Проектирование и производство сложнопрофильных токарных пластин для обработки жаропрочных сплавов

УДК 621.9.025.7

Проектирование и производство сложнопрофильных токарных пластин для обработки жаропрочных сплавов

С. В. Михайлов, Н. Ю. Ковеленов, А. С. Михайлов, А. Д. Андриянов

На основе изучения механики резания установлены требования к токарному инструменту, предназначенному для обработки коррозионно-стойких, жаропрочных и титановых сплавов. Выявлены особенности проектирования сложнопрофильных сменных многогранных пластин, работающих в условиях повышенных деформаций, сил и температур резания, описаны используемые для их изготовления материалы и специфика производства. Представлены результаты испытаний опытных образцов пластин при точении коррозионно-стойких и жаропрочных сплавов.

Ключевые слова: труднообрабатываемые материалы, проектирование инструментов, дробление стружки, сложнопрофильные токарные пластины.

В современном машиностроении все большее распространение получают материалы с высокими показателями коррозионной стойкости, прочности и теплостойкости. Сплавы с такими свойствами значительно хуже поддаются обработке резанием по сравнению с обычными конструкционными сталями. Коэффициент обрабатываемости kn сплавов по отношению к стали 45 составляет 0,65-0,08 [1]. В соответствии с классификацией ISO труднообрабатываемые коррозионно-стойкие, немагнитные, износостойкие и теплостойкие стали входят в группу обрабатываемости М. Специальные жаропрочные сплавы на основе Ni, Co, Fe и Ti выделены в группу обрабатываемости S. Обе группы материалов обладают рядом общих физико-механических свойств, обусловливающих их низкую обрабатываемость резанием.

Большинство сплавов групп М и S характеризуются высокой пластичностью и большой склонностью к упрочнению в результате пластической деформации при резании, способностью сохранять прочность и твердость при повышенных температурах, низкой теплопроводностью. При обработке этих материалов наблюдаются повышенные деформации срезаемого слоя, значительное увеличение силы и

мощности резания, повышение температуры в зоне резания, усиление адгезии и диффузии, увеличение износа рабочих поверхностей инструмента, возникают более интенсивные автоколебания технологической системы [2, 3]. Особую группу материалов с низкой обрабатываемостью составляют титановые сплавы, имеющие еще более низкую теплоемкость и теплопроводность. Вследствие этого при обработке титановых сплавов возникают более высокие температуры в зоне резания и на контактных площадках инструмента. Титановые сплавы имеют малую пластичность и высокую поверхностную химическую активность. При резании титановых сплавов образуется ярко выраженная элементная стружка, усиливающая нестабильность резания и вибрации. Циклическое изменение усадки стружки приводит к переменной скорости ее скольжения по передней поверхности инструмента и увеличению интенсивности изнашивания передней поверхности.

Специфика резания труднообрабатываемых жаропрочных и титановых сплавов предъявляет особые требования к режущему инструменту. Стандартные подходы к проектированию новых и использованию известных кон-

ЕТАПЛООБРАБОТК]

струкций не дают приемлемых для практики результатов. В этой связи ведущие инструментальные компании активно работают над созданием специальных линеек сменных многогранных пластин (СМП), предназначенных для обработки резанием материалов групп М и S. Из-за сложности задач проектирования преобладают эмпирические подходы при их решении. Предлагаемый ассортимент пластин характеризуется наличием различных геометрий передней поверхности, предназначенных для обработки деталей на глубину от 0,2 до 10 мм.

В основе проектирования режущих пластин лежат физические и математические модели, связывающие режимы резания и геометрию инструмента с выходными характеристиками процесса резания, в том числе с силами резания, прочностью лезвия, температурой резания, износостойкостью пластины, размерами и формой образующейся стружки. Такие модели позволяют оптимизировать геометрию сменных режущих пластин с учетом различных технических ограничений.

