CC BY
18
УДК 621.923
Д.В. ТАРГАН, ВС. МАЙБОРОДА
Нащональний техшчний ушверситет Укра1ни «Кшвський полтехшчний iнституг iMeHi 1горя Сжорського»
ВПЛИВ МАГН1ТНО-АБРАЗИВНОГО ОБРОБЛЕННЯ НА ТВЕРД1СТЬ ТА СТРУКТУРУ МАТЕРИАЛУ М1ТЧИК1В 13 ШВИДКОР13АЛЬНО1 СТАЛ1
У po6omi до^джено вплив магнimно-абразивного оброблення (МАО) на змти meepdocmi та структури Mamepiany мтчиюв, виготовлених i3 швидкор1зально'1 cmaMi по глибиш поверхневого шару. Результати до^дження показали, що при МАО вiд6yвaemься змщнення поверхневих шapiв мamepiaлy мimчикiв, що гарантовано забезпечить збшьшення перюду Их знососmiйкосmi в поpiвняннi з необробленими. Було встановлено, що пiсля МАО велик кap6iднi зерна подpi6нююmься пiд час ударно-фрикцшно1 взаемоди з магнтно-абразивним тструментом (МА1), тдвищуеться iх дисперстсть i щiльнiсmь, що сприяе формуванню бшьш одноpiдноi структури сmaлi, пiдвищeнню знососmiйкосmi i мiцносmi. Анализ pозмipy кap6iдних фаз в сmpyкmypi мamepiaлy мтчиюв показав, що тсля МАО в поверхневому шapi кap6iди мають на 25% мeншi pозмipи та бшьшу щшьтсть.
Ключовi слова: магнтно-абразивне оброблення, твердють по глибиш мamepiaлy, змщнення, наклеп, ударно-фрикцшний вплив частинок порошкового iнсmpyмeнmy, структура, подpi6нeння кap6iдiв, зносостштсть.
Д.В. ТАРГАН, В.С. МАЙБОРОДА
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ НА ТВЕРДОСТЬ И СТРУКТУРУ МАТЕРИАЛА МЕТЧИКОВ ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ
В работе исследовано влияние магнитно-абразивной обработки (МАО) на изменения твердости и структуры материала метчиков, изготовленных из быстрорежущей стали по глубине поверхностного слоя. Результаты исследования показали, что при МАО происходит укрепление поверхностных слоев материала метчиков, что гарантированно обеспечит увеличение периода их износостойкости по сравнению с необработанными. Было установлено, что после МАО большие карбидные зерна измельчаются при ударно-фрикционном взаимодействии с магнитно-абразивным инструментом (МАИ), повышается их дисперсность и плотность, что способствует формированию более однородной структуры стали, повышению износостойкости и прочности. Анализ размера карбидных фаз в структуре материала метчиков показал, что после МАО в поверхностном слое карбиды имеют на 25% меньшие размеры и большую плотность.
Ключевые слова: магнитно-абразивная обработка, твердость по глубине материала, укрепления, наклеп, ударно-фрикционное влияние частиц порошкового инструмента, структура, измельчения карбидов, износостойкость.
D.V. TARHAN, V.S. MAIBORODA
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
THE INFLUENCE OF MAGNETO-ABRASIVE MACHINING ON HARDNESS AND STRUCTURE OF MATERIAL OF CUTTING TAPS FROM HIGH-SPEED STEEL
In this paper, the effect of magneto-abrasive machining (MAM) on the hardness of the depth and structure of material of cutting taps from high-speed steel is investigated. The results of the study showed the possibility of hardening the surface layers of the cutting tap material at the expense of MAM that with guarantee will provide increase in the period of their wear resistance in comparison with the untreated ones. It was found that after МАМ large carbide grains are crushed by shock interaction with a magneto-abrasive tool (MAT), increasing the dispersion, which contributes to the formation of a more homogeneous structure of the steel, increasing hardness and strength. The analysis of the size ofparticles of carbides of material of taps is carried out and it is established that after MAM in the surface layer carbides have 25% smaller dimensions and higher density.
Keywords: magneto-abrasive machining, hardness on material depth, hardening, shock influence of particles of the powder tool, structure, crushing of carbides, wear resistance.
