РЕЖУЩАЯ ПЛАСТИНА ИЗ КЕРАМИКИ

Полезная модель относится к обработке металлов резанием, в частности, к прерывистому точению и растачиванию отливок из серых чугунов.
В настоящее время изготавливаются режущие пластины из керамики для конкретных условий эксплуатации, которые характеризуются определенным набором внешних нагрузок. Однако эти режущие пластины не способны эффективно противостоять отказам под действием других внешних нагрузок. Это связано со значительным влиянием напряженно-деформированного состояния керамических режущих пластин на вероятность зарождения в них эксплуатационных дефектов и развития трещин.
Особо сложное напряженно-деформированное состояние режущих пластин формируется в условиях прерывистой обработки и, в частности, при прерывистом точении отливок из серых чугунов. Режущие пластины из керамики, созданные специально для непрерывного точения и фрезерования, не выдерживают экстремально высоких и нестабильных нагрузок, что приводит к резкому увеличению их непрогнозируемых отказов. Повысить эксплуатационные показатели режущих пластин из нитридной керамики в условиях высоких и нестабильных силовых и тепловых нагрузок возможно на основе системного подхода к их разработке, изготовлению и эксплуатации.
Как показывает практика, геометрические параметры керамических режущих пластин оказывают существенное влияние на их эксплуатационные показатели.
Также известен способ увеличения стойкости режущей пластины, за счет изготовления на режущей кромке упрочняющей фаски специальной геометрии и формы (см. RU 45106 U1, 7 В23С 5/20, опубл. 27.04.2005 г.)
Наиболее близким решением из уровня техники по технической сути является конструкция режущей пластины, имеющая упрочняющую фаску с постоянным значением угла наклона к передней поверхности и постоянную ширину по всему периметру режущих кромок. Такие пластины эффективно используются при непрерывном точении (РКС22) и фрезеровании (РКС31) серых чугунов. (Кузин В.В. Инструменты с керамическими режущими пластинами. М.: Янус-К. 2006. 160 с.).
Недостатком данной известной из уровня техники режущей пластины следует отнести большую величину износа по задней поверхности и повышенное значение интенсивности напряжений в режущей пластине, формирующихся под действием распределенной силовой нагрузки, возникающей при прерывистом точении отливок из серых чугунов. Эти увеличенные напряжения приводят к разрушению и сколу режущей кромки и преждевременному выходу пластины из работоспособного состояния. Риск таких дефектов возрастает в процессе прерывистого точения отливок из серых чугунов, который сопровождается присутствием литейной «корки» на обрабатываемых поверхностях, переменной величиной припуска, повышенном дисбалансом заготовки, наличием технологических отверстий. Это означает крайне высокую нестабильность циклических силовых и тепловых нагрузок действующих на режущую пластину и интенсивное действие ударных сил на активную часть режущей кромки пластины.
В результате изучения кинетики отказов керамических режущих пластин при прерывистом точении заготовок из серых чугунов выявлено следующее, что основной причиной отказов этих режущих пластин из работоспособного состояния является износ задней поверхности. Особенностью кинетики изнашивания режущих пластин из керамики является четкий контур фаски износа задней поверхности вдоль их лезвия. На общем участке износа выделяются три характерные области, имеющие разную морфологию поверхности износа. Первая область образуется при вершине режущей пластины, вторая - в средней части активного участка лезвия, а третья - на периферии активной части лезвия режущей пластины. Наибольшие значения фаски износа задней поверхности этих режущих пластин во всех случаях фиксируются на периферийном участке активной части их лезвия. В формировании поверхности этого изношенного участка режущих пластин задействованы механизмы межкристаллитного и транскристаллитного разрушения, ведущая роль этих механизмов, определяется тем, что на каждом характерном участки износа задней поверхности действует оригинальный набор эксплуатационных нагрузок. Этот набор характеризуется определенным сочетанием теплового потока, сосредоточенных и распределенных сил. Каждый набор нагрузок определяет ведущий механизм микроразрушения или скола режущей пластины при прерывистом точении отливок из серого чугуна.
В основу заявленной полезной модели была положена задача управления эксплуатационными нагрузками за счет создания специальной геометрии упрочняющей фаски на режущей кромке, с целью минимизации действия неблагоприятных нагрузок на их задней поверхности и уменьшения вероятности появления эксплуатационных дефектов, в виде микротрещин, в режущей пластине из керамики при прерывистом точении отливок из чугунов.