Главными проблемами, с которыми приходится сталкиваться при проектировании режущих пластин для материалов группы S, являются: 1) высокие силы и температура в зоне резания; 2) концентрация сил резания вблизи режущей кромки); 3) цикличность стружкообразования, склонность к вибрациям при резании; 4) интенсивное лункообразо-вание и повышенный износ задней поверхности; 5) большая зависимость работоспособности инструмента от скорости резания; 6) возникновение проточин на главной режущей кромке; 7) выкрашивание нерабочих кромок сходящей с резца стружкой; 8) повышенное влияние геометрии инструмента на параметры качества поверхностного слоя, в том числе на глубину наклепанного слоя и остаточные напряжения.

Высокая прочность и большое содержание карбидов, низкая теплопроводность, химическая активность обрабатываемых материалов с твердыми сплавами приводят к смешанному механизму абразивного, адгезионного и диффузионного износов сменных многогранных пластин. Указанные факторы вызывают необходимость применения инструментов, изго-

товленных из твердых сплавов, обладающих более высокой теплостойкостью, хорошей сопротивляемостью абразивному и адгезионному износу, стабильностью режущих свойств.

Повышенные требования предъявляются и к геометрии инструмента, оказывающей существенное влияние на механику резания и его выходные характеристики. С учетом особенностей резания жаропрочных материалов к числу основных требований следует отнести: 1) стабилизацию процесса стружкообра-зования; 2) уменьшение силы резания и контактных давлений на рабочие поверхности лезвия; 3) уменьшение глубины наклепа и повышение качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей; 4) обеспечение прочности лезвия пластины; 5) стойкость к лун-кообразованию; 6) равномерность износа по длине режущей кромки; 7) уменьшение или устранение проточин на главной режущей кромке; 10) стабильное стружкозавивание и дробление в процессе резания; 11) устранение причин выкрашивания нерабочих кромок сходящей с резца стружкой.

В основе создания инструментов с указанными свойствами лежит углубленное представление о механизме стружкообразования при резании труднообрабатываемых материалов. Исследования показывают, что при обработке жаропрочных и особенно титановых материалов процесс резания становится неустойчивым и сопровождается образованием так называемых циклических стружек. В связи с малой теплопроводностью и высокой прочностью обрабатываемых материалов такие стружки возникают при относительно невысоких скоростях. Основной причиной циклического стружкообразования является локальное разупрочнение металла, вызванное местным выделением теплоты и образованием большого градиента температур в зоне резания.

Образование элемента стружки локального сдвига происходит в две стадии [4, 5]. Первая стадия характеризуется сжатием срезаемого слоя неупрочненного материала и его пластическим деформированием вдоль передней поверхности резца. В это время формируется застойная зона. В зависимости от условий резания и свойств обрабатываемого материала деформация распространяется на весь объем

или часть объема будущего элемента стружки. условий схода стружки с передней поверхности

При этом срезаемый слой получает большое резца. Экспериментальное подтверждение этой

упрочнение и приобретает свойства наклепан- гипотезы получено в работе [6]. Исследования

ного металла. Когда запас пластичности ма- показывают, что тип стружки может быть из-

териала исчерпывается, материал в направ- менен путем стабилизации контактных процес-

лении наименьшего сопротивления сдвигу и сов на передней поверхности инструмента за

адгезионные связи застойной зоны стружки счет применения инструментов с оптимальным

с резцом разрушаются и элемент стружки расположением стружкозавивающих элемен-

перемещается по передней поверхности. Чем тов. При этом геометрия стружкозавивающей

больше степень деформации срезаемого слоя, поверхности не должна приводить к большим

тем больше форма элементной стружки при- деформациям уже сформировавшейся струж-

ближается к треугольной. В момент начала ки, т. е. воздействовать на форму стружки ис-

сдвига элемента стружки начинается образо- ключительно через изменение степени неодно-

вание следующего элемента — сжатие и де- родности пластических деформаций в первич-

формирование новой зоны срезаемого слоя. ной зоне сдвигов. Предельное максимальное

