Процессы изготовления инструмента для лезвийной обработки чугуна

Важнейшим достоинством данной методологии оптимизации с экономической ЦФ является ее способность оптимизировать совместно режимные и геометрические параметры процесса точения, а в итоге достигать минимальной удельной себестоимости обработки Су за счет максимально возможной производительности < и минимально возможных временных наработки ТР и ресурса Я дорогостоящих пластин из ПКНБ.

Литература

1. Горанский Г. К. Расчет режимов резания при помощи электронно-вычислительных машин. Минск: Гос. изд-во БССР, 1963. 191 с.

2. Якобс Г. Ю., Якоб Э., Кохан Д. Оптимизация резания / Пер. с нем. М.: Машиностроение, 1981. 279 с.

3. Инструменты из сверхтвердых материалов / Под ред. Н. В. Новикова. Киев: ИСМ НАНУ, 2001. 528 с.

4. Кравченко Ю. Г., Савченко Ю. В. Надежность режущих пластин из композитов при точении отбеленных чугунов // Высокие технологии в машиностроении: Сборник научных трудов НТУ «ХПИ». Харьков, 2005. Вып. 1 (10). С. 99-104.

5. Даниленко Б. Д., Кравченко Ю. Г. Оптимизация условий точения отбеленных чугунов пластинами из ПКНБ // Системные технологии. Региональный межвузовский сборник научных работ. Днепропетровск, 2008. Вып. 1 (54). С. 44-51.

6. Кравченко Ю. Г. Вероятность неразрушения режущей кромки пластин из композитов // Резание и инструмент в технологических системах: Междунар. науч.-техн. сб. Вып.73. Харьков: НТУ «ХПИ», 2007. С. 118-123.

7. Кравченко Ю. Г., Савченко Ю. В. Расчет удельной себестоимости обработки при точении // Сборник научных трудов НГУ. № 19. Т. 4. Днепропетровск: Национальный горный университет, 2004. С. 88-91.

УДК 621.09

Процессы изготовления инструмента для лезвийной обработки чугуна

Б. Я. Мокрицкий, А. А. Бурков, П. А. Саблин

Введение

Высокая прочность и износостойкость отдельных марок высокопрочных чугунов лимитирует работоспособность металлорежущего инструмента. В дробеметных машинах это имеет место при наружной токарной обработке заготовки детали «импеллер». Именно поэтому приобретает актуальность решение такой задачи, как разработка процессов упрочнения инструмента для заданных условий эксплуатации в рамках концепции проектирования эффективного технологического процесса изготовления инструмента.

Концепция эффективного процесса изготовления инструмента

Предположим, что каждое упрочняющее воздействие на инструмент в процессе его изготовления дает эффект повышения периода стойкости той или иной величины. Эффект

тем значительнее, чем больше этапов изготовления инструмента, на которых применены упрочняющие воздействия. В случае с твердосплавным инструментом, который традиционно рекомендуется для обработки чугунов, такими этапами являются:

• изготовление основы инструментального материала;

• упрочнение основы;

• архитектурирование упрочняющих покрытий;

• упрочнение покрытия.

Если на каждом из этих этапов изготовления инструмента иметь хотя бы по два разных решения, то в нашем распоряжении будет уже несколько (шестнадцать) решений. Это означает, что можно разработать арсенал разных технологических процессов изготовления инструмента и для конкретных условий эксплуатации нужно лишь выбирать из арсенала тот, который наиболее эффективен. Графически концепция представлена на рис. 1, конкретный пример — на рис. 2.

ЙпЛООБШТКА

Рис. 1. Структура создания арсенала технологических процессов изготовления инструмента:

ТП — технологический процесс изготовления инструмента; Ме — металл; МеЫ — химическое соединение (нитрид, карбид, карбонитрид, оксид и т. д.); ГТ — газотермическое нанесение покрытия; КИБ — нанесение покрытия конденсацией с ионной бомбардировкой

Рис. 2. Структура концепции многостадийных технологических процессов изготовления инструмента как последовательности воздействий по упрочнению исходного инструментального материала