Постановка проблеми
Найпоширешшими з'еднаннями деталей машин е рiзьбовi. Широке застосування рiзьбових з'еднань у машинах i механiзмах пояснюеться 1хньою простотою й надiйнiстю, зручшстю регулювання затягання, а також можливютю 1х розбирання й повторного складання без замiни деталi.
Нарiзування рiзьби мiтчиками е простим, широко вщомим i високоефективним методом отримання внутршньо! рiзьби [1]. Даний метод пропонуе продуктивне i економiчне нарiзування рiзьби, особливо невеликого дiаметру, завдяки невеликому часу простою обладнання, висок1й швидкосп рiзання i ввдносно тривалого перюду стiйкостi iнструменту. Мiтчиками можна отримати бiльшiсть профiлiв рiзьби, вони тдходять для всiх типiв верстатiв як iз заготовками, що обертаються так i з нерухомими заготовками.
Але при використанш мiтчикiв виникае ряд проблем. Ввдведення стружки - це велика проблема при нарiзаннi рiзьби, особливо в м'яких матерiалах, адже при обробщ такого матерiалу утворюеться зливна стружка. Така стружка може утворювати затори навколо мичика або забивати його канавки, що може привести до руйнування мпчика в отвори Також нарiзування рiзьби передбачае дуже тiсний контакт iнструменту iз заготовкою, через що шструмент пiддаеться впливу великих сил. Мичик може зламатися i застрягти в отворi, при цьому деталь може пiти в брак, тому актуальним е питания шдвищення працездатностi зазначеного рiзьбонарiзного шструменту. Як1сть iнструменту суттево залежить ввд форми рiзальних кромок (РК), шорсткосл та фiзико-механiчних характеристик поверхневих шарiв його робочих елементiв, як1 в бшьшосп випадк1в формуються на фшшних етапах виготовлення при застосуваннi нових, штегрованих технологiй в iнструментальному виробнищга.
Однiею з перспективних фiнiшних технолопчних операцiй при виготовленнi мiтчикiв тдвищено! якостi е магнiтно-абразивне оброблення (МАО). Цей метод дозволяе комплексно впливати на стан поверхневого шару, контрольовано змiнювати його фiзико-механiчнi властивостi та мшрогеометрш як робочих поверхонь рiзального iнструменту (Р1), так i РК.
Аналiз останнiх дослiджень та публшацш
Дослiджень процесу МАО мiтчикiв i його вплив на показники якосп при застосуваннi магштно-абразивних порошив рiзного складу, з рiзноманiтною формою частинок та кинематикою оброблення суттево обмежеш. Окремi результати дослiджень МАО мичишв наведено в [2-6]. Отримано позитивнi результати при використаннi методу МАО рiзьбонакатних мiтчикiв [7]. Але наведеш результати обмеженi або розрахунками, або виключно як1сними показниками, що опосередковано тдтверджуе наявнiсть пластичного деформування поверхневого шару матерiалу, зменшення шорсткосп робочих поверхонь.
В роботах[8, 9] дослвджено вплив МАО магнiтно-абразивним iнструментом, сформованим з магнiтно-абразивних порошкових матерiалiв рiзного складу, форми та розмiрiв на яшсть, точнiсть та стiйкiсть мичишв, виготовлених iз швидкорiзальноl стал1.
В робот [10] в усiх мичиках пiсля МАО з вертикальним розташуванням деталей у робочiй зонi поверхнева твердiсть зменшилася в середньому на 10%. Результати дослвджень поверхнево! твердосп робочих частин мiтчикiв пiсля магнпно -абразивного оброблення з вертикальним розташуванням деталi у робочiй зонi потребували додаткових досл1джень твердостi по глибиш матерiалу. Для пояснення процесу змши твердостi поверхневого шару необхiдно дослщити змiну структури матерiалу пiсля МАО.
Формулювання мети досл1дження
Мета роботи - дослщження твердостi та структури матерiалу по глибинi поверхневого шару мичишв iз швидкорiзальноl сталi до та тсля МАО та визначити мехашзм впливу оброблення на структурш параметри матерiалу iнструменту.
Викладення основного матерiалу дослiдження
Представленi досл1дження е продовженням роботи [10], для яко! використовували машинно-ручнi мiтчики М10 з прямими канавками, виготовленi iз швидкорiзальноl стал1 Р6М5.
