Повышение режущих свойств инструментов из быстрорежущих сталей электроакустическим методом легирования

МАШИНОСТРОЕНИЕ • ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХ. И ФИЗ.-ТЕХН. ОБРАБОТКИ

УДК 621.941.1

В.М.КИШУРОВ, В. Н. ИППОЛИТОВ

ПОВЫШЕНИЕ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ЛЕГИРОВАНИЯ

Описан один из перспективных методов упрочнения режущего инструмента — метод электроакустического нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности режущего инструмента, приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие обеспечение повышения режущих свойств инструментов при применении предложенной технологии. Модифицированные рабочие поверхности инструмента; режущие свойства инструмента

Научно-технический прогресс на машиностроительных предприятиях во многом связан с повышением режущих свойств инструментов и сроков их надежной эксплуатации.

Широкое применение в машиностроении металлорежущего оборудования с числовым программным управлением и автоматических линий, повышенные требования, предъявляемые к надежности технологического процесса механической обработки и точности, требуют значительного повышения размерной и технологической стойкости инструмента, его эксплуатационной надежности и долговечности.

Из всей широкой гаммы известных в настоящее время технологий упрочнения и нанесения износостойких покрытий на режущие инструменты, имеющих свои достоинства и недостатки, метод электроакустического напыления-легирования (ЭЛАН) характеризуется как наиболее простой, более экономичный и менее трудоемкий.

Метод электроакустического напыления-легирования основан на использовании плазменных импульсных искровых разрядов с малой длительностью существования (10-6 ^ 1И ^10-3 с) и прохождении мощных импульсных токов до 106 А/мм в воздушной среде при периодическом контактировании упрочняющего электрода с инструментом с амплитудой колебания равной ультразвуковой частоте 19 ... 22,5 кГц, вследствие чего осуществляется перенос и осаждение расходуемого материала электрода на поверхность инструмента. При этом температура плазмы в межэлектродном зазоре может достигать от 7000 до 11000оС. В результате теплового и га-

зодинамического воздействия искрового разряда происходит эрозия материала электрода и перенос продуктов эрозии в жидкой и паровой фазах на инструмент, в результате чего образуется износостойкое покрытие, в составе которого присутствует материал электрода и инструмента, продукты их взаимодействия друг с другом и элементами межэлектрод-ной среды (с диссоциированным атомарным кислородом и азотом воздуха). Немаловажным фактором формирования качественного покрытия является эффект катодной очистки, при котором обеспечивается разрушение и удаление поверхностных пленок с обрабатываемой поверхности изделия (катода) за счет высокой плотности выделяемой энергии в микрокатодных пятнах искрового разряда.

Кратковременный нагрев искровым разрядом с локальной температурой, превышающей температуру плавления материала изделия, аналогичен процессу наплавки, но при электроакустическом напылении-легировании за счет образования микрованны расплавленный металл охлаждается со сверхбыстрой скоростью порядка 104-105оС/с с передачей тепла основе упрочняемого инструмента.

Процесс электроакустического напыления-легирования, который начинается с приближения электрода к инструменту, возникновения искрового разряда на расстоянии между электродом и инструментом, равном пробивному, и завершается при отводе электрода от изделия на расстояние, при котором отсутствует искровой разряд (рис. 1) [1].

ограничению толщины нанесенного покрытия.

Кинематическая схема установки ЭЛАН-3, используемая для нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности инструмента, приведена на рис. 2.

Рис. 1. Последовательность этапов нанесения покрытия электроакустическим методом: а — направленное движение электрода к изделию и возникновение искрового разряда; б — образование эрозионных зон на электроде и изделии с участками плавления и испарения; в — осуществление физического контакта электрод-изделие с образованием микрованны; г — отвод электрода от изделия с продолжающимся воздействием тепловой мощности разряда; д — формирование на изделии покрытия, измененного по составу и структуре материала

После инициирования пробоя за счет накопления в конденсаторе энергии и ионизации межэлектродного промежутка формируется газовый разряд (рис. 1,а), который взаимодействует с локальными участками электрода и инструмента, вызывая их разрушение — электрическую эрозию. В результате этого явления материал электрода начинает плавиться, испаряться и выбрасывается в межэлектродный промежуток в паровой и ми-крокапельной фазах (рис. 1,б). Зона воздействия искрового разряда на инструменте подвергается катодной очистке, нагреву и плавлению. При контакте и соударении электрода с инструментом (рис. 1,в) происходит ударное воздействие (проковка) с ультразвуковой частотой механических колебаний электрода от 19 до 23 кГц, интенсивное перемешивание жидких фаз материалов — электрода и инструмента и образование физического контакта. При отводе электрода от изделия с продолжающимся воздействием разряда (рис. 1,г) нанесенное покрытие удерживается на поверхности инструмента за счет сил поверхностного натяжения. После прекращения действий ультразвукового ударного воздействия электрода на материал основы и искрового разряда (рис. 1,д) покрытие на изделии кристаллизуется с формированием поверхностного слоя с новыми физикохимическими свойствами. Многократное воздействие искровых разрядов и, соответственно, циклов «нагрев-охлаждение» приводит к

Рис. 2. Кинематическая схема установки электроакустического напыления-легирования ЭЛАН-3:

1 — бачок для охлаждения; 2 — ультразвуковой преобразователь; 3 — волновод с электродом;

4 — каретка вертикального перемещения головки;

5 — корпус ультразвуковой головки; 6 — кожух установки; 7 — колонка установки; 8 — реле давления охлаждающей жидкости; 9 — штатив с увеличительной линзой и светофильтром

Основным рабочим органом установки ЭЛАН-3 является ультразвуковая колебательная система 2, предназначенная для преобразования электрических колебаний в механические колебания равные ультразвуковой частоте. Посредством ультразвуковых колебаний в процессе электроакустического напыления-легирования реализуются две функции:

• формирование необходимого зазора между электродом и обрабатываемым инструментом для обеспечения импульсного электрического разряда за счет амплитуды ультразвуковых колебаний;

механическое воздействие на напыляемую поверхность инструмента комплексными продольно-крутильными колебаниями упрочняющего электрода.