Особенностью описанной модели являет- значение кривизны стружки, при котором ис-

ся циклический характер всех происходя- черпывается возможность изменения формы

щих в зоне стружкообразования процессов: стружки за счет перераспределения напряжен-

периодическое сжатие клиновидной зоны; но-деформированного состояния зоны резания,

сдвиг-скольжение элемента стружки вдоль соответствует наиболее энергетически выгод-

поверхности сдвига и передней поверхности ному условию резания. Такую форму струж-

с переменной скоростью и уменьшающимся ки следует считать оптимальной. Методика

сопротивлением; периодическая активиза- расчета оптимальных параметров стружкоза-

ция адгезионных и других контактных яв- вивающей поверхности пластины изложена

лений, возникающих при прерывистом дви- в работе [7].

жении стружки по передней поверхности. Дополнительным способом повышения ра-

Перечисленные процессы, а также высокая ботоспособности режущих пластин является

контактная температура приводят к интен- искусственное ограничение длины контакта

сивному изнашиванию и усталостному раз- стружки с передней поверхностью инструмен-

рушению режущего инструмента. та. Уменьшение и стабилизация длины пласти-

Изложенный механизм циклического струж- ческого контакта стружки с передней поверх-

кообразования предполагает возможность ностью инструмента приводят к уменьшению

управления частотой стружкообразования, степени пластической деформации срезаемого

а следовательно, стабильностью резания и слоя и, как следствие, усадки стружки, сил

стойкостью инструмента путем оптимизации и температуры резания (рис. 1). В условиях

Рис. 1. Конструкция и характерный вид участка пластического контакта стружки с передней поверхностью режущих пластин ОЫМО 120408 с укороченной передней поверхностью

ШШШМБОТКА

неустойчивого процесса стружкообразования СМП с укороченной передней поверхностью способны повысить виброустойчивость процесса резания. Проектирование инструмента с ограниченной длиной контакта связано с детальным анализом механики стружко-образования и прочности лезвия инструмента. Наибольший эффект получается в результате совмещения укороченной передней поверхности с оптимально расположенным стружко-завивающим уступом. В этом случае струж-кодробление не приводит к дополнительному увеличению сил резания.

Неравномерный износ режущей пластины во многом связан с неравномерной температурой в зоне резания [8]. В результате отсутствия стока теплоты в заготовку и близости расположения источника нагрева на передней поверхности наблюдается всплеск температуры на границах активного участка режущей кромки. В этих же местах концентрируется и максимальный износ задних поверхностей пластины (рис. 2).

Для выравнивания износа вдоль режущей кромки необходимо перераспределить тепловые потоки и обеспечить снижение температуры на граничных участках контакта инструмента с заготовкой. Расчеты показывают, что перераспределение тепловых потоков вдоль кромки становится возможным за счет изменения угла заострения в режущего клина на различных участках путем подбора переднего угла у и формы стружкозавивающей поверхности.

230°

456°

510°

570°

Рис. 2. Экспериментальное распределение температуры на поверхностях СМП [8]

Уменьшить силу стружкообразования и более благоприятно распределить контактные давления на лезвии инструмента можно путем создания положительных углов схода стружки с укороченной передней поверхности режущей пластины. Увеличение передних углов положительно сказывается и на качестве поверхностного слоя деталей — вызывает уменьшение глубины наклепа и остаточных напряжений в нем. Ограничительным фактором является прочность режущей пластины.