Дослiдження твердосп по глибинi проводили на мiкротвердомiрi ПМТ-3 при навантаженнi на шдентор 1 Н. Вимiрювання проводили на спещально п1дготовлених шл1фах мiтчикiв. Шлiфування робочо! частини мiтчикiв виконували щд кутом 5° до осi шструмента (рис. 1). Мiкротвердiсть матерiалу вимiрювали вiд поверхнi робочо! частини до основи.
Проводячи вимiрювання вздовж оа мiтчика, неможливо отримати значення твердосп по глибиш в поверхневих шарах матерiалу з малим кроком, тому що крок мiж зубцями мпчика 1,5 мм i рiзниця по глибиш мгж ними може перевищувати змiцнений в результатi оброблення та працюючий пiд час нарiзання рiзьби шар. Для можливостi результативних вимiрювань при так1й схемi необх1дно виконати шл1ф пiд кутом близько 1°, що потребуе точностi устаткування, базування шлiфа та вiдповiдно бiльшого часу виготовлення.
Рис. 1. Схема виготовлення ш. мфа мггчика
Була запропонована схема вимiрювання мiкротвердостi матерiалу мiтчика вздовж окремих зубцiв штфа (рис. 2).
Рис. 2. Схема вимiрювання мiкротвердостi: Я - зовшшнш радiус мiтчика; к - глибина замiрiв
Такий метод дозволяе проводити вимiрювания твердостi вiд поверхнi до основи матерiалу з малим кроком та великою кшьшстю замiрiв, що пiдвищуе достовiрнiсть результатiв. Глибину замiрiв на кожному окремому зубi визначали геометрично за довжиною зашлiфованоl дшянки зуба, яка е хордою кола зовтшнього дiаметра мiтчика. Зовнiшнiй вигляд тдготовленого шл1фа мiтчика та слвдв в1д уколiв мiкротвердомiра представлено на рис. 3.
Рис. 3. Зовшшнш вигляд шлiфа та уколiв мiкротвердомiра
Результати вимiрювань твердоста по глибиш матерiалу мичишв представлено на рис. 4. Встановлено, що пiсля оброблення пiд поверхнею знаходиться зона з ввдносно зниженою мiкротвердiстю. Товщина ще! зони складае до 10 мкм в залежноста ввд розмiру частинок порошку. Це пов'язано з виходом на поверхню в процеа пластичного деформування дефектав матерiалу тонкого поверхневого шару та невеликим ввдтисненням дрiбнодисперсних карбiдiв вглиб матерiалу [11]. В результатi чого в поверхневому шарi мiтчикiв тсля МАО крупним порошком утворюеться тдшаровий максимум на глибинi 8-12 мкм, а тсля оброблення дрiбним - на глибиш 2-5 мкм. Наявшсть тдшарового максимуму пов'язано з ударним впливом частинок порошкового шструменту з оброблюваною поверхнею, що сприяе частковим структурним перетворенням тонкого поверхневого шару. Подiбнi ефекти спостерiгаються пвд час ди мiкро-кульок або частинок абразиву на оброблювану поверхню при струменевих видах оброблення та пдро-абразивному обробленш [12].
У всiх мiтчиках мжротвердють основи становить НУ = 7,6 7,8 ГПа. Б№ше значення твердоста поверхневого шару пов'язане з наклепом в результата мiкроударiв абразивних частинок i пластично! деформацп поверхнi мггчишв. Це призводить до спотворення гратки структурних складових, пiдвищення концентраци дислокацш, подрiбнення зерен матерiалу. Глибина змщненого шару з пiдвищеною твердiстю у мпчиках пiсля МАО, оброблених крупним порошком становить 150 мкм, а тсля оброблення дрiбним порошком - 100 мкм. Досягнення мшротвердоста основи в необробленому мiтчику спостерiгаеться на глибиш 40 мкм ввд поверхш Ступiнь наклепу поверхневого шару тсля МАО порошком з розмiром частинок 400/315 мкм досягае 37%, а з розмiром частинок 200/160 мкм - 26 %, в той час як тсля шлiфування за стандартною технолопею - 19%. Отримане в результата МАО змщнення поверхневого шару мпчишв гарантовано забезпечить збшьшення перiоду !х зносостiйкостi в порiвняннi з необробленими [9].
