Исследование шероховатости деталей ДВС при высокоскорост-ной механической обработке инструментом из сверхтвердых материалов

УДК 621.9.02

ИССЛЕДОВАНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ИНСТРУМЕНТОМ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

В.Л. Федоров,|Е.М. Печерская

Кафедра технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов Российского университета дружбы народов Россия 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Рассмотрены механизмы образования шероховатости и дефектов поверхности деталей двигателей внутреннего сгорания из закаленных инструментальных сталей при высокоскоростном точении инструментом из сверхтвердых материалов в зависимости от режимов резания. Приводятся результаты исследований таких деталей, выполненных Научно-исследовательским центром при кафедре машиностроения Университета Макмастер, г. Гамильтон, Онтарио, Канада.

Традиционно при выборе метода чистовой механической обработки материалов твердостью более 50 НЕС предпочтение отдается шлифованию. Благодаря появлению сверхтвердых инструментальных материалов (СТМ), таких как режущая керамика и кубический нитрид бора, произошел переворот в традиционных технологиях механической обработки закаленных сталей. Применение инструментов из СТМ сделало возможным использовать для чистовой обработки изделий из закаленных инструментальных сталей высокоскоростное точение. Этот процесс выполняется без использования СОЖ. В результате удается значительно повысить производительность обработки, так как все ее этапы могут выполняться на одном станке и компенсировать влияние окружающей среды за счет резания без СОЖ.

Полученные холодной обработкой стали с высоким содержанием углерода и хрома, например, стали ШХ15, Х12М обычно применяются для изготовления подшипников, литейных штампов и форм, и других деталей, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, в том числе деталей двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Такие стали не подвержены размягчению под действием высоких температур и обладают прекрасной износостойкостью. Однако, они содержат большое число карбидов, что делает кромки изделий из таких сталей ломкими. Таким образом, для получения высококачественных изделий из таких сталей, обладающих необходимыми эксплуатационными свойствами весьма важно правильно подобрать метод механической обработки.

Несмотря на высокий потенциал использования высокоскоростной механической обработки инструментом из СТМ и конкурентоспособность этого метода по сравнению со шлифованием, промышленное применение такой технологии еще достаточно ограничено. Это происходит, от части, из-за неопределенности, связанной с качеством обработанных поверхностей и результирующей точностью деталей.

В настоящее время проводится много исследований, направленных на изучение особенностей поверхностей, полученных высокоскоростной механической обработкой инструментом из СТМ. Основная цель исследований - показать целесообразность внедрения и использования данного метода, особенно при обработке изделий из сталей твердостью более 50 НЯС, и выработать рекомендации по подбору режимов резания и геометрии инструмента для получения требуемого качества изделий.

Качество поверхности в общем случае определяется множеством параметров: точностью, шероховатостью поверхности, волнистостью, наличием микротрещин, фазовых превращений в поверхностном слое материала, остаточных напряжений, созданных в результате механической обработки, выпадением карбидных частиц с границ зерен, коррозией по границам зерен, наличием выкрашивания, задиров, дефектов штамповки, выступов, пластической деформации, а также изменениями микротвердости.

Рассмотрим результаты экспериментов по изучению шероховатости обработанных поверхностей изделий, выполненных в рамках общего исследования качества поверхности при высокоскоростной обработке инструментом из СТМ Научно-исследовательским

центром при кафедре машиностроения Университета Макмастер, г. Гамильтон, Онтарио, Канада.

Для экспериментального исследования использовалась заготовка из инструментальной стали Х12М. Заготовка представляет собой пруток диаметром от 70 до 100 мм и длиной от 180 до 200 мм. По микроструктуре материал заготовки представляет собой мелкозернистый мартенсит твердостью от 60 до 62 НКС. Пруток обрабатывали инструментом из ПКНБ (композит 01) на современном стандартном станке с ЧПУ (мощность привода - 7,5 кВт, наибольшая частота вращения шпинделя - 1600 мин'1.) без СОЖ. Использовались инструменты с передним углом -6°, задним углом 0° и углом в плане 0°. Режимы резания и параметры резца приведены в табл. 1.

