 2. Сверло с напаянными пластинками (а); типичный результат его применения при высокосортном сверлении силумина SAE390 (б)
Первая и главная заключается в наличии зазора между слоем PCD и боковой стороной гнезда под пластину. Как известно [1], PCD-пластина состоит из двух слоев, а именно твердосплавной подложки-основания и слоя PCD. Это связано с процессом синтеза PCD-слоя. В танталовой капсуле, синтезированный и очищенный PCD-порошок насыпается равномерным слоем сверху твердосплавного диска-подложки и к нему прикладываются высокое давление и температура. Синтез осуществляется путем инфильтрации кобальта из твердого сплава в PCD-порошок. При этом кобальт служит катализатором развития прочных SPS-связей между зернами PCD, которые и обеспечивают высокую твердость этого инструментального материала. При впайке PCD-пластины в гнездо в твердосплавном кор-
6
пусе сверла, слой припоя располагается между твердосплавной подложкой и корпусом, в то время как зазор между корпусом и слоем PCD остается незаполненным, потому что этот слой, не смачивается припоем при пайке в силу свойств PCD. При высоких скоростях резания температура матричного алюминия резко повышается, что приводит к его экструдированию в этот зазор. Экструдированный алюминий, обладающий высокой прочностью из-за его деформационного упрочнения, действует, как клин, что и приводит о выкрашиванию твердосплавного слоя, как показано на рис. 2, б.
Второй важной причиной является то, что при высоких скоростях резания стойкость твердосплавной части сверла оказывается существенно ниже стойкости периферийных PCD-пластин. Кроме того, наросты алюминия на передних поверхностях перемычки и твердосплавных участков главных режущих кромок приводят к радиальным вибрациям, что ухудшает качество обработанных отверстий (точность и шероховатость) и выкрашивает PCD-пластины.
Учитывая вышесказанное, разработка конструкции PCD-сверла для эффективного высокоскоростного сверления заэвтектоидных силуминов и им подобных сплавов является важной задачей.
Разработка конструкции сверла. Главным фактором, сделавшим возможным разработку сверла с цельной PCD-головкой, является разработка и появление на рынке круглых PCD-заготовок с длиной PCD-слоя белее пяти миллиметров. Это стало возможным благодаря новым технологиям/методам синтеза PCD, согласно которым образования SPS-связей осуществляется не только инфильтрацией кобальта из твердосплавной подложки, но и в основном за счет порошкового кобальта, смешанного с кристаллами PCD до высокотемпературного синтеза, осуществляемого при сверхвысоких давлениях. В разработанном сверле использована круглая PCD-заготовка с твердосплавной подложкой, производимой опытными сериями компанией Element 6.
На первом этапе была разработана технология производства сверл новой конструкции, состоящая из следующих операций:
1. Отделение твердосплавной подложки от PCD-слоя путем электроэрозионной проволочной отрезки.
2. Подготовка твердосплавного корпуса-хвостовика сверла: отрезка и наружное шлифование в заданный размер.
3. Вакуумная пайка PCD-головки к корпусу сверла. Операция осуществлялась в двухкамерной вакуумной печи с использованием пастообразного припоя-флюса.
4. Предварительная обработка стружечных канавок и задних поверхностей. Эта операция осуществлялась на электроэрозионном проволочном станке Vollmer QWD760H, оснащенном системой ЧПУ и шпинде-
лем с управляемой £-осью для обработки трехмерных «скульптурных» поверхностей на PCD.
5. Чистовая обработка задних поверхностей и стружечных канавок. Осуществлялась на станке MX5 фирмы ANCA. Высокая точность обработки обеспечивалась адаптивной системой управления люнетом вдоль Р-оси. Контроль точности обработки осуществлялся непосредственно на станке встроенной системой iView путем наложения реального (затачиваемого) и dfx образа (задаваемого трехмерным чертежом) контуров инструмента.
6. Контроль качества изготовления. В контексте данного проекта, контроль качества сверла - это процесс определения соответствия качества изготовленного сверла требованиям, определенным его чертежом. Контроль качества осуществлялся на двух уровнях:
• контроль макрогеометрии включал контроль размеров и параметров геометрии сверла (задние и передние углы, размеры и ориентация плоскостей заточки) осуществлялся на измерительной машине ZOLLER «genius 3»;
• контроль микрогеометрии включал измерение параметров режущих кромок сверла (главных, перемычки и вспомогательных на ленточках) на измерительной машине EdgeMasterX (Alicona), оснащенной системой «Бесконечный фокус» (цифровое «сшивание» большого количества параллельных имиджей для получения четкого, в т.ч. трехмерного, изображения исследуемого объекта при большом увеличении, что физически невозможно для оптического микроскопа). При этом измерялись радиусы режущих кромок и оценивалось наличие микродефектов межкристальных SP3 интерфейсных связей между алмазными зернами (на нанометрическом уровне) контактных поверхностей по задним и передним поверхностям. Параллельно на этой же машине измерялась шероховатость (параметры R (a) и R (z)) контактных поверхностей сверла в направлениях схода стружки.