— — — — — — — — —
о с" с" с с о о о о с" с с о о о о с" с" с о о о о с" о с о о о с" о с с о о с
Глибина, мм
Рис. 4. Твердкть по глибинi матерiалу робочих частин мггчишв
Дослiджено мiкроструктуру поверхневого шару матерiалу мiтчикiв пiсля МАО. Шдготовлену поверхню шлiфа за рекомендацiями [13] було протравлено 5% розчином азотно! кислоти в етиловому спиртi. Зовшшнш вигляд мiкроструктури поверхневого шару наведено на рис.5.
До МАО Шсля МАО
Рис. 5. Зовшшнш вигляд структури матерiалу мттчитв на глибиш 80-100 мкм
Показано, що шсля МАО велик! карбщш зерна (свил зерна) подрiбнюються пвд час ударно! взаемоди з МА1, пвдвищуючи дисперснiсть, що сприяе формуванню бшьш однородно! структури сталi, пвдвищенню твердосп, мщносп. Додатково, з пiдвищениям дисперсносп карбiдiв, пвдвищуеться теплостiйкiсть сталi, що особливо важливо для металорiзального шструменту.
Методом графiчного аналiзу було визначено розм!ри карбiдiв матерiалу робочих частин мичишв без та шсля МАО на р!знш глибин ввд поверхш Результати вимiрювань представлено в табл.1. та на рис. 6.
Таблиця 1
Величина карбщв на рiзнiй глибинi матерiалу мiтчикiв_
Оброблення мiтчика Глибина вимiрювань ввд поверхнi, мкм Середне значення розм!р!в карбщв, мкм Ввдхилення мкм
15-25 3,99 0,515
Без МАО 80-120 7,82 3,14
>400 8,93 1,26
15-25 3 0,3
Феромап 200/160 мкм 80-120 5,94 1,55
>400 8,6 2,02
15-25 2,67 0,4
Феромап 400/315 мкм 80-120 5,9 1,004
>400 8,05 2,66
Встановлено, що величина карбщв в шарi до 150 мкм у мичишв шсля МАО на 25 -30% менша шж в необроблених. Др!6ш дисперснi карбвди розташоваиi б№ш щшьно та р!вном!рно шсля оброблення крупним порошком Феромап 400/315 мкм, що можна пояснити бшьшою енерпею, яка передаеться поверхневому шару матерiалу в процесi ударно-фрикцшно! взаемодi! частинок магнпно -абразивного iнструменту з оброблюваною поверхнею. Ддя МАО спостерiгаеться i в матерiалi основи. Залишковi напруження, що виникають шсля МАО [2, 14] та зростання щльносп дислокацш в приповерхневому шарi спричинюють подрiбнення карбiдiв матерiалу на значнiй глибиш ввд поверхиi ( >400 мкм) та зменшення !х розм!р!в на 10% (табл.1).
Отримаш результати не суперечать рашше отриманим даним [3,8-11,14] i розширюють уяву про процеси, як1 вiдбуваються в матерiалi при МАО шструменту з швидкорiзально! стал^
Рис. 6. Розмipи карбщв по глибиш MaTepi^y мiтчикiв
Висновки
Дослiджено вплив МАО на твердють по глибинi та структуру матерiалу мiтчикiв. Встановлено, що пiсля МАО пiд поверхнею знаходиться зона з вщносно зниженою мшротвердютю, що пов'язано з виходом на поверхню в процесi пластичного деформування дефектiв матерiалу тонкого поверхневого шару та невеликим вщтисненням дрiбнодисперсних карбщв вглиб матерiалу. В поверхневому шарi мiтчикiв пiсля МАО крупним порошком утворюеться пiдшаровий максимум на глибиш 8-12 мкм, а пiсля оброблення дрiбним - на глибинi 2-5 мкм. Наявшсть шдшарового максимуму пов'язано з ударно-фрикцiйним впливом частинок порошкового шструменту з оброблюваною поверхнею. Стутнь наклепу поверхневого шару тсля МАО порошком з розмiром частинок 400/315 мкм досягае 37%, а з розмiром частинок 200/160 мкм - 26 %, в той час як тсля шлiфування за стандартною технолопею - 19%.
