Твердосплавный инструмент в горной промышленности Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

-------------------------------------- © В.В. Дурев, А.А. Ласуков,

2011

УДК.621.762

В.В. Дурев, А.А. Ласуков

ТВЕРДОСПЛАВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕНОСТИ

В горной промышленности широко применяется твердосплавный инструмент. Однако очень часто твердый сплав используется нерационально, и полностью изношенный инструмент содержит большое количество дорогостоящего инструментального материала.

Ключевые слова: твердый сплав, инструмент, экономия материала, проектирование.

~П настоящее время широко используется твердосплавный

-И-М инструмент в горной промышленности в связи с высокими прочностными, режущими свойствами, а также высокой износостойкости. Применяемый инструмент является составным, у которого режущая часть выполнена из инструментального твердого сплава, закрепленного в основе из конструкционного материала. Опыт эксплуатации такого рода инструмента показывает, что существует проблема низкой прочности сцепления инструментальной вставки с основой инструмента, вследствие чего при колебаниях силы резания вставка выкрашивается и инструмент теряет свою работоспособность. С другой стороны, для предотвращения этой проблемы, делают заделку с существенным увеличением закрепляемого материала, что приводит к большому перерасходу дорогостоящего инструментального материала.

В работе [1] предлагается методика проектирования и изготовления составного композиционного режущего инструмента, позволяющая создавать режущий инструмент разнообразного вида и назначения из различных инструментальных материалов, обладающего повышенной работоспособностью, за счет оптимизации формы вставки и рационального подбора материалов в режущем композите.

Одной из задач, необходимой для решения проблемы увеличения работоспособности составных СМП, является обеспечение отсутствия межслойных трещин на границе раздела материалов ос-

новы и вставки, которые возникают вследствие различных коэффициентов термического линейного расширения данных материалов. Используя методику проф. А.С. Верещака [2], были определены условия отсутствия трещин, основанные на сравнении напряжений, возникающих при максимальном нагреве слоистого композита со значениями пределов прочности материалов основы и вставки:

растяжении и сжатии; Кз - коэффициент запаса; оо1 - остаточные напряжения в материале с меньшим значением коэффициента термического линейного расширения ат ; ао2 - то же, с большим значением а т.

Для расчета величины остаточных напряжений на границе фаз в работе использована следующая формула:

где а Т1,Е1,д1 - коэффициент термического линейного расширения, модуль упругости и коэффициент Пуассона для первого материала; аТ2,Е2,д2 - то же, для второго материала; ЛТ - температура нагрева при изготовлении или эксплуатации, ^ и ^ -толщины первого и второго слоя, соответственно.

На рис. 1 представлены некоторые результаты расчетов в программе MathCad двух сочетаний вставки из твердого сплава с материалами основы пластины. Как видно, при сочетании материалов Т15К6 и ВК8 (рис. 1, а) не происходит пересечения кривой термических напряжений линии предела прочности при любых соотношениях толщин. Следовательно, при таком сочетании материалов вставки и основы не будет образовываться межслойных трещин. При сочетании Т30К4-У12 (рис. 1, б) возможность существования монолитной двухслойной пластины с одной стороны ограничена возникновением

(1)

где [а]р и [<з]с - пределы прочности материала соответственно при

межслойных трещин из-за превышения предела прочности на сжатие стали У12,

МПа

Т15К6- ВК8

а) \\Jh2

Рис. 1. Изменение термических напряжений в зависимости от толщины слоев

^2

Рис. 2 Виды форм вставок из КНБ: а) «квадрат»; б) «треугольник»; в) «сегмент»; г) «ласточкин хвост»

а с другой - пределом прочности на растяжение твердого сплава (заштрихованная область графика). Существование такой композиции возможно при отношении толщин от 0,22 до 1,8. Рассчитывались также сочетания твердого сплава (марки ВК8, Т5К10, Т15К6 и др.) со Сталями 60, 12МХ, У12. Наиболее оптимальным с точки зрения трещиностойкости из рассмотренных сочетаний материалов является соединение Стали 60 со многими видами твердого сплава. При расчетах сочетания твердого сплава Т30К4 с ВК8 при соотношении толщин равным единице, возникающие тепловые напряжения превысили значения предела прочности при растяжении твердого сплава Т30К4, что должно привести к появлению межслойных трещин.

Таким образом, используя данную расчетную методику, можно еще на начальном этапе проектирования подобрать материал основания составной СМП, сочетающийся с материалом вставки без трещин, вызванных разными величинами ат .

Следующим этапом разработки является определение наиболее работоспособной формы вставки составных СМП. Для этого был рассмотрен ряд распространенных форм инструментальных вставок из кубического нитрида бора (КНБ) и проведены расчеты методом конечного элемента (МКЭ) по определению напряженно-деформированного состояния (НДС) режущих пластин в зависимости от формы вставки (рис. 2) в сравнении с однородной пластиной из КНБ. Также проведено определение НДС составной пластины с формой вставки фирмы «Sandvik СоготапЪ> типа «ласточкин хвост» [3] (рис. 2, г). По сравнению с цельной у составных пластин с большинством форм вставок напряжения сжатия незначительно уменьшаются (рис. 3), и в тоже время существенно повышаются напряжения растяжения. Это оказывает отрицательное воздействие на прочность инструментальных материалов, которые имеют сравнительно небольшие пределы прочности при растяжении, а также на общую прочность составной режущей пластины.

Расчеты вставки типа «ласточкин хвост» показали существенное увеличение обоих видов напряжений (сжатия и растяжения), причем напряжения растяжения увеличились более чем в 2 раза по сравнению с цельной пластиной (см. рис. 3).