Результаты исследования и их обсуждение

Выбор типовой марки инструментального материала проводили по рекомендациям работы [1]. Для указанных выше условий обработки возможно применение твердого сплава марки ВК3, сверхтвердого инструментального материала (композита) марки 01 или режущей керамики ВОК-60. Эти рекомендации правомерны для случая обработки непрерыв-

ных поверхностей. В нашем случае на цилиндрической поверхности имеются прорези (пазы), то есть имеет место циклическое на-гружение инструмента при обработке прерывистой поверхности заготовки (такие условия работы часто называют работой «на удар»). В силу этого применение композита 01 исключается. Применение твердого сплава марки ВК3 не оправдано (как показали предварительные пробы) из-за необходимости применения очень низких скоростей резания и потреб-

ности в последующем шлифовании поверхности. Исходя из балльной системы оценки работоспособности керамических пластин [1] выбрана квадратная форма пластины с главным углом в плане 45°. Также выбрана державка прямого типа D. Аналогично выбраны значения углов: передний угол составляет -5°, задний угол — 5°. Ширина фаски — 0,5 мм, угол наклона фаски составляет -10°. С учетом квалитета обработки IT7 и диаметра обработки [1] не может быть выбрана глубина резания более 0,13 мм. При этой глубине резания для условий непрерывной обработки выбраны (лист 9 карты 2 [1]) подача — от 0,08 до 0,15 мм/об, скорость резания — от 200 до 400 м/мин.

Далее в табличной форме приведены результаты оценки работоспособности инструмента в зависимости от применяемого метода упрочнения при варьировании параметров режима резания. Результаты (табл. 1) приведены для момента достижения износа (и микровыкрашиваний) 0,3 мм по задней поверхности ин-

струмента. Из данных табл. 1 следует, что применение упрочняющих воздействий позволяет повысить период стойкости инструмента ВОК-60 от 22 до 46 минут (58 мин при изменении формы пластины). Это заметное увеличение периода стойкости и оценка экономической составляющей могут показать эффективность того или другого технологического процесса изготовления инструмента.

Результаты (табл. 1) наглядно показаны на рис. 3 в виде гистограммы: повышение работоспособности инструмента, подвергнутого тому или другому технологическому приему упрочнения, в сравнении с инструментом в исходном состоянии.

Анализ гистограммы позволяет заключить следующее:

• Ударно-циклический характер нагру-жения инструмента (обработка поверхности с пазами) снижает период стойкости инструмента в 2,73 раза (см. инструментальный материал ВОК-60 без обработки и керамику В0К-60 + СТО) в сравнении с обработкой не-

Таблица 1

Сопоставительные данные для оценки эксплуатационных свойств инструментальных материалов, полученных по различным технологическим процессам изготовления

Характеристика точения Площадь поверхности, обработанной за период стойкости инструмента, тыс. мм2

Подача, мм/об Скорость резания, м/мин Период стойкости инструмента, мин Вид разрушения инструмента Мощность резания, кВт

Инструментальный материал ВОК-60

0,08 195 22 Износ, микровыкрашивания 0,28 760

0,08 150 24 Износ, микровыкрашивания 0,22 840

0,08 120 20 Скол 0,20 540

0,08 250 20 Скол 0,38 920

0,1  250 16 Скол 0,34 960

Керамика ВОК-бО + стабилизирующая термообработка

0,08 195 31 Износ, микровыкрашивания 0,28 1260

Керамика ВОК-бО + СТО + покрытие Ti

0,08 195 35 Износ 0,28 1410

Керамика ВОК-60+ СТО + покрытие Ti +

0,08 195 39 Износ 0,28 1600

Керамика ВОК-бО + СТО + Zr

0,08 195 38 Износ 0,28 1560

Керамика ВОК-бО + СТО + покрытие Zr + ZrNx

0,08 195 46 Износ 0,28 2150

Керамика ВОК-бО* + СТО + покрытие Zr +

0,08 * Круглаг 195 | 58 | Износ | 0,38 | 2650 пластина диаметром 9,0 мм и толщиной 4,7 мм.