Шсля МАО велик! карбвдш зерна подрiбнюються тд час ударно! взаемодii з МА1, шдвищуючи дисперснiсть, що сприяе формуванню бшьш однородно! структури стал^ пiдвищенню твердостi, мщносп. Величина карбщв в шарi до 150 мкм у мггчишв тсля МАО на 25-30% менша шж в необроблених. Др!6ш дисперснi карбвди розташованi щ№шше та рiвномiрнiше тсля оброблення крупним порошком Феромап 400/315 мкм, що можна пояснити бшьшою енергiею, яка передаеться поверхневому шару матерiалу в процеа ударно-фрикцшно! взаемодii частинок магштно -абразивного iнструменту з оброблюваною поверхнею. Залишковi напруження та зростання щшьносп дислокацiй в приповерхневому шарi спричинюють подрiбнення карбiдiв матерiалу на значнш глибиш вщ поверхнi основи та зменшення !х розм!р!в на 10%.
Список використанот лiтepaтypи
1. Киреев Г. И. Проектирование метчиков и круглих плашек: учебное пособие: - Ульяновск: УлГТУ, 2008. - 107 с.
2. Барон Ю.М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изделий и режущих инструментов / Ю.М. Барон- Л.: Машиностроение, 1986. - 176 с.
3. Дюбнер Л.Г. Магнитно-абразивная обработка концевого режущего инструмента. / Л.Г.Дюбнер, В.С.Майборода, А.А.Ивановский. - Вестник Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт". Машиностроение. - вып. 44. - 2003. - С.107-108.
4. Denkena B. Influence of the cutting edge rounding on the chip formation process: Part 1. Investigation of material flow, process forces, and cutting temperature. / B.Denkena , J.Köhler, Mesfin Sisay Mengesha // Prod. Eng. Res. Devel., 2012.-№6. - Р.329-338.
5. Tikal F. Schneidkantenpräparation Ziele, Verfahren und Messmethoden. Berichte aus Industrie und Forschung /F.Tikal, R.Bienemann, L.Heckmann //Kassel University Press GmbH. - Kassel, 2009. - P. 193.
6. Хоменко В.А. Магнитно-абразивная обработка метчиков /В.А.Хоменко, А.М.Иконников, А.В.Богданов// Ползуновский вестник - 2012. - №1/1-С.318-320.
7. Новиков П.А. Повышение точности формообразования внутренних резьб М3...М6 в деталях из алюминиевых сплавов: дис. канд. техн. наук: 05.03.01 / Новиков П.А. - Севастополь, 2012. -210 с.
8. Майборода В.С. Вплив магнггно-абразивного оброблення на яшсть мичишв i3 швидкорiзальноl сталi /В.С.Майборода, 1.В.Ткачук, Д.Ю.Джулш, Д.В.Тарган // Вюник Нацiонального унiверситету "Львiвська полиехшка" №772, 2013.
9. Майборода В.С. Вплив магнпно -абразивного оброблення на мжрогеометрш та експлуатацшш показники мiтчикiв зi швидкорiзальноl сталi / В.С.Майборода, Д.В.Тарган // Процеси мехашчно! обробки в машинобудуванш: збiрник наукових праць . - Житомир: ЖДТУ, 2015. - Вип.15.- C.
10. Майборода В. С. Магштно-абразивне оброблення мичишв iз швидкорiзальноl сталi на верстатi з шльцевим розташуванням робочо! зони / В. С. Майборода, Д. В. Тарган, О. Б. Мусшк. // Надшшсть шструменту та оптимiзацiя технолопчних систем. Збiрник наукових праць. -Краматорськ. - вип. №40, 2017. - С. 121-130.
11. Бобша М.М. Структура та властивосп поверхневого шару шструменту з сталi Р6М5 шсля магнино-абразивно! обробки /М.М. Бобша, В.С.Майборода, Н.В.Ульяненко, А.Б.Бобш //Фiзика i хiмiя твердого тiла. - 2002.- Т. 3. - № 4. - С. 577-580.
12. Проволоцкий А.Е. Струйно-абразивная обработка деталей машин / А.Е. Проволоцкий // Техника. - Киев, 1989. - 177 с.
13. Болховитинов Н.Ф., Болховитинова Е.Н. Атлас макро- и микоструктур металлов и сплавов // Машгиз. - М., 1959. - 88 с.
14. Byelyayev O. Erhöhung der Leistungsfähigkeit von HSS-Spiralbohrern durch Einsatz der magnetabrasiven Bearbeitung: Phd-Thesis, Otto von Guericke. -Magdeburg, 2008. - P. 150.
