Совершенствование сменных многогранных пластин для обработки жаропрочных сплавов

УДК 621.9.025.7

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СМЕННЫХ МНОГОГРАННЫХ ПЛАСТИН ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

С.В. Михайлов, М.Ю. Глумин

Изложены особенности проектирования сложнопрофильных сменных многогранных пластин, работающих в условиях повышенных деформаций, сил и температур резания. Показаны пути совершенствования сменных режущих пластин для обработки нержавеющих, жаропрочных и титановых сплавов. Представлены результаты испытаний опытных образцов пластин при точении труднообрабатываемых материалов.

Ключевые слова: резание жаропрочных материалов, проектирование инструментов, дробление стружки, сложнопрофильные токарные пластины.

В настоящее время 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. В соответствии с классификацией ISO труднообрабатываемые нержавеющие, немагнитные, износостойкие и теплостойкие стали входят в группу обрабатываемости М. Специальные жаропрочные сплавы на основе Ni, Co, Fe, Ti выделены в группу обрабатываемости S. Обе группы материалов обладают рядом общих физико-механических свойств, обуславливающих 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 явлений адгезии и диффузии, увеличение износа рабочих поверхностей инструмента, возникают более интенсивные автоколебания технологической системы [1, 2].

Специфические особенности резания труднообрабатываемых нержавеющих и жаропрочных сплавов предъявляют дополнительные требования к режущему инструменту [3].

Главными проблемами, с которыми приходится сталкиваться при проектировании режущих пластин, являются: высокие силы и температура в зоне резания; концентрация сил резания вблизи режущей кромки; цикличность стружкообразования, склонность к вибрациям при резании; большая зависимость работоспособности инструмента от скорости резания; повышенное влияние геометрии инструмента на параметры качества поверхностного слоя, в том числе на глубину наклепанного слоя и оста-

58

точные 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. При обработке жаропрочных материалов наблюдается повышенный износ задней поверхности пластины, интенсивное лункообразование на передней поверхности, выкрашивание нерабочих кромок сходящей с резца стружкой, возникновение проточин на главной режущей кромке (рис.1).

Указанные факторы вызывают необходимость применения инструментов, изготовленных из твердых сплавов, обладающих более высокой теплостойкостью, хорошей сопротивляемостью абразивному и адгезионному износу, стабильностью режущих свойств.

Рис. 1. Характерные виды износа твердосплавных пластин при обработке нержавеющих и жаропрочных сплавов: а - износ по задней поверхности; б - лунка на передней поверхности; в - выкрашивание нерабочей кромки; г - проточины на главной режущей кромке

Повышенные требования предъявляются и к геометрии инструмента, оказывающей существенное влияние на механику резания и его выходные характеристики. Ведущие инструментальные компании активно работают над созданием специальных линеек сменных многогранных пластин

59

(СМП), предназначенных для обработки резанием материалов групп М и S. К числу оригинальных конструкций следует отнести разработки, представленные в патентах [4-6]. Так в компании «Кеннаметал» предложили конструкции пластин без стружколома с шероховатым микрорельефом на передней поверхности. В одном из вариантов конструкции фирмы «Дженерал электрик компани» передняя поверхность пластины снабжена стружечными канавками дугообразного сечения, расположенными перпендикулярно к задней поверхности. Японской компанией «Тунгалой корпорейшн» для обработки жаропрочных сплавов предложена конструкция режущей пластины с выступающими элементами, расположенными в углублении стружкозавивающей канавки.

Анализ имеющихся и новых разработок СМП для токарной обработки жаропрочных и нержавеющих материалов позволяет сделать следующие выводы. Проектирование сложнопрофильного инструмента в первую очередь связано с решением задач механики стружкообразования и прочности лезвия инструмента. Уменьшение силы стружкообразования и более благоприятного распределения контактных давлений на лезвии инструмента успешно решается путем создания положительных углов схода стружки с укороченной передней поверхности режущей пластины. Уменьшение и стабилизация длины пластического контакта стружки с передней поверхностью инструмента приводит к уменьшению степени пластической деформации срезаемого слоя и, как следствие, сил и температуры резания. В условиях неустойчивого процесса стружкообразования СМП с укороченной передней поверхностью способны повысить виброустойчивость процесса резания. Наибольший эффект получается в результате совмещения укороченной передней поверхности с оптимально расположенным стружкозавивающим уступом. В этом случае стружкодробление не приводит к дополнительному увеличению сил резания. При назначении геометрических параметров необходимо учитывать, что увеличение передних углов на укороченном участке контакта со стружкой повышает качество поверхностного слоя деталей, вызывая уменьшение глубины наклепа и остаточных напряжений в нем. Ограничительным фактором является прочность режущей пластины.

Неравномерный износ режущей пластины во многом связан с неравномерной температурой в зоне резания [7]. 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.

С целью выравнивания износа вдоль режущей кромки необходимо перераспределить тепловые потоки и обеспечить снижение температуры на граничных участках контакта инструмента с заготовкой. Расчеты пока-

60

зывают, что перераспределение тепловых потоков вдоль кромки становится возможным в следствие изменения угла заострения в режущего клина на различных участках путем подбора переднего угла у и формы стружко-завивающей поверхности.

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 [8]. 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. Влияние каждого из этих факторов на траекторию движения стружки осуществляется 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 [9].