Поставленный технический результат, решается посредством того, что режущая пластина из керамики, выполненная в виде многогранника, имеющая верхнюю, нижнюю и боковые поверхности, режущие кромки, образованные пересечением верхней и нижней поверхностей с боковыми поверхностями, а также с упрочняющими фасками на режущих кромках, согласно полезной модели, каждая из упрочняющих фасок выполнена в виде винтовой радиусной поверхности, при этом угол наклона упрочняющей фаски к передней поверхности, вдоль режущей кромки составляет от 10 до 25°, а ширина фаски составляет 0,15-0,35 мм.
Полезная модель поясняется графическими материалами.
Фиг.1 - чертеж пластины, вид сверху;
Фиг.2 - чертеж пластины, вид сбоку;
Фиг.3 - вид I-I (сечение) из фиг.1 в увеличенном (в десять раз) масштабе;
Фиг.4 - вид II-II (сечение) из фиг.1 в увеличенном (в десять раз) масштабе;
Фиг.5 - вид III-III (сечение) из фиг.1 в увеличенном (в десять раз) масштабе;
Фиг.6 - вид IV-IV (сечение) из фиг.1 в увеличенном (в десять раз) масштабе.
Режущая пластина из керамики, выполненная в виде многогранника имеет верхнюю поверхность 1, нижнюю поверхность 2 и боковые поверхности 3, режущие кромки 4, образованные пересечением верхней поверхности 1 и нижней поверхности 2 с боковыми поверхностями 3, а также расположенные по периметрам верхней поверхности 1 и нижней поверхности 2 наклонные фаски 5, выполненные виде винтовой радиусной поверхности. Фаски имеет ширину 0,15-0,35 мм и примыкают к режущим кромкам 4 таким образом, что часть каждой криволинейной (в поперечном сечении) поверхности фаски 5 является частью режущей кромки 4. Поверхность наклонной фаски 5 в поперечном сечении представлена частью окружности с радиусом R, шириной f, измеряемой в проекции на переднюю поверхность, и углом наклона γ к передней поверхности. Угол наклона у фаски 5 составляет 10-25°, ширина фаски f составляет 0,15-0,35 мм, а радиус фаски R равен 1,0-5,0 ширины фаски f. Указанные диапазоны значений геометрических параметров конструкции пластины из керамики получены расчетным путем и подтверждены экспериментально.
3
4
2
3
2
3
Технологический процесс изготовления режущих пластин из нитридной керамики включал следующие операции: термическая обработка исходного порошка нитрида кремния, смешивание компонентов керамического материала, прессование порошковых заготовок, горячее изостатическое прессование заготовок, заточка режущих пластин. Режущая пластина имеет состав - 68%SiN-5%YO-2%AlO-25%SiC.
Рациональный выбор компонентов нитридной керамики, ширины и угла упрочняющей фаски на режущих кромках обеспечил уменьшение напряжений в режущих пластинах, снижение на 15-20% вероятности появления в них поврежденностей (эксплуатационных дефектов), что позволило повысить стойкость разработанных режущих пластин на 30-50% по сравнению с пластинами РКС22 и РКС31.
Данная конструкция режущей пластины была изготовлена и прошла испытания на лабораторной базе ГОУ ВПО МГТУ «Станкин» с положительным результатом при прерывистом точении отливок из серых чугунов, (см. таблицу 1).
Таблица 1.
Ширина фаски износа
Значение упрочняющей фаски f∙γ
0,1 мм ∙5°
0,15 мм ∙10°
0,25 мм ∙20°
0,35 мм ∙25°
0,4 мм∙30°
h<sub>з вершина</sub>
0,35
0,21
0,26
0,31
0,38
h<sub>з переферия</sub>
0,7
0,4
0,42
0,47
0,6
з
Как видно из таблицы ширина фаски и угол ее наклона при выходе за границы заявленного интервала приводит к увеличению интенсивности изнашивания по задней поверхности на всем участке активной части лезвия. При достижении значений фаски износа h=0,5-0,7 мм значительно увеличиваются термические напряжения в режущих пластинах из керамики, что приводит к резкому повышению вероятности их непрогнозируемых отказов и выходу из работоспособного состояния.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимых пунктах формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата. Свойства, регламентированные в заявленной режущей пластине из керамики отдельными признаками общеизвестны из уровня техники, и не требуют дополнительных пояснений. Однако, следует отметить, что заявленная совокупность существенных признаков на дату приоритета неизвестна из уровня техники и обеспечивает эффективное применение режущей пластины из керамики при прерывистом точении отливок из серых чугунов.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования в области машиностроения, а в частности, на предприятиях автомобиле- и тракторостроения на операциях точения и растачивания деталей, выполненных из отливок из серых чугунов;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствуют требованию условия патентоспособности «промышленная применимость» по действующему законодательству.