Балансировка сверла в сборе с термоусадочным балансируемым патроном. Силы, возникающие благодаря несбалансированным массам при n=1000 мин-1, возрастают в 100 раз при n=10 000 мин-1 и в 400 раз при n=20 000 мин-1. Поэтому динамическая балансировка моноблочного инструмента является необходимостью. Балансировка проводилась на балансировочной машине TD 2010 Automatic, HAIMER согласно требованиям стандарта ISO 1940-1 (2003) до уровня 2,5G, что составило остаточный дисбаланс 1,19 г- мм.
Второй этап - разработка конструкции и геометрии инструмента. Разработка конструкции и геометрии сверла осуществлялась по методологии, разработанной автором для высокопроизводительных сверл (highpenetration rate (HP) drills©) [1]. Геометрия и конструкция разработанного сверла показана на рис. 3.
Рис. 3. Геометрия и конструкция разработанного сверла
Их основными особенностями являются:
1. Вспомогательные ленточки, расположенные на вершинах затылков - боковых поверхностей стружечных канавок). Это обеспечивает высокую устойчивость сверла при врезании, что позволяет отказаться от уменьшения подачи при врезании, как в случае с твердосплавным сверлом. Высокая устойчивость сверла позволяет свести к минимуму образование заусенцев при выходе сверла.
2. Разделенная конструкция передней поверхности поперечной режущей кромки (split-point design) с нулевым передним углом перемычки. В литературе при описании условия работы поперечной режущей кромки
часто приводится цитата из учебного пособия [5]: «Из-за наличия большого угла резания поперечная кромка не режет, а скоблит и выдавливает материал. Опытами установлено, что около 65 % усилия подачи и 15 % крутящего момента приходится на поперечную режущую кромку». По мнению авторов, это справедливо только тогда, когда сверло спроектировано неверно, результатом чего являются большие (до 80о) отрицательные передние углы поперечного лезвия. Естественно, что при этом поперечная кромка не режет, а выдавливает обрабатываемый материал. Передний угол на обоих участках поперечной режущей кромки в правильно спроектированном сверле должен быть примерно нулевым. Нулевой передний угол поперечной режущей кромки в разработанном сверле позволяет на 50 % снизить усилие подачи, что является существенным фактором в применении HP drills.
3. Две стратегически расположенные переходные поверхности между передней поверхностью поперечной режущей кромки и стружечной канавкой. Это существенно улучшает условия отвода стружки с передней поверхности поперечной режущей кромки в стружечную канавку при обеспечении (используя МКЭ моделирование) условия непересечения потоков стружки с передних поверхностий поперечной и главной режущих кромок.
4. S-образная форма поперечной режущей кромки для устранения острых углов и для плавного перехода участков поперечной режущей кромки в главные режущие кромки. Это обеспечивает высокую устойчивость сверла к скалываниям при наличии твердых включений в заготовке.
5. Система допусков на конструктивные и геометрические элементы сверла впервые примененная на чертеже сверла. Уникальная система допусков на сверло включает допуски на: комбинированное отклонение (угловое и линейное) главных режущих кромок от номинального расположения (lip height variation) в основной плоскости (ISO 3002 - reference plane); комбинированное отклонение (угловое и линейное) главных режущих кромок от номинального расположения (flute spacing) в обобщенной продольной секущей плоскости (ISO 3002 - back plane); отклонение оси сердцевины сверла от оси базы (web symmetry) в обобщенной поперечной секущей плоскости (ISO 3002 - working plane); центральности поперечной режущей кромки (chisel edge centrality) в обобщенной продольной секущей плоскости (ISO 3002 - back plane).
