Повышение работоспособности твердосплавного инстумента при лезвийно-упрочняющей механической обработке деталей из высокопрочного чугуна

УДК 621.91.10

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТУМЕНТА ПРИ ЛЕЗВИЙНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

Л.И. Путятина, доцент, к.т.н., Л.А.Тимофеева, профессор, д.т.н., УкрГАЖТ, Н.А. Лалазарова, доцент, к.т.н., ХНАДУ, Е.Г. Попова, доцент, НАУ им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»

Аннотация. Исследована работоспособность твердосплавного инструмента после виброабразивной обработки при лезвийно-упрочняющей механической обработке высокопрочного чугуна с различной структурой металлической матрицы. Виброабразивное упрочнение в исследуемых условиях обеспечивает рост среднего периода стойкости режущих пластин в 1,7-2,6 раза.

Ключевые слова: высокопрочный чугун, твердосплавный инструмент, виброабразивная обработка.

Введение

На современном этапе весьма перспективным конструкционным материалом для отечественного машиностроения (в т.ч. для железнодорожного транспорта) является высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ). Благодаря своим физико-механическим и литейным свойствам он с успехом может использоваться вместо дорогого стального проката, серого и ковкого чугунов [1].

По мере увеличения нагрузок на детали в машинах и узлах требуется создание эффективных методов окончательной механической обработки и поверхностного упрочнения с целью обеспечения необходимых эксплуатационных свойств поверхностного слоя чугунных деталей (износостойкость, контактная жесткость, усталостная прочность и т.д.).

Разработанная технология лезвийно-упрочняющей механической обработки деталей из высокопрочного чугуна обеспечивает проведение чистовой механообработки со снятием припуска (при точении) и одновременным упрочнением поверхностного слоя изделия. В результате в поверхностном слое происходят структурные превращения с получением упрочненного (белого) слоя [2, 3]. Такой метод

сопровождается значительными удельными давлениями и температурами в зоне обработки, что приводит к низкой работоспособности твердосплавного инструмента.

Состояние вопроса

Эффективность работы режущего инструмента является важным, а зачастую и решающим фактором интенсификации процесса обработки резанием. В настоящее время наиболее перспективным методом упрочнения твердосплавного инструмента является виброабразивная обработка (ВАО) [4, 5]. Эта технология является ресурсосберегающей и экологически чистой. В результате выполнения одной операции одновременно обеспечивается скругление режущих кромок, уменьшение параметров шероховатости режущих кромок и поверхностей лезвия, образование в поверхностном слое твердого сплава сжимающих остаточных макронапряжений. Перечисленные изменения благоприятно влияют на прочность и износостойкость твердосплавного инструмента, что обеспечивает увеличение производительности обработки деталей, улучшение показателей безотказности и долговечности инструмента, уменьшение расхода твердых сплавов. Кроме того, процесс отличается простотой и экономичностью.

Технология виброабразивной обработки имеет опыт успешного внедрения на машиностроительных предприятиях. Однако упрочненный с помощью виброабразивной обработки инструмент эксплуатируется в основном при обработке углеродистых и ле-тированных сталей. Аналогичного опыта при обработке деталей из высокопрочного чугуна нет. Поэтому научный и практический интерес представляет исследование эффективности работы твердосплавного инструмента, упрочненного ВАО, при лезвийно-упрочня-ющей обработке деталей из высокопрочного чугуна.

Цель работы

Цель работы - изучение характера износа и стойкости резцов с пластинами из твердого сплава Т15К6 после виброабразивного упрочнения при лезвийно-упрочняющей обработке высокопрочного чугуна с различной структурой металлической матрицы.

Результаты эксперимента и их обсуждение

Виброабразивное упрочнение является результатом ударов частиц наполнителя по инструменту, засыпанному вместе с наполнителем в вибрирующий контейнер: 15 - 20% объема контейнера загружают инструментом, 70 - 75% - наполнителем (бой абразивных кругов). Свойства инструмента при виброабразивном упрочнении повышаются за счет оптимального радиуса округления режущих кромок и вершин, малой шероховатости режущих поверхностей и кромок, благоприятного рельефа поверхности, а также наклепа, аллотропических превращений и остаточных напряжений в поверхностном слое на глубину до 0,01 мм.

Для экспериментальных исследований использовались цилиндрические образцы из высокопрочного чугуна, применяемого в настоящее время для производства ответственных деталей двигателей внутреннего сгорания (коленчатых и распределительных валов, поршневых колец, шатунов и т.д.), следующего химического состава: 3,3 - 3,8% С, 2,4 -3,2% 81, 0,5 - 0,9% Мп, 0,045 - 0,08% Р, 0,004

- 0,007% 8, 0,1-0,15% N1, 0,05-0,1% Сг, 0,04

- 0,09% М§. Чугунные образцы, полученные из одной плавки, затем подвергались различ-

ным видам термической обработки. Режимы термообработки и результаты металлографического анализа экспериментальных образцов представлены в табл.1.