Режимы резания и параметры инструмента Таблица 1

Параметры процесса Значения

Скорость резания V, м/мин 200 350 500 700

Глубина резания с?, мм 0,2 0,4 0,6 -

Подача^ мм/об 0,05 0,1 0,2 -

Радиус при вершине резца г, мм 1,2 1,6 2,4 3,2

Состояние режущей кромки острая с фаской (2070,1 мм) закругленная (0,0125 мм) -

Использовали острый и искусственно изношенный инструмент. Для этого была выполнена фаска износа по задней поверхности высотой от 0,2 до 0,4 мм. Несколько проходов было выполнено новым инструментом, пока при непрерывном резании износ по задней поверхности инструмента не достиг 0,5 мм. Силы резания и температура измерялись с помощью динамометра для измерения трех составляющих силы резания, и термопар, установленных в различных местах на инструменте. Износ резца измерялся с помощью оптического микроскопа (ОМ).

После каждого испытания собирали получившуюся стружку. Затем измеряли шероховатость обработанной поверхности. Для того, чтобы выполнить анализ с помощью оптической и электронно-растровой микроскопии поперечные сечения стружки, перпендикулярные обработанной поверхности и параллельные направлению относительного рабочего движения инструмента, были отполированы металлографически. Кроме того, из заготовки были вырезаны образцы размером 10x10x30 мм. Образцы были очищены метиловым спиртом, а затем также отполированы металлографически. Для достижения наилучшей разрешающей способности обработанных поверхностей образцы были предварительно покрыты фосфатом никеля. На подготовленных образцах с помощью измерителя микротвердости по Викерсу при нагрузке 25 г были определены изменения микротвердости поверхности детали и предповерхностного слоя. Образцы были протравлены в течение 10 с в растворе пикринового хлорида железа (4 г пикриновой кислоты, 2 г РеСЬ и 5 мл НС1, растворенные в 120 мл этанола), а затем в другом травильном растворе в течение 3 с. Затем образцы были обследованы с помощью оптического и электронно-растрового микроскопов (ЭРМ).

Так как влияние скорости резания на шероховатость поверхности оказалось незначительным, то здесь приведены только результаты, полученные при скорости резания 350 м/мин.

При механической обработке инструментом из СТМ образуется характерная «пилообразная» стружка. Это может быть связано как с хрупкостью материала, так и с большими напряжениями сжатия, возникающими в процессе резания, а также из-за отрицательного переднего угла инструмента. Вместо пластической деформации материала при резании на поверхности заготовки возникают трещины. Образовавшиеся трещины высвобождают запасенную энергию и, таким образом, служат плоскостями скольжения для частиц материала. При этом частицы стружки оказываются зажатыми между участками разошедшейся поверхности. Одновременно у кромки резца возникает пластическая деформация и нагрев материала заготовки. Образование трещин продолжается до границы

зоны пластической деформации материала, благодаря высокой температуре в зоне резания. На границе зоны образование трещин прекращается.

Результаты анализа морфологии стружки показывают, что при точении заготовки из стали Х12М инструментом из СТМ на высоких скоростях и при небольших глубинах резания характер стружки изменяется от непрерывной (сливной), получающейся при равномерном врезании режущей кромки инструмента, до «пилообразной». Это изменение в характере стружки связано с ростом износа инструмента и зависит от величины возникающих сил резания.

а) б)

Рис.1. Микрографическое изображение образца продольного сечения стружки: а - острый инструмент; б - изношенный инструмент

На рис.1, а показано микрографическое изображение отполированного и протравленного образца продольного среднего сечения стружки, образованной при механической обработке острым резцом при глубине резания 0,4 мм и величине подачи 0,1 мм/об. По внешнему виду полученная стружка не отличается от непрерывной (сливной). Единственное отличие состоит в том, что на поверхности видны следы мгновенно прерывающихся трещин. На увеличенном изображении, полученном с помощью ЭРМ, видно, что трещины не распространяются по всей толщине стружки. Материал стружки деформируется под действием сосредоточенного усилия металлоотделения. Деформация по границам зерен закаленной инструментальной стали происходит в направлении плоскости сдвига. Отклонение границ зерен от направлений плоскости сдвига связано с наличием карбидных частиц, которые неподвержены влиянию пластической деформации материала. С ростом износа резца при тех же режимах резания количество трещин на поверхности увеличивается. Кроме того, трещины продолжаются на некоторую глубину, прежде чем прерваться. В то же время границы зерен вокруг продолжившейся трещины не подвергаются деформации.