Условия и результаты испытаний. Стойкостные испытания разработанного сверла проводились в производственных условиях по нескольким очевидным причинам. Первой причиной явилось наличие современного многофункционально обрабатывающего центра Comau с контроллером Siemens с визуальным контролем осевой силы и крутящего момента сверления при обработке как одного отверстия, так и динамического изме-
нения этих параметров в течение периода стойкости. Второй причиной явилась высокая стойкость инструмента, измеряемая в десятках тысяч обработанных отверстий. Третьей причиной явилась возможность автоматического контроля диаметра каждого просверленного отверстия непосредственно после завершения его сверления с последующей статистической обработкой результатов измерений.
Разработанное PCD-сверло сравнивалось по различным критериям с твердосплавным сверлом, используемым на операции обработки отверстий в крышке насоса 6 скоростной автоматической трансмиссии. Первым критерием сравнения была стоимость обработки одного отверстия за весь период службы сверла (с учетом числа переточек и их стоимости). Вторым критерием была надёжность сверла, измеряемая числом отказов сверла до достижения статистически установленного периода стойкости.
Так как допуск на диаметр просверленного отверстия составляет 12 мкм, в качестве критерия стойкости сверла было принято уменьшение диаметра просверленного отверстия на 10 мкм, что позволило избежать «желтой» (предупредительной) зоны при измерении отверстий автоматическим калибром. Кроме того, установленная система контроля качества продукции предусматривает полное трехмерное измерение геометрических параметров каждой 200-й обработанной крышки насоса с помощью встроенной в производственную ячейку (6 станков) координатно-измерительной машины Zeiss. Для рассматриваемого отверстия измерялись его шероховатость, форма, прямолинейность оси и позиционное отклонение.
Существующие условия сверления твердосплавным сверлом были следующие: частота вращения шпинделя n=9 000 мин-1 (скорость резания -243 м/мин); подача - 0,3 мм/об (скорость подачи - 2 700 мм/мин); СОЖ -10 % -я эмульсия, давление СОЖ - 5 МПа, фильтрация - 10 микрон, микроволокнистый картридж; статистически установленная стойкость сверла - 1 200 отверстий при надежности 80 % (повышенный износ сверла при высокой ситовидной пористости отливок, выкрашивания и поломки сверла при наличии твердых включений оксида кремния); патрон - термоусадочный патрон, моноблоковая конструкция; преустановка и идентификация -лазерная преустановочная машина ZOLLER «redomatic» с записью базовых размеров и биения на RFID-чип (Balluff), расположенный в патроне сверла.
Условия для разработанного сверла были теже за исключением следующих: частота вращения шпинделя n=24 800 мин-1 (скорость резания -670 м/мин), подача - 0,3 мм/об (скорость подачи - 7 440 мм/мин), давление СОЖ - 9 МПа (давление было увеличено для обеспечения расхода СОЖ, необходимого для надежного удаления стружки при возросшей скорости подачи/объема отводимой стружки). Испытания проводились на пяти сверлах новой конструкции.
Результаты испытаний показали следующее:
1. Среднестатистическая стойкость сверла при 99 % надежности работы составила 20 тыс. отверстий.
2. Износ сверла по задней поверхности (VBB) в конце периода стойкости составляет 0,1 мм, то есть режущая кромка остается функционально острой. Это, в сочетании с высокой устойчивостью за счет дополнительных ленточек, позволяет практически избежать заусенцев на выходе сверла из отверстия.
3. Не наблюдались повышенный износ и выкрашивания сверла даже при высокой ситовидной пористости отливок и наличия твердых включений.
4. Шероховатость обработанных отверстий мало изменяется в конце периода стойкости по сравнению со сверлением новым или переточенным сверлом, оставаясь в пределах R (а)=0,6 мкм. Для сравнения, шероховатость обработанных отверстий в конце периода стойкости при обработке твердосплавным сверлом R (а)=2,1 мкм. В такой же пропорции (более трех раз) наблюдалось улучшение формы (круглости), прямолинейности оси и позиционного отклонения обработанных отверстий (рис. 4).
к
I-
о
Cl <D m
03 CL I-<D
03 s
et
<D
X
<D
3 jj
X
<D >
-16
-12
1
Кривая износа PCD сверла
\
Критерий стойкости
0
15 20 25
Число обработанных отверстий (тыс.)