метаАБШШ

о £

о

>о в

«S в й

3,0 -| 2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5

0

S

й

S

й

а

й

й

й

1 2 3 4 5 6 7 8 Варианты исполнения инструмента

Рис. 3. Гистограмма относительной работоспособности инструмента с различным состоянием инструментального материала при точении детали «импеллер» (за единицу принят период стойкости ВОК-60 в исходном состоянии):

1 — ВОК-60 в исходном состоянии; 2 — то же + обработка непрерывной поверхности; 3 - ВОК-бО + СТО; 4 — ВОК-бО + + СТО + покрытие Ti; 5 — ВОК-бО + СТО + покрытие Ti + TiNx; 6 — ВОК-бО + СТО + покрытие Zr; 7 — ВОК-бО + + СТО + покрытие Zr + ZrNx; 8 — ВОК-бО круглой формы + + СТО + покрытие Zr + ZrNx

прерывной поверхности. Достичь того уровня работоспособности, который имеет место при обработке непрерывной поверхности, не позволяет ни один из разработанных технологических приемов упрочнения инструмента.

• Применение покрытий с цирконием более эффективно, чем с титаном.

• Изменение формы пластины с квадратной на круглую (см. последние два раздела в таблице) позволило повысить работоспособность инструмента на 27 %.

Анализ данных табл. 1 позволяет сделать следующие промежуточные выводы:

• При выбранном режиме резания (глубина — О,13 мм, подача - О,О8 мм/об, скорость резания — 195 м/мин) требуемая шероховатость поверхности операцией точения обеспечивается. Если пластина имеет круглую форму, достигается квалитет обработки 1О-12. Нет необходимости в последующем шлифовании.

• Выбранный режим резания не приводит к разрушению инструмента сколом.

• Мощность резания и площадь обработанной поверхности не являются лимитирующими в данном случае. Процесс обработки лимитирован стойкостью инструмента.

• Период стойкости инструментального материала ВОК-бО существенно зависит от технологического приема его упрочнения.

• Упрочняющая обработка ВОК-бО позволяет применять пластины круглой формы с ростом качества поверхности.

Кратко приведем сведения о параметрах технологических приемов упрочнения указанных инструментальных материалов.

• Режущая керамика ВОК-бО в состоянии поставки. Инструментальный материал не подвергается никаким дополнительным воздействиям. При износе одной или нескольких режущих кромок (вершин), а также при их микровыкрашивании в процессе эксплуатации поворотом режущей пластины разрешалась эксплуатация следующей режущей кромки.

• Пластины ВОК-бО + СТО. Это означает, что пластины нагревали ионной бомбардировкой в установке типа «Булат» или «ННВ», работающей по методу конденсации с ионной бомбардировкой. Проводили нагрев до 83О-85О °C, выдерживали не более 2О мин (не допускали перегрев режущих кромок, остужали вместе с установкой).

• Пластины ВОК-бО + СТО + покрытие Ti. Выполняли действия, указанные в предыдущем пункте, и затем на этой же установке наносили слой покрытия из титана c толщиной в пределах 2-5 мкм.

• Пластины ВОК-бО + СТО + покрытие Ti + TiNx. Выполняли действия, указанные в предыдущем пункте, и затем на этой же установке по типовой инструкции наносили слой покрытия из нитрида титана. Толщину слоя титана выдерживали в пределах О,5-2,О мкм, толщину слоя нитрида титана — не более 3,О мкм.

• Пластины ВОК-бО + СТО + покрытие Zr. Выполняли действия, указанные во втором пункте, и затем на этой же установке наносили слой покрытия из циркония. Толщину слоя циркония выдерживали в пределах 2,О-5,О мкм.

• Пластины ВОК-бО + СТО + покрытие Zr + ZrNx. Выполняли действия, указанные в предыдущем пункте, и затем на этой же установке наносили слой покрытия из нитрида циркония. Толщину слоя циркония выдерживали в пределах О,5-2,О мкм, толщину слоя нитрида циркония — не более 3,О мкм.

• Круглые пластины ВОК-бО + СТО + Zr + + ZrNx. Использовали резец с гнездом под круглую пластину. Выполняли действия, указанные на два пункта выше, и затем на этой же установке наносили слой покрытия из нитрида циркония. Толщину слоя циркония выдерживали в пределах О,5-2,О мкм, толщину слоя нитрида циркония — не более 3,О мкм.

