Влияние шероховатости модифицированной поверхности режущего инструмента на его износостойкость

УДК 621.9.025.01

Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина

ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НА ЕГО ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ

Представлены результаты исследования влияния шероховатости поверхности режущих кромок инструмента, упрочненного в низкотемпературной плазме комбинированного разряда, на его износостойкость.

Режущий инструмент, упрочнение в плазме.

B.M. Brzhozovsky, V.V. Martynov, E.P. Zinina

MODIFIED SURFACE ROUGHNESS INFLUENCE ON CUTTING TOOL RESISTANCE

Roughness tool tip research results are presented here which is strengthened in low-temperature plasma with complex discharge which influence on wear resistance.

Cutting tool, strengthen in plasma.

При изготовлении режущего инструмента находят применение разнообразные методы технологического формирования поверхностного слоя, вызывающие изменение его шероховатости. Однако при назначении режимов резания это явление не всегда учитывается, хотя из теории резания известно, что силы трения по задней и передней поверхностям являются составляющими силы резания. Более того, многими авторами рассматривалась взаимосвязь режимов резания, контактной температуры и интенсивности износа инструмента. Так, например, в [1] отмечается, что для заданного сочетания обрабатываемого и инструментального материалов при работе на оптимальных режимах резания минимальной интенсивности износа инструмента будет соответствовать постоянная температура резания. Следовательно, изменение любого из компонентов пары «инструмент - деталь» вызовет отклонение температуры резания от постоянного значения и приведет к изменению характера износа и работоспособности инструмента. Таким образом, при оценке эффективности влияния того или иного технологического воздействия на износостойкость режущего инструмента и для получения достоверных результатов в ходе проведения сравнительных стойкостных испытаний необходимо учитывать степень изменения шероховатости поверхности режущих кромок инструмента и соответствующим образом корректировать параметры технологического режима в целях выполнения условия постоянства контактных температур в зоне резания.

Влияние шероховатости поверхности режущих кромок на износостойкость было зафиксировано при комплексном исследовании физико-механических свойств (включая износ) сложнопрофильного режущего инструмента, прошедшего обработку в низкотемпературной плазме комбинированного разряда пониженного давления.

Комбинированный разряд пониженного давления, используемый в лабораторной установке упрочнения режущего инструмента «Хром» - это экономичный высокоэффективный способ упрочнения режущего инструмента, разработанный сравнительно недавно [2].

Условия формирования комбинированного разряда существенно отличаются от условий формирования других видов объемных плазменных разрядов, что делает применение данного разряда наиболее эффективным при обработке сложнопрофильного мелкоразмерного инструмента диаметром от 0,6 мм. Разряд возбуждается вблизи поверхности режущего инструмента при пониженных давлениях (~ 300 Па) на малых уровнях СВЧ-мощности (2535 Вт) при наличии электростатического поля, создаваемого потенциалом смещения, подаваемым на обрабатываемый инструмент.

Плазменной обработке были подвергнуты сверла и метчики различных типоразмеров из инструментальной стали Р6М5, а также сменные многогранные твердосплавные пластины из сплава Т15К6. Шероховатость поверхности сверл и метчиков измерялась на двойном микроскопе МИС-11, предназначенном для контроля качества обработки наружных поверхностей путем измерения высоты неровностей микропрофиля. Оценка качества поверхности сменных твердосплавных пластин проводилась путем измерения нагрузки, вызывающей страгивание пластины на притертой закаленной образцовой поверхности.

Полученные сравнительные значения шероховатости по Яа сверл и метчиков приведены в табл. 1 и на рис. 1.

Анализ представленных данных показывает, что обработка инструмента в плазме комбинированного разряда пониженного давления вызывает значительное улучшение качества поверхности его режущих кромок, определяемое оплавлением микронеровностей.

Сравнительные стойкостные испытания сверл и метчиков проводились на операциях сверления и нарезания резьбы на деталях из различных материалов и позволили получить следующие результаты.

1. Сверление отверстий в вязких материалах (медь, сталь 12Х18Н10Т) сверлами, прошедшими плазменную обработку, показало увеличение их размерной стойкости от 1,5 до 5 раз.