Таблица 1 Режимы термической обработки, структура и твёрдость высокопрочного чугуна

Режим термической обработки Структура металлической матрицы Твёрдость

НВ НЯС

1. Закалка с 850°С, выдержка 1 час, отпуск при 200°С, выдержка 2 часа Мартенсит отпуска - 47 - 51

2. Закалка с 850°С, выдержка 1 час, отпуск при 340°С, выдержка 2 часа Троостит отпуска - 44 - 47

3. Закалка с 850°С, выдержка 1 час, отпуск при 550°С, выдержка 2 часа Сорбит отпуска 285311 -

4. Нормализация: нагрев до 850°С, выдержка 1,5 часа, охлаждение с обдувом Перлит (75%) + +феррит (25%) 248302 -

Виброабразивную обработку инструмента проводили на специальной виброабразивной установке ВМ40С с камерой объемом 40 л, предназначенной для упрочнения твердосплавных пластин, напайных резцов и ножей фрез. Установка отличается высокой производительностью, низким уровнем шума, удобством обслуживания, отсутствием вредных экологических воздействий. Твердосплавные пластины упрочняли в среде боя абразивных кругов грануляции 10 - 20 мм, массой 60 кг, с частотой 46 Гц, амплитудой 0,9 мм, продолжительность обработки 200 мин. Все пластины упрочняли одновременно с непрерывной промывкой содовым раствором. Радиус скругле-ния режущих кромок при таких режимах был равен р « 40 мкм. Результаты экспериментальных исследований стойкости резцов с твердосплавными упрочненными пластинами сравнивались с полученными данными при аналогичной обработке высокопрочного чугуна неупрочненным инструментом из Т15К6, для которого р « 10 мкм.

При контроле на микроскопе МИС-11 отклонения радиуса не превышали 10%, выкрашивание и другие дефекты отсутствовали, шероховатость режущих кромок и поверхностей

значительно улучшилась, поверхность после упрочнения - матовая.

При определении работоспособности твердосплавного инструмента (до и после виброабразивного упрочнения) в процессе лезвийно-упрочняющей обработки высокопрочного чугуна с различной структурой металлической матрицы за критерий затупления резцов принимался износ по задней поверхности Нз = 0,55 мм; износ контролировался и измерялся на инструментальном микроскопе БМИ-1 с точностью 0,01 мм через каждые Ь = 500 м пути резания. Величина износа и стойкость инструмента определялись как среднее арифметическое по результатам трех параллельных опытов. Пластины испытывали на станке 16К20 при продольном точении без СОТС. Режимы обработки принимались оптимальными для каждой структуры металлической матрицы чугуна [3]. Геометрические параметры резцов из Т15К6 были следующими: у = - 40°, а = а = 8°, ф = 60°, ф1 = 15°, // = 0,25 мм.

На производстве в настоящее время применяют три основные разновидности виброабразивной обработки сменных многогранных пластин: виброабразивная обработка, при которой пластины равномерно распределяются по объему рабочей камеры, содержащей абразивные материалы с гранулами 10 - 30 мм; виброабразивная обработка, при которой пластины размещают поштучно в отдельных ячейках ложементов, содержащих абразивные материалы с гранулами 2 - 10 мм; виброабразивная обработка, при которой обрабатываемые пластины размещают поштучно в отдельных ячейках кассет, содержащих шлифзерно зернистостью 125.

Виброабразивная обработка полностью сглаживает неровности на режущих кромках, образовавшиеся в процессе шлифования пластин, и формирует новый изотропный рельеф. При исходном параметре шероховатости режущей кромки Яа = 2,5.. .1,0 мкм после 2 часов обработки последняя уменьшается до Яа = 0,5 - 0,16 мкм. Глубокие следы выкрашиваний (0,3 - 1,0 мм) на режущих кромках также значительно сглаживаются, а их края округляются. При виброабразивной обработке пластин из твердых сплавов на рекомендуемых режимах образуются только сжимающие напряжения, причем они возрастают с повышением режимов обработки [5]. В ре-

зультате виброабразивной обработки имеет место значительное пластическое деформирование кобальтовой фазы, которая из кубической модификации частично переходит в гексагональную. Толщина пластически деформированного слоя при виброабразивной обработке составляет 10 - 30 мкм.

