СПОСОБ ОТВОДА ТЕПЛА ОТ КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
METHOD OF HEAT REMOVAL FROM CONTACT SURFACES OF CUTTING TOOL

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для повышения надежности и стойкости режущего инструмента.
Известен металлорежущий инструмент (а.с. №632497, кл. В23В 27/10, 1978), в державке которого закреплен кристалл алмаза, со средством отвода тепла, выполненным в виде охватывающей державку оправки с отходящими от нее стержнеобразными элементами, направленными в сторону кристалла алмаза.
Известен сборный резец (а.с. №902982, кл. В23В 27/10, 1982), у которого на боковой и опорной поверхности гнезда и на поверхности прихвата, контактирующей с режущей пластиной, выполнены канавки, соединенные между собой.
Недостатком аналогов является их относительно низкая эффективность, так как охлаждаемые поверхности удалены от главных источников тепла, имеющих место в компактных зонах «передняя поверхность - стружка» и «задняя поверхность - обрабатываемый материал», тепловое состояние которых оказывает доминирующее влияние на интенсивность износа и прочность режущего клина, при этом отвод тепла от контактных поверхностей в тело инструмента ограничивается низким коэффициентом теплопроводности инструментального материала.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является способ улучшения отвода тепла от режущих элементов инструментов путем нанесения высокотеплопроводных материалов со стороны передней и задней поверхностей режущего клина. При этом нанесение материала производится электролитическим покрытием или напылением (а.с. №65413, кл. В23В 27/02, 1945).
Недостатком прототипа является то, что покрытие из высокотеплопроводных материалов, обладая низкой прочностью и твердостью, с началом процесса резания удаляется с контактных поверхностей режущего клина, тем самым снижается охлаждающий эффект.
Задачей изобретения является повышение охлаждающего эффекта за счет более глубокого проникновения высокотеплопроводного материала.
Поставленная задача решается способом отвода тепла от контактных поверхностей режущего инструмента путем нанесения высокотеплопроводных материалов со стороны передней и задней поверхностей режущего клина, по которому в отличие от прототипа эти поверхности режущего клина диффузионно насыщают высокотеплопроводным материалом, образуя поверхностный слой из твердого раствора высокотеплопроводного материала.
Кроме того, в отличие от прототипа, в качестве высокотеплопроводного материала используется медь.
Также высокотеплопроводный материал не удаляется с контактных поверхностей сходящей стружкой, так как он образует твердый раствор в основном материале режущего клина.
При выполнении операции резание высокотеплопроводный материал проникает в матрицу режущего клина на глубину 15-20 мкм, образуя поверхностный слой из твердого раствора высокотеплопроводного материала в материале матрицы. Этот слой, обладая повышенной теплопроводностью, в процессе резания снижает температуру на контактной поверхности режущего клина за счет увеличения теплового потока в тело инструмента и в окружающую среду. Кроме этого, часть тепла более интенсивно перетекает с передней поверхности режущего клина на заднюю и подогревает ее, способствуя переходу от более интенсивного абразивно-адгезионного износа к менее интенсивному износу на границе между адгезионным и диффузионным видами износа. Высокотеплопроводный материал одновременно заполняет микротрещины на поверхности матрицы и этим осуществляет «залечивающее» действие, которое в совокупности с общим снижением температурной напряженности в режущем клине способствует повышению усталостной прочности режущего клина и повышению надежности инструмента. Описанные эффекты невозможны у прототипа, так как у него вместо диффузионного насыщения предусмотрено электролитическое покрытие высокотеплопроводным материалом или шоопирование (напыление), при которых высокотеплопроводный материал образует пленку на передней и задней поверхностях режущего клина, не проникающую в материал матрицы. С начала процесса резания эта пленка удаляется с контактных поверхностей, обнажается материал матрицы и, в результате, охлаждающий эффект практически исчезает.
Пример конкретной реализации
Насыщение поверхностей режущего клина твердосплавных неперетачиваемых поворотных пластин было осуществлено методом термодиффузии меди восстановлением из окиси в среде водорода с применением поверхностно-активных веществ при температуре 950-1000°С (на 70-100°С ниже температуры плавления меди) в течение 30 минут.
Лабораторными и производственными испытаниями установлено снижение температуры резания на 8-12%, что повысило стойкость инструмента в 1,5-3,0 раза при резком снижении склонности режущих кромок к скалыванию как за счет более равномерного распределения температуры резания на контактных поверхностях, так и за счет восстанавливающего эффекта насыщаемого материала, которым заполняются микротрещины в матрице режущего клина, чем замедляется их резание в процессе эксплуатации инструмента. Установлено также, что эффективность предложенного способа отвода тепла от контактных поверхностей режущего инструмента практически не зависит от использования в качестве высокотеплопроводных материалов, названных твердыми интенсификаторами охлаждения (ТИО), таких как медь, латунь, серебро, алюминий, поэтому рекомендуется выбирать из них наиболее дешевые и технологичные.
Производственными испытаниями на ряде предприятий машиностроения подтверждена высокая эффективность предложенного способа отвода тепла от контактных поверхностей режущего инструмента. Экономический эффект от применения 1 кг твердого сплава, например ТН-20, с твердыми интенсификаторами охлаждения из меди составил 1058,4 руб.