Рис. 3. Влияние формы вставки на максимальные напряжения при резании

а)

Рис. 4. Расчет НДС однородной пластины (а) и пластины со вставкой (б):

а=7°; у=0°.

В результате проведенного анализа наиболее оптимальной конструкцией вставки с точки зрения получения минимальных внутренних напряжений являются вставки типа «квадрат» и «сегмент». В изготовлении проще конструкция вида «квадрат», и поэтому она более предпочтительна, несмотря на некоторое увеличение напряжений по сравнению со вставкой сегментного вида.

Для определения напряжений в процессе свободного резания пластиной со вставкой из твердого сплава был произведен сравнительный расчет НДС методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS DesignSpace для однородной пластины из твердого сплава и формы вставки типа «квадрат».

МПа

1000

800

600

400

200

Сжаше

824,30

775,80

683,08

цельная пластина прямоугольная вставка фигурная вставка Рис. 5. Сравнение максимальньх нормальньх напряжений

Исследовалось сочетание вставки твердого сплава Т15К6 с основой пластины из Стали 60 при различной геометрии режущей части и составляющими силы резания: Р2 = 1000 Н, Ру = =500 Н. В результате получено увеличение напряжений растяжения почти в 2 раза для пластины со вставкой (рис. 4). Для уменьшения этих напряжений была предложена фигурная вставка, верхняя поверхность которой совпадает с положением нулевой линии напряжений. Расчет на НДС пластин с фигурной вставкой при тех же условиях показал, что напряжения повысились незначительно по сравнению с однородной пластиной из твердого сплава и стали значительно меньше, чем у пластин с прямоугольной вставкой (рис. 5).

Следовательно, за счет уменьшения напряжений в режущем клине при резании составных режущих пластин с разработанной фигурной вставкой будет выше, чем у режущих составных пластин с другой формой вставок.

Для сменных режущих пластин под отрезной резец была спроектирована конструкция композиционной составной режущей пластины с фигурной вставкой из твердого сплава Т15К6, на которую получен патент на полезную модель №73252 [4]. При этом экономия твердого сплава по сравнению с однородной твердосплавной режущей пластиной составила около 80%.

Для определения работоспособности разработанных и изготовленных составных режущих пластин были проведены эксперименты по определению температурных полей при резании, так как ввиду различия в конструкции для одного и того же материала режущей части изменятся условия отвода тепла из зоны резания, а остальные показатели должны оставаться примерно на одинаковом уровне. Для наиболее объективной оценки тепловых полей был выбран однофакторный эксперимент с разными режущими пластинами: однородными и композиционными.

Измерение теплового поля проводилось тепловизором ^ег-таСат Р65 HS фирмы FLIR, позволяющим производить измерение в диапазоне температур от -40 С до +1500 С с тепловой чувствительностью до 0,08 С, на боковой поверхности резца через 60 секунд после начала обработки. Каждое измерение теплового поля длилось не менее 10 секунд. Исходные картины теплового поля, полученные тепловизором, передавались в виде матриц в программу MathLab, в которой производилась их обработка и построение диаграмм теплового поля при резании однородной (см. рис. 12, а) и составной (см. рис. 12, б) режущими пластинами.

В соответствии с диаграммами теплового поля отчетливо видно, что в случае обработки однородной пластиной максимальная температура при резании достигала 255 °С, а при резании композиционной режущей пластиной с инфильтрацией медью максимальная температура достигла только 210 °С. Следовательно температура упала на 45 °С или почти на 18%, что связано с более лучшим теплоотводом за счет основы композиционной платины с более высоким коэффициентом

а)

Рис. 12. Тепловое поле при резании однородной (а) и составной (б) пластинами (положение заготовки, резца и стружки показано условно)

теплопроводности по сравнению с твердым сплавом в однородной пластине [5].

В ходе проведения эксперимента по определению температуры при резании было выявлено, что при резании составной режущей пластиной разработанной конструкции температура ниже, чем при работе однородной режущей пластиной, следовательно, должна измениться и стойкость режущей пластины.

Таким образом, при использовании разработанной методики проектирования и изготовления композиционного составного режущего инструмента, можно проектировать и изготавливать составной режущий инструмент повышенной работоспособности с существенной экономией инструментального материала для раз-

ных видов обработки и из разных видов инструментального материала, в том числе и для проектирования горного инструмента.

-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дуреев В.В., Овечкин Б.Б., Мельников А.Г. Проектирование и изготовление композиционного металлорежущего инструмента для свободного резания // Известия ТПУ. 2008. - Т.313. №2. - С. 48-52.

2. Верещака А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1993. - 336 с.

3. Металлорежущий инструмент Sandvik СоготаП;: Основной каталог 2007. - АВ Sandvik Соготап; 2006. - 1057 с.

4. Пат. 73252 на полезную модель / Российская Федерация, МПК7 В23В 27/16. Композиционная режущая пластина / Дуреев В.В.; Заявитель и патентообладатель ООО «Экономтвердосплав» и ГОУ ВПО Томский политехнический университет. - заявл. 20.03.2007; опубл. 20.05.2008, Бюл. № 14.

5. Дуреев В.В., Петрушин С.И. Перспективы по использованию композиционного составного твердосплавного режущего инструмента // Труды Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 309 с. - С. 91-93. шгдз

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------

Дуреев Вадим Витальевич - кандидат технических наук,

Ласуков Александр Александрович - кандидат технических наук, доцент, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, г. Юрга, е-таіі: wad2000@mail.ru