Изложенные принципы проектирования были использованы при разработке новых пластин 8КМО 120412 8М, СКМО 120408 8М для получистового точения жаропрочных сплавов. В качестве исходных данных построения модели сложнопрофильных пластин использовались физико-механические свойства обрабатываемого и инструментального материалов, режимы и схема резания, начальные геометрические параметры пластины (ф, фь г, а). Расчет параметров зоны резания, формы и размеров рабочих поверхностей СМП осуществлялся по математическим моделям, приведенным в работе [8].

В результате проектирования предложена новая геометрия СМП с расположенными вдоль режущих кромок стружкозавивающими поверхностями переменного профиля (рис. 2).

Отличительной особенностью конструкций является наличие специальных выступающих элементов, расположенных в углублении струж-козавивающей канавки. Элементы отстоят от кромки на расстоянии двух-трех длин контакта стружки с передней поверхностью. Высота элементов не превышает уровня плоскости фасок, примыкающих к режущим кром-

кам пластины. Конструкция позволяет снизить трение стружки с резцом и уменьшить тем самым тепловыделение в зоне резания. Уменьшается деформация сопротивления стружки и, следовательно, вибрации инструмента.

Рис.2. Геометрии передних поверхностей новых СМП: 1-укороченная передняя поверхность; 2 - задняя поверхность; 3 - стружкозавивающая поверхность; Нф - ширина фаски; уф - передний угол фаски

Кроме того, стружкодеформирующие выступы уменьшают абразивный износ элементов стружколома, что способствует поддержанию постоянства направления выхода стружки в течение длительного периода времени. Важным преимуществом конструкции является расширение диапазона стружкодробления.

Технология изготовления данных пластин разработана и реализована на ведущих Российских инструментальных заводах. Для обработки жаропрочных сплавов получены новые твердые сплавы: УШ1012, УЖ1112, АР20АМ, АР10АМ. Внешний вид резца, оснащенного сменной режущей пластиной СММО 120408 SM, показан на рис. 3.

Производственные испытания пластин были проведены на базе предприятия ПАО «НПО «Сатурн». На токарном станке с ЧПУ БЕМ30КСС1000 обрабатывалась деталь «Диск турбины». Материал заготовки -ХН73МБТЮ-ВД. Режимы резания: у=23...25 м/мин, 5=0,2 мм/об, 1=2 мм.

Рис. 3. Внешний вид резца, оснащенного пластиной СМИв120408 ЗИ

Результаты сравнительных испытаний показали, что работоспособность новой пластины SNMG 120408-SM AR10ST сопоставима с пластиной SNMG 120408-QM 1105. Износ обеих пластин по задней поверхности составил 0,1 мм (рис. 4).

а) 6)

Рис. 4. Фотографии пластин после производственных испытаний: а - пластина ЗМИв120408-ЗИ ЛЯ10ЗТ; б - пластина ЗМИв 120408-дИ 1105

На основании положительных производственных испытаний новые пластины могут быть рекомендованы к широкому применению на предприятиях ОДК взамен импортных аналогов.

Список литературы

1. Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов. М.: Высшая школа, 1974. 587 с.

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

3. Проектирование и производство сложнопрофильных токарных пластин для обработки жаропрочных сплавов / С.В. Михайлов, Н.Ю. Кове-ленов, А.С. Михайлов [и др.] // Металлообработка. 2015. № 6(90). С. 2 - 10.

4. Патент RU2136449C1. «Кеннаметал инк». США. 1999.

5. Патент Ш4583431В. «Дженерал электрик компани». США, 1986.

6. Патент RU 2492970-2013. «Тунгалой корпорейшн». Япония, 2013.

7. Проскоков А.В., Воробьев А.В., Моховиков А.А. Обеспечение равномерного изнашивания сменных многогранных пластин путем измерения топографии передней поверхности // Современная техника и технологии: труды Восьмой МНПК студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск: Изд-во. ТПУ, 2001. Т1. С. 171 - 172.

8. Михайлов С.В. Компьютерное прогнозирование и системный анализ причинно-следственных связей процессов образования, завивания и дробления сливной стружки. Кострома: Изд-во Костром. гос. технол. ун-та, 2009. 159 с.

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

Михайлов Станислав Васильевич, д-р техн. наук, проф., michsvayandex.ru, Россия, Кострома, Костромской государственный университет,

Глумин Михаил Юрьевич, асп., mikrianjaamail. ru, Россия, Кострома, Костромской государственный университет

IMPRO VEMENT OF REPLACEMENTMULTIPLATE PLATES FOR PROCESSING

OF HEA T-RESISTANT ALLOYS

S. V. Mikhailjv, M. Y. Glumin

The peculiarities of the design of complex profile interchangeable multi-faced plates that work under conditions of increased deformations, forces and cutting temperatures are described. The original designs of replaceable cutting inserts for processing stainless, heat-resistant and titanium alloys have been developed. The results of tests of prototypes of plates for turning stainless and heat-resistant alloys are presented.

Key words: cutting of heat-resistant materials, designing tools, chip shattering, complex profile turning plates.

Mikhailov Stanislav Vasilievich, doctor of technical sciences, professor, michsva, yandex. ru, Russia, Kostroma, Kostroma State University,

Glumin Mikhail Yurievich, postgraduate, mikrianjaa mail. ru, Russia, Kostroma, Kostroma State University