Образование «пилообразной» стружки начинается, когда износ по задней поверхности достигает 0,1 мм. На определенном расстоянии от поверхности возникают и расширяются большие периодические трещины с незначительными деформациями в области зуба стружки. Пластическая деформация наблюдается только в области стружки ниже места возникновения большой трещины и вдоль передней поверхности инструмента. При увеличении износа резца до 0,2 мм в стружке, вдоль зоны контакта с передней поверхностью инструмента, можно заметить тонкий слой материала с микроструктурой, отличной от основного (рис. 1, б). Глубина этого, так называемого, «белого слоя» в стружке вдоль передней поверхности инструмента увеличивается с ростом величины износа резца. Светлый цвет говорит о том, что в этом слое образуется структура неотпущенного мартенсита. Это означает, что при отделении стружки от заготовки происходит ее перезакалка, затем она очень быстро остужается до комнатной температуры. Наличие фазовых превращений говорит о том, что в материале возникают очень высокие напряжения сжатия (из-за отрицательного переднего угла инструмента), а температура при резании изношенным резцом превышает 900°С.

Дальнейшее обследование протравленных и непротравленных образцов основного материала заготовки с помощью ОМ показывает, что толщина «белого слоя», образующегося в заготовке, необычно мала для резания на таких высоких скоростях: она достигает 2 мкм, только, в тот момент, когда износ резца по задней поверхности составляет 0,5 мм, что значительно превышает предельное значение износа резца, равное 0,3 мм и характерное для конца периода стойкости инструмента. Толщина белого слоя, полученного в ходе данных исследований, значительно меньше, чем толщина такого же слоя, получающегося при шлифовании стали Х12М, электроэрозионной или прецизионной обработке. Основная причина состоит в малом времени контакта изношенной зоны резца и обработанной поверхности (а, следовательно, и в малом времени теплопередачи).

Время резания

Рис.2. Силы резания

Для анализа механизма образования сливной стружки, изображенной на рис.1, при тех же режимах были измерены силы резания (см. рис.2). Примечательно, что составляющая силы резания F, увеличивается от 60 Н при остром резце до 270 Н при величине износа резца по задней поверхности 0,4 мм. При этом давление резания (величина силы на единицу площади), которое в начале резания составляло 1500 МПа, увеличивается до 6750 МПа. Радиальная составляющая силы резания Fy увеличивается от 70 Н почти до 400 Н. Считается, что причиной возникновения трещин при образовании стружки в процессе резания инструментом из СТМ является давление, приложенное в направлении скорости резания. Это связано с тем, что до тех пор, пока не начнут образовываться и разрастаться трещины, не происходит никакого скольжения стружки по задней поверхности инструмента. Следовательно, на основании данной модели стружкообразования, можно сделать вывод, что «пилообразная» стружка будет образовываться только, когда давление, приложенное в направлении скорости резания, превысит » 4000 МПа.

То, что при обработке стали Х12М морфология стружки изменяется от сливной к «пилообразной», значительно снижает обрабатываемость данного материала. Это связано с тем, что сегментация стружки нарушает стабильность процесса. Сегментация стружки, кроме того, создает значительную динамическую нагрузку на режущий инструмент, что постепенно отрицательно сказывается на стойкости инструмента.

На рис. 3, а показан контур профиля обработанной поверхности, полученной при глубине резания (t) 0,4 мм при различных значениях подачи и искусственно изношенном резце с высотой фаски износа по задней поверхности (h3) 0,2 мм. Как можно было бы предположить, увеличение подачи (s) вызывает увеличение шероховатости поверхности. Величина Ra составляет 0,3, 0,5 и 1 мкм при значениях подачи, соответственно, 0,05, 0,1 и 0,2 мм/об. В то же время было установлено, что глубина резания не оказывает значительного влияния на полученную шероховатость поверхности (рис. 3, б). Измеренное значение Ra колеблется от 0,4 до 0,5 мкм при глубинах резания от 0,2 до 0,6 мм. Износ резца при этом составляет 0,2 мм.