2. При нарезании резьбы машинными метчиками М3 в деталях из стали марки Ст.3 стойкость увеличилась в 3,6 раза. Аналогичные результаты получены при сравнительных стойкостных испытаниях метчиков М5, М6, М8 (увеличение стойкости в 3,6-4,0 раза).

3. При нарезании резьбы в глухих отверстиях метчиками М10 стойкость увеличилась в 4 раза. Общая длина резьбы, нарезанная в глухих отверстиях, составила 18216 мм, тогда как для метчика, не прошедшего плазменную обработку, длина нарезанной резьбы составила ~ 4500 мм.

Таблица 1

Шероховатость поверхности режущих кромок инструмента до и после обработки в плазме комбинированного разряда пониженного давления

№ п/п Тип инструмента Шероховатость по На

исходная, мкм после обработки, мкм уменьшение На, раз

1 Метчик М5 0,68 0,20 3,4

к 0,79 - -

2 и 0,41 0,14 2,9

3 и 0,50 0,22 2,3

4 Метчик М6 0,33 0,19 1,7

и 0,21 0,18 1,1

и - 0,05 -

5 м 0,40 0,06 6,6

6 Метчик М8 0,47 0,09 5,1

7 и 0,24 0,12 1,9

8 и 0,20 0,19 0,9

9 и 1,10 0,46 2,3

10 Метчик М8 (ПЫ) 0,48 0,16 3,0

и 0,40 0,12 3,3

11 Сверло 0 4,1 0,29 - -

12 м 0,27 - -

13 и 0,55 0,15 3,7

14 и 0,34 0,11 3,4

15 и 0,36 0,15 2,4

Примечание: «-» - инструмент не подвергался обработке.

Рис. 1. Электронно-микроскопические изображения микроструктуры поверхности режущих кромок сверла 0 2,75 мм до (а) и после (б) плазменной обработки

Оценка шероховатости поверхности партии из 20 сменных твердосплавных пластин определялась до и после плазменной обработки. Из них:

- отбраковано из-за внешних дефектов - 2 пластины;

- контрольные (исходные) пластины:

в состоянии поставки с покрытием ТГК - № 7, 10; с сошлифованным покрытием на ленточке - № 5, 17;

- пластины, прошедшие плазменную обработку:

в состоянии поставки с покрытием ТГК - № 1, 14, 15, 16; с сошлифованным покрытием на ленточке - № 2, 3, 4, 9, 11, 12, 13, 18, 19, 20.

Усилия страгивания определялись по величине нагрузки, прилагаемой к пластине в момент, когда выполнялось условие Рстр = Fтр.стр, где Fтр.стр. - сила трения, и происходило смещение твердосплавной пластины в начале ее движения (рис. 2). Величина нагрузки Рстр определялась взвешиванием с точностью до 0,01 г. Для каждой пластины величина усилий страгивания определялась путем усреднения по 10 измерениям.

На рис. 3 представлены диаграммы усилий страгивания для твердосплавных пластин в исходном состоянии поставки (с нанесенным покрытием Т1К) и с сошлифованным покрытием ТГК на ленточке пластины до и после плазменной обработки. Хорошо видно, что усилия страгивания существенно снижаются для всех пластин, прошедших плазменную обработку. Аналогичная картина наблюдалась и для твердосплавных пластин со сплошным покрытием Т1К на ленточке. Однако вследствие того, что пластины предварительно не притирались, их исходные значения и соответствующие значения усилий страгивания после плазменной обработки несколько выше, чем для притертых пластин.

Рис. 2. Схема приложения сил при определении усилий страгивания Ртр.стр. для твердосплавных пластин

Таким образом, можно предположить, что в процессе воздействия на режущие кромки потока заряженных частиц, сформированного в плазме комбинированного разряда пониженного давления, происходит притупление неровностей поверхности, вызывающее снижение сцепления между трущимися поверхностями и соответственно уменьшение сил трения.

Сравнительные стойкостные испытания сменных твердосплавных пластин, прошедших обработку в плазме комбинированного разряда пониженного давления, проводились в лабораторных и производственных условиях на станках 1К62 и 16К20ФЗС5.