Анализируя экспериментальные данные (табл. 2), можно сделать вывод, что стойкость упрочненных виброабразивной обработкой пластин из твердого сплава Т15К6 по сравнению с необработанными пластинами при упрочняющем точении ВЧ111Г увеличилась в 1,5 - 3,3 раза (в зависимости от структуры металлической матрицы чугуна). При этом необходимо отметить, что виброобработан-ные пластины практически не имеют зоны приработки. Изнашивание упрочненных пластин происходит равномерно на всем периоде стойкости инструмента.

Характер износа упрочненных виброабразивной обработкой резцов практически не отличается от износа при работе неупрочненным инструментом: износ с самого начала развивается по передней и задним поверхностям резца. Если на острозаточенных (неупроч-ненных) пластинах в первые минуты работы наблюдаются микровыкрашивания режущих кромок, по которым в дальнейшем развивается изнашивание, то при работе виброу-прочненным инструментом на начальном этапе износ имеет явную тенденцию к абразивному: на рабочих поверхностях твердосплавных пластин меньше микротрещин и выкрашиваний. В табл. 2 приведены результаты стойкостных испытаний виброобрабо-танных пластин при лезвийно-упрочняющей обработке ВЧШГ с различной структурой металлической матрицы. Виброабразивная обработка инструмента в исследуемых условиях обеспечивает рост среднего периода стойкости пластин Гер в 1,7 - 2,6 раза. От 60 до 90% отказов неупрочненных пластин были связаны с выкрашиванием и поломками. Основным видом отказов виброобработнных пластин было изнашивание, а число поломок пластин уменьшилось в 1,5 - 3 раза. Наибольшее повышение среднего периода стойкости имеет место для тех пластин, которые характеризуются наибольшим числом выкрашенных лезвий при работе неупрочнен-ным инструментом. Коэффициент вариации стойкости Кср при этом уменьшается в 1,4 -1,75 раза.

Таблица 2 Показатели работоспособности твердосплавного инструмента,

упрочненного виброабразивной обработкой

Структура металлической матрицы чугуна Инструментальный материал

Т15К6 Т15К6 + ВАО

Т ± т мин Т ± ср? мин Т -Т ± п ± ср? мин Кп Кср Т ± п •> мин Тср, ср мин Т -Т ± п ± ср? мин Кп Кср

Мартенсит отпуска 9 14 5 0,35 0,21 20 24 4 0,17 0,14

15 1 0,07 23 1 0,04

17 3 0,21 29 5 0,21

Троостит отпуска 14 18 4 0,22 0,24 30 35 5 0,14 0,14

16 2 0,11 41 6 0,17

25 7 0,39 39 4 0,11

Сорбит отпуска 20 32 8 0,25 0,21 66 80 14 0,18 0,12

36 4 0,13 84 4 0,05

40 8 0,25 90 10 0,13

Перлит +феррит 22 35 7 0,2 0,23 70 92 12 0,13 0,14

39 4 0,11 105 13 0,14

48 13 0,37 101 9 0,1

В результате уменьшения сколов режущей кромки при работе виброупрочненным инструментом удалось повысить среднее число периодов стойкости в 1,2 - 1,5 раза, что вместе с увеличением среднего периода стойкости обеспечивало рост полного среднего периода стойкости упрочненных пластин в 1,8 - 2,5 раза.

Выводы

Приведенные в работе результаты экспериментальных исследований свидетельствуют об эффективности виброабразивного упрочнения для повышения работоспособности и надежности твердосплавного инструмента при лезвийно-упрочняющей обработке деталей из высокопрочного чугуна.

Литература

1. Солнцев Л.А., Зайденберг А.Ф., Малый А.Ф. Получение чугунов повышенной прочности. - Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1986. -152 с.

2. Бабей Ю.И. Физические основы импульс-

ного упрочнения стали и чугуна. - Киев: Наукова думка, 1988. - 240 с.

3. Путятша Л.1., Тимофеева Л.А., Лалазаро-

ва Н.О. Дослщження працездатносп ш-струмента при змщнювальнш мехашчнш обробщ високомщного чавуну // Вюник НТУ «ХП1»: Зб. наук. праць. Тематич. випуск: Технологи в машинобудуванш. -Харюв: НТУ «ХП1». - 2002. - № 19. -С.81 - 84.

4. Хает Л.Г., Гах В.М., Черномаз ВН. Форми-

рование поверхностного слоя при отде-лочно-упрочняющей обработке твердых сплавов // Сверхтвердые материалы. -1984. - №6. - С. 43 - 49.

5. Гах В. М. Повышение режущих свойств

твердосплавного инструмента путем виброабразивной обработки: Автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.03.01 / РИСХМ. -Ростов-на-Дону, 1990. - 24 с.

Рецензент: В.И. Мощенок, профессор, к. т. н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 17 июля 2009 г.