30
Рис. 4. Нормализованная кривая стойкости разработанного сверла
Экономический аспект. Важным вопросом внедрения разработанного сверла является его эффективность, особенно для тех, кто непосредственно занят покупкой сверл (отдела закупок - Purchasing Department). Проблема состоит в том, что стоимость нового твердосплавного сверла составляет $280 при среднестатистических 6 переточках (стоимость одной
переточки/восстановления $140, т.е. 50 % от начальной стоимости свела, что является «стандартом» для твердосплавных сверл, принятым в автомобильной промышленности). Учитывая это, стоимость твердосплавного сверла за весь период его эксплуатации составляет $1120. Стоимость нового разработанного сверла составляет $1200 при 3 переточках (стоимость каждой переточки составляет $400). Учитывая это, стоимость разработанного сверла за весь период его эксплуатации составляет $2400. Таким образом, разработанное сверло оказалось вдвое дороже твердосплавного при вдвое меньшем количестве возможных переточек. Такое мнение, превалирующее в промышленности, является в корне не верным. Покажем его ошибочность простым расчетом.
Число отверстий, просверленных за период стойкости твердосплавным сверлом: 1200 (стойкость) х 6 (количество переточек) = 7200 отверстий. Стоимость обработки одного отверстия $1120, стоимость твердосплавного сверла за весь период его эксплуатации 7200 = $0,15.
Число отверстий, просверленных за период стойкости разработанным сверлом 20 000х3 = 60 000 отверстий. Стоимость обработки одного отверстия $2400 : 60 000 = $0,04.
Таким образом, экономия на одно отверстие составляет $0,11. Учитывая, что средний завод автомобильных автоматических трансмиссий производит 1200 крышек насосов в сутки и работает в среднем 340 дней в году, количество крышек насосов, производимых в год, составляет 408 000. Учитывая, что каждая крышка насоса содержит четыре аналогичных отверстия, число отверстий, просверленных за год, составляет 1 632 000. Умножая полученный результат на экономию на одно отверстие ($0,11), получаем годовую экономию $179 520. Если к этому результату добивать экономию, полученную за счет почти трехкратного повышения производительности и значительного снижения времени вынужденного простоя на замену инструмента, суммарная годовая экономия составляет около $280 000. Именно этим результатом нужно руководствоваться при принятии решений по закупке и использованию разработанных сверл.
Заключение. По мнению автора, разработанная конструкция сверла должна стать базовой в операциях высокопроизводительного сверления не только силуминов, но и практически всех цветных металлов, титановых сплавов и слоистых материалов в силу вышеперечисленных преимуществ.
Список литературы
1. Astakhov V.P. Drills: science and technology of advanced operations. Boca Raton: CRC Press, 2014.
2. Rehorn A.G., Jin J., Orban P.E. State-of-the-art methods and results in tool condition monitoring: A review // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2005. V. 26. P. 693 - 710.
3. Tool condition monitoring (TCM)—The status of research and industrial application / G. Byrne, D. Dornfeld, I. Inasaki, G. Kettele, W. Konig, R. Teti. // Annals of the CIRP. 1995. V. 44(2). P. 541 - 567.
4. Yeo S.H., Khoo L.P., Neo S.S. Tool condition monitoring using reflectance of chip surface and neural network // Journal of Intelligent Manufacturing. 2000. V. 11. P. 507 - 514.
5. Семенченко И.И., Матюшин В.М., Сахаров Г.Н. Проектирование металлорежущих инструментов. М.: Машгиз, 1963.
Астахов Виктор Павлович, д-р техн. наук, проф., Fellow SME, проф. Мичиганского государственного университета, проф. каф. «Автоматы» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, astak-hov@physicist. net, astvik@,gmail. com, США, MI, Okemos, tool research and application manager of General Motors Propulsion Division BU PSMi
ON THE DEVELOPMENT OF THE DESIGN AND TECHNOLOGY OF A FULL-HEAD PCD HIGH-PRODUCTIVITY DRILL FOR HIGH-SILICON ALUMINUM ALLOYS
V.P. Astakhov
Introduce and explain the results of the development, testing, and implementation of a high-productivity drill with a full-hear PCD. The drill is developed for machining of highsilicon aluminum alloys, widely used in the automotive industry. Present detailed descriptions of the drill design development as well as major manufacturing operations, including equipment used, in its production. The testing of the developed drill and its implementation showed significant increase in tool life, reduction of the thrust drilling force, improved quality of drilled holes. As a result, significant cost saving due to increase tool life as well as due to improved productivity/penetration rate were achieved.
Key words: drilling, polycrystalline diamond (PCD), high-silicon, drill production.
Astakhov Viktor Pavlovich, PhD, Dr. Sci., professor, Fellow SME, professor MSU, professor of the St. Petersburg polytechnic university, astakhov@physicist. net, ast-vik@gmail. com, USA, MI, Okemos, tool research and application manager of General Motors Propulsion Division BU PSMi