На рис. 3, в показан контур профиля обработанной поверхности, полученной при глубине резания 0,4 мм, подаче 0,1 мм/об и различных размерах фаски износа резца по задней поверхности. Шероховатость поверхности (Л0), полученной острым резцом равна 0,2 мкм. При увеличении зоны износа от 0,2 до 0,35 мм изменение шероховатости поверхности ничтожно, Яа составляет 0,5 мкм. При увеличении износа до 0,5 мм Яа составляет 0,7 мкм. Увеличение шероховатости поверхности с ростом износа связано с возникновением приграничной деформации при подаче инструмента.

Рис.З. Влияние режимов резания и износа на профиль обработанной поверхности

При более подробном обследовании образцов с помощью ЭРМ можно выявить наличие некоторых особенностей поверхностей, полученных при вышеуказанных режимах резания, и зависящих от силы резания и износа резца. При обработке острым резцом при подаче 0,1 мм/об и глубине резания 0,4 мм поверхность, несмотря на свою жесткость, ведет себя, как мягкий материал. На рис. 4, а видны длинные, прямые, хорошо различимые канавки, параллельные направлению рабочего движения. Еще одна особенность, которую можно увидеть на образце, - наличие микрочастиц стружки на поверхности заготовки. Этот дефект поверхности внешне выглядит, как пористая структура. Когда износ резца достигает 0,5 мм, поверхность обрабатываемого материала смещается в направлении, противоположном насечкам, образованным при подаче инструмента (рис. 4, б). Это и называется приграничной деформацией материала. Явление приграничной пластической деформации наблюдается всегда при точении инструментом из СТМ, когда износ резца превышает указанный предел. Наличие канавок также свидетельствует о наличии текучести материала из-за значительной пластической деформации на поверхности заготовки.

Основная причина этих дефектов состоит в неоднородности материала заготовки, вызванной наличием включений карбидов, хрома, марганца и сульфидов. При наличии такого включения непосредственно вблизи обрабатываемой поверхности, пластическая деформация материала прекращается из-за низкой деформируемости включения, а на обрабатываемой поверхности начинает образовываться микротрещина.

Примечательно, что такие же микротрещины были обнаружены и в карбидных частицах Наличие пластической деформации карбидных включений вызвано тем, что в процессе обработки инструментом из СТМ возникают очень высокие температуры. Пластические деформации зерен наблюдаются на расстоянии 10-15 мкм от обрабатываемой поверхности.

а) б)

Рис.4. Изображение обработанной поверхности, полученное с помощью ЭРМ

Таким образом, в результате проведенных исследований, получено довольно подробное представление о шероховатости и дефектах поверхностей при высокоскоростной механической обработки деталей из закаленных инструментальных сталей инструментом из СТМ. Для этого вида обработки характерно наличие изменений микроструктуры, деформаций зерен металла и карбидных включений, фазовых превращений в поверхностном слое детали, однако, эти дефекты характерны и для поверхностей деталей, полученных при других способах обработки. На основании приведенных результатов исследований можно сделать заключение о том, что, использование этого вида обработки оказывается целесообразным при условии, что будут подобраны оптимальные значения подачи и глубины резания, позволяющие обеспечить необходимое качество поверхности.

ЛИТЕРАТУРА

Speed Hard Machining. Part 1: Micrographical Analysis. - Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2000, vol. 122, No.4. -pp.620-631.

2. El-Wardany T.I., Kishawy H.A., Elbestawi M.A. Surface Integrity of Die Material in High Speed Hard Machining. Part 2: Microhardness Variation and Residual Stresses. - Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2000, vol. 122, No.4. -pp.632-641.

3. Thiele J.D., Melkote S.N., Peascoe R.A., Watkins T.R. Effect of Cutting-edge Geometry and Workpiece Hardness on Surface Residual Stresses in Finish Hard Turning of AISI 52100 Steel. -Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2000, vol. 122, No.4. -pp.642-649.

UDC 621.9.02

SURFACE ROUGHNESS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE COMPONENTS IN HIGH SPEED HARD MACHINING

[V.L. Fedorov,lE.M. Petcherskaya

Department of Mechanical Engineering Technology, Machines and Tools

Peoples’ Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya St., 6, 117198 Moscow, Russia

This Article is concerning Surface Roughness and Defects of Internal Combustion Engine Components in High Speed Hard Machining depending on cutting conditions: The Article is based on the results of analysis performed by Research Center of Department of Mechanical Engineering, McMaster University, Hamilton, Ontario, Canada.