Размерный износ режущей кромки измерялся с помощью двух измерительных ры-чажно-зубчатых головок типа 1ИГМ (цена деления - 0,01 мм), зафиксированных на поворотной штанге магнитной стойки и вращающихся относительно его оси в горизонтальной плоскости на одном и том же уровне. Это позволило многократно подводить измерительные головки к поверхности пластины так, чтобы наконечник одной из них попадал на режущую кромку, второй - на опорную установочную базу. Измерение размерного износа резца (пятикратное) проводилось после каждого прохода.

На рис. 4 приведены графики размерного износа режущих кромок исходных пластин и пластин, прошедших плазменную обработку, из которых видно, что на применяемых параметрах технологического режима потеря работоспособности пластин вызвана наростообра-зованием. Максимальная величина нароста (0,12 мм) зафиксирована на поверхности исходной пластины с сошлифованным покрытием Т1К (№ 5); на остальных пластинах нарост составил 0,01-0,03 мм.

2,50

1_ ге 2,00

и

(Л

т и 1,50

(Л

н с 1,00

е

и

л и с 0,50

>

0,00

Пл.5 Пл.17 Пл.2 Пл.3 Пл.4 Пл.9 Пл.12 Пл.13. Пл.18. Пл.19 Пл.20

до обработки Е1 после обработки

2,50 к" 2,00

I

га т

Е 1,50

га а. н

ш 1,00 о

^ 0,50 0,00

1

1 1 1 1

1 1

Пл.7 Пл.10 Пл.1 Пл.14 Пл.15 Пл.16

до обработки И после обработки

б

Рис. 3. Усилия страгивания твердосплавных пластин до и после обработки в плазме комбинированного разряда пониженного давления: а - покрытие ИЫ на ленточке сошлифовано; б - покрытие ИЫ сплошное

Износ режущей кромки пластины № 2 с сошлифованным покрытием Т1К аналогичен износу исходной пластины № 5, но с меньшей величиной образовавшегося нароста и скола. На пластинах № 3 и 4 размер зарегистрированных сколов также имеет меньшие значения. При этом для пластины № 4 наблюдается определенная цикличность размерного износа (после образования небольшого выкрашивания пластины размером ~0,07 мм), которая характеризуется чередованием заполнения зоны выкрашивания металлом стружки, образованием нароста, последующей приработкой вновь образовавшейся «залеченной» поверхности и срывом нароста с незначительным углублением образовавшейся зоны выкрашивания или скола. Причем все эти процессы происходят в диапазоне регистрируемых значений, не превышающих 0,1 мм. Такой вид износа существенно отличается от износа, характерного для исходных пластин, не прошедших плазменную обработку, что связано с зависимостью износа, параметров технологического режима и шероховатости поверхности режущих кромок. Неоптимально назначенные режимы резания вызывают интенсивное наростообразование и скол поверхности режущих кромок, а их корректировка за счет увеличения шероховатости поверхности (см. рис.3) приводит к увеличению усилий резания, контактной температуры и сниже-

а

нию наростообразования, что повышает износостойкость инструмента (в данном случае с 4 до 14 проходов, т.е. в 3,5 раза).

' ~Пл.5, сошлифованное покрытие ИЫ (исходная)  Пл.7, с покрытием ИЫ (исходная) X Пл.2, сошлифованное покрытие ИЫ Д Пл.3, сошлифованное покрытие ИЫ О Пл.4, сошлифованное покрытие ИЫ

Рис. 4. Динамика изменения состояния режущих кромок сменных твердосплавных пластин из сплава Т15К6

Сравнительные стойкостные испытания сменных твердосплавных пластин в производственных условиях проводились в ОАО «Саратовский подшипниковый завод» при изготовлении деталей из стали ШХ15:

«Втулка 209227209» - 460 шт.

«Втулка 209278269» - 500 шт.

«Шток задний 09-17098-8» - 300 шт.

В процессе испытаний измерялся размер изготовленных деталей, и фиксировались машинное время изготовления детали, параметры технологического режима и моменты под-наладки станка.

Период стойкости пластин оценивался по точностным диаграммам, приведенным на рис. 5, 6, на которых хорошо видно, что период стойкости зависит от параметров технологического режима, в частности, от величины подачи S. По результатам испытаний установлено, что: 1. Для исходных пластин с сошлифованным покрытием TiN на ленточке:

- величина подачи S = 0,26 мм/об. - оптимальная;

- величина подачи S = 0,28 мм/об. - критическая, вызывает интенсивный износ и сколы.