Более подробные сведения о режимах упрочнения инструментальных материалов приведены в работах [2-5]. Необходимо отметить, что имеются другие инструментальные материалы. Они могут конкурировать с ВОК-бО

Таблица 2

Сопоставительные данные для оценки эксплуатационных свойств различных инструментальных материалов

Характеристика точения Площадь поверхности, обработанной за период стойкости инструмента, 2 тыс. мм2

Подача, мм/об Скорость резания, м/мин Период стойкости инструмента, мин Вид разрушения инструмента Мощность резания, кВт

Инструментальный материал ВОК-71+ СТО + покрытие Zr + ZrNx

0,08 195 64,0 Износ - 3020

Сверхтвердый инструментальный материал марки «Томал»

0,08 100 2,2 Скол - -

0,08 195 3,0 Скол - -

0,08 300 1,5 Скол - -

Сверхтвердый инструментальный материал марки «Киборит»

0,08 195 46,0 Скол - 2150

Сверхтвердый инструментальный материал марки «Киборит» + СТО

0,08 195 64,0 Скол - 3020

по периоду стойкости в данных условиях обработки. Примеры применения таких материалов отражены в табл. 2.

• Режущая керамика ВОК-71. Сравнение табл. 1 и данных о ВОК-71 из табл. 2 показывает, что при упрочняющих воздействиях (термообработке и нанесении покрытия [6]) режущая керамика ВОК-71 обеспечивает работоспособность, превышающую работоспособность ВОК-60. Технологические особенности упрочнения ВОК-71 состоят лишь в том, что в нагретом состоянии пластины выдерживали 20-40 мин, затем в камеру вводили азот до давления 0,5 • 10-9 МПа, выдерживали еще 10-30 мин и охлаждали вместе с камерой.

• Сверхтвердый инструментальный материал марки «Томал». Данный инструментальный материал оказался неконкурентным. Его разрушение происходит только сколом, варьирование режима резания заметных результатов не дало.

• Сверхтвердый инструментальный материал марки «Киборит». Данный инструментальный материал оказался эффективным как в состоянии поставки, так и в состоянии упрочняющей термообработки.

Выводы

Рекомендации по выбору инструмента для указанных условий обработки ограничены. Типовые инструментальные материалы не ре-

комендуются. Разработанные технологические процессы упрочнения режущей керамики позволили увеличить ее период стойкости до 39-58 мин. Хорошую работоспособность (46 мин) показал сверхтвердый инструментальный материал «Киборит», особенно после упрочняющей вакуумной термообработки.

Литература

1. Промптов А. И., Лившиц О. П., Замащиков Ю. И.

и др. Рекомендации по выбору режимов резания финишных операций точения, растачивания, торцевого фрезерования инструментом, оснащенным твердым сплавом, керамикой и композитом: Учеб. пос. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2000. 104 с.

2. А. с. № 1520890 СССР. Способ изготовления инструмента из оксидно-карбидной керамики / Ю. Г. Кабал-дин, Б. Я. Мокрицкий, А. А. Андреев и др. Опубл. 10.04.2010. Бюл. № 10.

3. А. с. № 1639087 СССР. Способ изготовления инструмента из режущей керамики / Ю. Г. Кабалдин, Б. Я. Мокрицкий, А. С. Верещака и др. Опубл. 10.04.2010. Бюл. № 10.

4. А. с. № 1759035 СССР. Способ изготовления режущего инструмента из керамики / Б. Я. Мокрицкий, Ю. Г. Кабалдин, В. Н. Медакин и др. Опубл. 27.01.2010. Бюл. № 3.

5. А. с. № 1766095 СССР. Способ изготовления режущего инструмента из режущей керамики / Б. Я. Мо-крицкий, В. Н. Медакин, Н. И. Южакови др. Опубл. 27.01.2010. Бюл. № 3.

6. А. с. № 1616056 СССР. Способ изготовления режущего инструмента / Б. Я. Мокрицкий, Ю. Г. Кабалдин, О. Б. Ковалев и др. Опубл. 27.01.2010. Бюл. № 3.