При управлении завиванием и дроблением стружки необходимо увязать требования получения удобной для транспортировки и переработки компактной формы стружки с обеспечением благоприятных условий резания с минимальными энергетическими затратами [9]. Исследования влияния технологических условий резания на завивание и дробление стружки показывают, что к числу наиболее значимых геометрических параметров инструмента относятся: форма и расположение стружкозавивающих элементов относительно режущей кромки инструмента; передний угол и градиент его изменения вдоль режущей кромки инструмента; угол наклона главной режущей кромки; главный угол в плане и радиус при вершине инструмента. Каждый из этих факторов влияет на траекторию движения стружки через изменение направления схода стружки и интенсивности завивания в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

На основе управления пространственным завиванием стружки удается решить проблему выкрашивания нерабочих кромок режущей пластины. Для уменьшения вероятности контакта сходящей с резца стружки с кромками пластины необходимо отклонить ось витка стружки относительно плоскости резания. С этой целью создаются переменные условия схода стружки с резца, вызывающие ее вращение в плоскости поперечного сечения. Помимо улучшения условий взаимодействия стружки с естественными препятствиями дополнительный поворот поперечного сечения стружки приводит к повышению жесткости и эффективности дробления стружки [10].

Перечисленные принципы проектирования были заложены при разработке новых пластин SNMG 120412 SM, СNMG 120408 SM для получистового точения жаропрочных сплавов.

МЕШПООБМБОТК|»

В качестве исходных данных построения модели сложнопрофильных пластин использовались физико-механические свойства обрабатываемого и инструментального материалов, режимы и схема резания, начальные геометрические параметры пластины (j, ji, r, а). Последовательность расчета формы и размеров рабочих поверхностей СМП следующая:

1) анализ зарубежных аналогов пластин; подбор начальных геометрических параметров пластины с учетом требований к прочности режущей пластины и качеству поверхностного слоя обрабатываемых изделий;

2) расчет параметров зоны резания: толщина ai и ширина t>i срезаемого слоя, угол схода стружки h, длины пластического ¿о и полного l контакта стружки с передней поверхностью инструмента, угол наклона условной поверхности сдвига Pi и коэффициент утолщения стружки ka;

3) расчет минимально допустимого радиуса завивания стружки в вертикальной плоскости, предельно допустимого приближения стружкозавивающего уступа к режущей кромке и его формы;

4) профилирование передней поверхности СМП с учетом требований к формированию стружки посредством программы Prognos Chip;

5) расчет параметров схода стружки: внешнего радиуса витка стружки Ro, шага спирали стружки Ph, угла наклона оси спирали стружки 9;

6) проверка условия дробления стружки по критической кривизне стружки;

7) определение ширины упрочняющей фаски: на большей части длины активной режущей кромки ширина фаски не должна превышать толщину срезаемого слоя, т. е. f < а^

8) расчет радиуса округления режущей кромки;

9) определение параметров дополнительных стружкодеформирующих элементов передней поверхности;

10) расчет сил резания и параметров качества поверхностного слоя обрабатываемой детали.

Расчетные зависимости, используемые при проектировании СМП, приведены в работах [6, 7, 9, 10].

В результате проектирования и анализа различных вариантов конструкций предложена новая геометрия передней поверхности с расположенными вдоль режущих кромок стружкозавивающими поверхностями переменного профиля (рис. 3).

В отличие от известных конструкций пластин формы поперечных сечений стружко-завивающей канавки изменяются вдоль режущих кромок пластины при удалении от ее вершины от вогнутой дуги окружности с центром, расположенным выше передней поверхности инструмента, до выпуклой дуги с центром, расположенным ниже передней поверхности инструмента [12]. Радиусы сечений стружкозавивающей поверхности пластины в главных секущих плоскостях изменяются по формуле

Rk -

C

arcsin B„

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

МП^ПО вРАЬрТК

Рис. 4. Твердотельные модели пластин БКМО 120412 БМ и СКМО 120408 БМ

где С — ширина рабочего участка стружко-завивающей поверхности; В — коэффициент интенсивности завивания стружки в плоскости ее поперечного сечения; х — координатная ось, совпадающая с главной режущей кромкой сменной пластины.