Комплексные продольно-крутильные колебания, сообщаемые электроду, позволяют осуществить напыление-легирование любой точкой поверхности электрода.

Для осуществления процесса электроакустического напыления-легирования рабочих поверхностей режущих инструментов в качестве упрочняющих материалов электродов были использованы твердые сплавы ВК8, Т5К10 и вольфрам (W=98%).

Рекомендуемые графитовые и угольные электроды при электроискровом легировании режущих инструментов [2] в данном случае непригодны. Они разрушаются при включении установки в работу, так как данный метод основан на применении магнитострикцион-ного эффекта вибрации упрочняющего электрода с ультразвуковой частотой.

В качестве инструментального материала была взята быстрорежущая сталь Р6М5, широко применяемая при изготовлении режущего инструмента (резцы, сверла, фрезы, метчики и др.).

В качестве обрабатываемых материалов была взята группа конструкционных сталей в состоянии поставки, используемых при изготовлении осей, валов, штоков, зубчатых колес, роторов паровых турбин и многих других деталей.

На основании проведенных исследований адгезионного взаимодействия контактирующей пары инструмент-деталь (Р6М5-40Х и 40Х-Р6М5 модифицированных ВК8, Т5К10 и W) установлено, что при использовании W в качестве упрочняющего материала следует ожидать получение более износостойкого покрытия на рабочих поверхностях инструмента [3].

В качестве показателя износостойкости режущего инструмента был принят относительный поверхностный износ [4] и количество обработанных деталей до критерия затупления ( мм).

Ниже приведены результаты лабораторных и производственных испытаний инструментов из быстрорежущей стали с износостойкими покрытиями при различных видах обработки деталей из конструкционных сталей, а также определена область их рационального использования.

Характерная картина износа инструмента по задней поверхности при точении стали 40Х приведена на рис. 3.

На основании проведенных стойкостных испытаний получены зависимости = /{У);1 = /(У) и = /(V), представлен-

ные на рис. 4 для инструментов с модифицированными рабочими поверхностями и стандартного инструмента.

Анализ полученных данных показал, что зависимости и но-

сят четко выраженный экстремальный характер с точкой перегиба в зоне оптимальных скоростей резания по интенсивности износа инструмента. При этом уровень оптимальных скоростей резания для инструментов с износостойкими покрытиями по сравнению со стандартным неупрочненным инструментом повышается до 1,3 раза. Интенсивность износа упрочненного инструмента снижается до 1,5 раз, длина пути резания увеличивается более чем в 1,7 раза.

б

Рис. 3. Характерная картина износа резца по задней поверхности: а — задняя поверхность резца Р6М5, модифицированная методом ЭЛАН Р6М5+покрытие ВК8; б — задняя поверхность немодифицированного резца Р6М5х30

Анализ результатов производственных испытаний износостойкости инструментов изготовленных по стандартной технологии — зуборезных резцов и осевого инструмента (сверл, метчиков и концевых фрез) и того же инструмента с модифицированными рабочими поверхностями показал увеличение износостойкости последних в: автоматных резцов — 1,7; зуборезных резцов — 1,9; метчиков — 2,7; сверл — 1,5 и концевых фрез — до 1,7 раза (рис. 5).

Количество обработанных деталей, шт.

Рис. 4. Влияние скорости резания на интенсивность износа резцов Р6М5, длину пути резания и температуру с различными покрытиями при чистовом точении стали 40Х (£ = 0,25 мм, 5 = 0,125 мм/об): о — стандартный резец;

— напылен W; Д — напылен ВК8; 0 — напылен Т5К10

Рис. 5. Результаты стойкостных испытаний инструментов из Р6М5: а — автоматный резец Р6М5-40Х

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тополянский, П. А. Опыт нанесения электроискровых покрытий на режущий инструмент и штамповую оснастку / П. А. Тополянский // Вестник Технология машиностроения. 2004. №6(24). С. 37-40.

2. Верхотуров, А. Д. Электродные материалы для электроискрового легирования / А. Д. Верхотуров, И. А. Подчерняева, Л. Ф. Прядко [и др.]. М.: Наука, 1988. 224 с.

3. Ипполитов, В. Н. Повышение режущих свойств инструментов из быстрорежущей стали на основе модификации их рабочих поверхностей методом электроакустического напыления-легирования : дис. ... канд. техн. наук / В. Н. Ипполитов. 2007. 146 с.

4. Макаров, А. Д. Износ и стойкость режущих инструментов / А. Д. Макаров. М. : Машиностроение, 1966. 264 с.

ОБ АВТОРАХ

Кишуров Владимир Михайлович, зав. каф. теор. и технол. механообработки филиала УГАТУ в Ишимбае. Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1966). Канд. техн. наук по технол. двиг. ЛА (МАИ, 1973). Иссл. в обл. обрабатываемости материалов лезвийным инструментом.

Ипполитов Владимир Николаевич, нач. инстр. пр-ва ОАО мК «Витязь». Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1987). Канд. техн. наук по технол. и оборуд. мех. и физ.-техн. обработки (УГАТУ, 2007). Иссл. в обл. износостойкости реж. инструмента.