Машинное время, с

♦ Пл.12, S=0.32 мм/об. И Пл.13, S=0.32 мм/об.

Ж Пл.9, S=0,28 мм/об —•—Пл.17, S=0,28 мм/об.

Рис. 5. Совмещенная точностная диаграмма обработки деталей «Задний шток 09-17098-8» и «Втулка 209227209» пластинами с сошлифованным на ленточке покрытием TiN

0,6

0,5

Ü 0,4

ш

Ï 0,3

0,2

0,1

1000 2000 3000 4000 5000 6000

Машинное время, с

7000

• Пл.15.1, S=0,3 мм/об.

• Пл.16, S=0,38 мм/об. Пл.1, S=0,26 мм/об.

Пл.15.2, S=0,3 мм/об. •Пл.10, S=0,28 мм/об.(исходная) Пл.14, S=0,3 мм/об.

0

Рис. 6. Совмещенная точностная диаграмма обработки деталей «Задний шток 09-17098-8» и «Втулка 209227209» пластинами с покрытием ИЫ

2. Для пластин с сошлифованным покрытием Т1К на ленточке, прошедших плазменную обработку:

- величина подачи £ = 0,26-0,28 мм/об. вызывает интенсивное наростообразование, адгезионный износ, сколы;

- величина подачи £ = 0,32 мм/об. - оптимальная.

3. Для исходных пластин с покрытием Т1К величина подачи £ = 0,28 мм/об вызывает интенсивный износ.

4. Для пластин с покрытием Т1К, прошедших плазменную обработку, величина подачи £ = 0,28 мм/об. вызывает интенсивный адгезионный износ; величина подачи £ = 0,38 мм/об. -оптимальная.

5. Износостойкость модифицированных пластин с сошлифованным и с сохраненным покрытием из нитрида титана Т1К на ленточке по сравнению с износостойкостью исходных пластин повысилась в 3,8 и 4,4 раза соответственно.

Таблица 2

Взаимосвязь шероховатости поверхности

сменных твердосплавных пластин

№ п/п Номер пластины Наличие Усилие страгивания, г Подача S, мм/об. Машинное время, с

покрытия TiN плазменной обработки

1 17 - - 1,58 0,28 1067

2 9 - + 0,8 0,28 1843

3 12 - + 0,8 0,32 6633

4 13 - + 0,8 0,32 5760

5 10 + - 1,775 0,28 1292

6 1 + + 0,594 0,26 2185

7 14 + + 0,877 0,3 2800

8 15.1 + + 1,03 0,3 6750

9 15.2 + + 1,03 0,3 6353

10 16 + + 1,476 0,38 5813

Из приведенных в табл. 2 данных следует, что изменение шероховатости режущих кромок приводит к изменению нормальных и касательных сил и коэффициента трения, поэтому необходима корректировка параметров технологического режима, по результатам которой можно оценить реальное увеличение износостойкости модифицированного режущего инструмента.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зорев Н.Н. Исследования процесса резания / Н.Н. Зорев. М.: Машиностроение, 1967. 360 с.

2. Патент России № 2277763 С2, кл. Н 05 Н 1/18, 2004. Способ и устройство получения стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления / А. А. Сергеев, Е.П. Зинина, Н.Ф. Кислицына // Б.И. 2006. № 16.

Бржозовский Борис Максович - Brzhozovsky Boris Maksovich -

доктор технических наук, профессор, заведующий Doctor of Technical Sciences, Professor,

кафедрой «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» Саратовского государственного технического университета

Мартынов Владимир Васильевич -

доктор технических наук, профессор кафедры «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» Саратовского государственного технического университета

Зинина Елена Петровна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» Саратовского государственного технического университета

Head of the Department of «Design and Computer Simulation of Manufacturing Equipment in Machine-building and Instrument-making Industry» of Saratov State Technical University

Martynov Vladimir Vasilievich -

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of «Design and Computer Simulation of Manufacturing Equipment in Machine-building and Instrument-making Industry» of Saratov State Technical University

Zinina Elena Petrovna -

Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of the Department of «Design and Computer Simulation of Manufacturing Equipment in Machine-building and Instrument-making Industry» of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 10.06.09, принята к опубликованию 09.09.09