Ширина рабочего участка стружкозавива-ющей поверхности В выбирают равной или большей длины участка контакта стружки с передней поверхностью инструмента I. В пределах изменения усадки стружки от 2 до 3, что является характерным для сливного струж-кообразования, I = - 3)1'5, поэтому в большинстве случаев ширину С можно выбрать из условия С > 21,5а1. Значение коэффициента В подбирают в зависимости от требуемого направления схода стружки из диапазона 0,05— 0,28. Чем больше В, тем сильнее отклоняется ось спирали стружки от плоскости резания.

Твердотельные модели двух типоразмеров пластин показаны на рис. 4.

Технология изготовления пластин разработана и реализована на ООО «Вириал». Для обработки жаропрочных сплавов получены

новые твердые сплавы VHS 1012 и VHS 1112. Внешний вид резца, оснащенного сменной режущей пластиной CNMG 120408 SM VHS 1012, показан на рис. 5.

Пластины испытывали по методике, разработанной на основе международного стандарта ISO 3685 при обработке жаропрочного сплава ХН77ТЮР с использованием СОЖ, подаваемой под давлением 5 бар. Режимы резания для обработки конкретных материалов подбирали с использованием динамометра по методике, предложенной в работах [13, 14].

Стойкостные исследования проводили при скорости резания 25 м/мин, подаче 0,2 мм/об, глубине резания 1,5 мм. Время обработки 6 мин. Сначала для сравнения испытывали пластинки-аналоги, затем — пластинки, изготовленные из новых сплавов без покрытия и сплавов с износостойким покрытием. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Наилучший результат показала пластина, изготовленная из сплава VHS 1112. Все испытанные пластины обеспечили хорошее дробление стружки.

Работоспособность новых конструкций пластин исследовали в производственных условиях на операции точения детали «кольцо» из жаропрочного сплава ХН50ВМТЮБВИ (ЭП648-ВИ) на токарно-лобовом станке с ЧПУ SPR 63M.

Режимы резания: скорость резания v = = 25 м/мин, подача s = 0,12 мм/об, глубина резания 1—4 мм. Износостойкость пластин сравнивали с аналогом CNMG 120408-TF фирмы Iscar.

Рис. 5. Внешний вид резца, оснащенного CNMG 120408 SM VHS 1012

Таблица 1

Обозначение пластины Средний износ по задней грани VBC, мм Максимальный износ VBBmax' мм

CNMG 120408-TF IC 907, Iscar 0,1 0,12

CNMG 120408-QM GC 1105, Sandvic 0,09 0,13

CNMG 120408-SM VHS 11, ООО «Вириал» 0,09 0,24

CNMG 120408-SM VHS 1112, ООО «Вириал» 0,08 0,15

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

МЕТАШ

Таблица 2

Пластина Режимы резания Время работы одной кромки Т, мин Износ, мм Число деталей на одну кромку Фото износа

v, м/мин (n, об/мин) s, мм/об t, мм Число проходов i

CNMG 120408- TF IC 907 (по технологии), Iscar 25 (31) 0,12 2 Пр. 4 26 х 5 = 130 0,5 5 iv

О© . 2 1

CNMG 120408-SM VHS 1112, ООО «Вириал» 25 (31) 0,12 2 Пр. 4 26 х 5 = 130 0,5 5   ^

к, . 2 1

Результаты сравнительных испытаний представлены в табл. 2.

Испытания показали, что по стойкостным характеристикам пластина CNMG 120408E-SM VHS 1112 ООО «Вириал» сопоставима с пластиной CNMG 120408-TF фирмы Iscar. Обра-

а)

%

б)

зующаяся при резании стружка имела форму, благоприятную для ее дробления при взаимодействии с вращающейся заготовкой. Переменный профиль стружкозавивающей канавки способствует более благоприятному распределению термомеханических нагрузок вдоль режущей кромки резца, следствием чего является более равномерное распределение износа СМП. Специальная форма канавки вызывает отклонение оси спирали стружки от плоскости резания, уменьшая вероятность касания стружки кромок пластины и их выкрашивания при сохранении надежного стружкодробления и качества обработанных поверхностей (рис. 6).

Основная область применения пластин - точение специальных жаропрочных, титановых сплавов группы 8. Дополнительная область применения — материалы групп Р, М, К (углеродистые, легированные, коррозионно-стойкие).

Рис. 6. Стружка, образовавшаяся при резании заготовок пластинками фирм: а — Твеаг; б — ООО «Вириал»

Литература

1. Жарков И. Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. Л. Машиностроение, 1986. 184 с.

2. Обработка резанием жаропрочных, высокопрочных и титановых сплавов / Под ред. Н. И. Резникова. М.: Машиностроение, 1972. 200 с.

3. Подураев В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов. М.: Высш. шк., 1974. 587 с.

4. Михайлов С. В. Формирование представлений о физической природе образования различных форм и

ЕШПООБРАЬТПК,

типов стружек при резании металлов / / Системный анализ. Теория и практика: сб. науч. тр. Кострома: Изд-во КГТУ, 2001. С. 155-161.

5. Михайлов С. В. Напряженное состояние лезвия резца при образовании циклической стружки // СТИН. М. 2004. № 2.

6. Михайлов С. В. Моделирование и оптимизация процесса формообразования стружки при резании материалов. Кострома: Изд-во КГТУ, 2005. 180 с.

7. Михайлов С. В. Компьютерное прогнозирование и системный анализ причинно-следственных связей процессов образования, завивания и дробления сливной стружки. Кострома: Изд-во КГТУ, 2009. 159 с.

8. Проскоков А. В., Воробьев А. В., Моховиков А. А. Обеспечение равномерного изнашивания сменных многогранных пластин путем измерения топографии передней поверхности// Современная техника и технологии: тр. 8-й Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск: Изд-во ТПУ, 2001. Т. 1. С. 171-172.

9. Безъязычный В. Ф., Михайлов С. В. Расчет усадки стружки при резании инструментом со стружкоза-

вивающей передней поверхностью // СТИН. 2005. № 2. С. 26-29.

10. Михайлов С. В., Данилов С. Н. Расчетное определение условий разрушения винтовой стружки при точении пластичных материалов // СТИН. 2012. № 8. С. 32-36.

11. Михайлов С. В. Проектирование сложнопрофиль-ных твердосплавных режущих пластин с повышенными эксплуатационными свойствами // СИЖ. 2012. № 8. С. 17-22.

12. Пат. 2237549 С1 Российская Федерация. МПК7 В 23 В 27/00. Сменная режущая пластина / С. В. Михайлов, Д. С. Скворцов. № 2003105381/02; заявл. 25.02.2003; опубл. 10.10.2004, бюл. № 28. 24 с.

13. Михайлов С. В., Ковеленов Н. Ю., Болотских С. В. Разработка экспериментального метода ускоренного определения режущих свойств инструмента// Изв. Самар. науч. центра РАН. 2014. Т. 16, № 1-2. С. 404-409.

14. Динамометрическая система ускоренного определения режущих свойств инструмента: справ. / С. В. Михайлов, Н. Ю. Ковеленов, Р. Н. Фоменко, М. В. Тимофеев // Инженер. журн. с прил. 2015. № 1 (214). С. 34-40.

АО «Издательство "Политехника"» предлагает:

Мурашкина Т. И. Техника физического эксперимента и метрология: учеб. пособие — СПб. : Политехника, 2015. — 138 с. : ил.

ISBN 978-5-7325-1051-5 Цена: 180 руб.

Рассматриваются основные разделы теоретической метрологии: теории измерительных процедур и физического эксперимента, теории обработки экспериментальных данных при проведении измерительного эксперимента, теории планирования физического измерительного эксперимента, с которой тесно связаны такие вопросы, как разработка методик выполнения измерительного эксперимента и метрологическое обеспечение физического эксперимента.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Приборостроение» и предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 200500 «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение», может быть полезно инженерам и научным работникам, занимающимся организацией и проведением измерительного физического эксперимента

Гриф: Рекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» (ФГАУ «ФИРО») в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение».

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.