Пути снижения теплонапряженности режущего клина при колесотокарной обработке

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

УДК 621.7

М. Ю. Куликов, А. Ю. Попов, А. В. Флоров, Сан Маунг

ПУТИ СНИЖЕНИЯ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОСТИ РЕЖУЩЕГО КЛИНА ПРИ КОЛЕСОТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ

Аннотация.

Актуальность и цели. Технологический процесс колесотокарной обработки не предусматривает применения смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС), что существенно увеличивает температуру резания и ухудшает стойкость инструмента. Поэтому в работе рассматриваются методы повышения стойкости инструмента путем снижения температуры резания, исключающие применение СОТС. Актуальность данного исследования также подтверждается тенденциями экологически чистого резания «Зеленое резание» без применения СОТС.

Материалы и методы. Исследования проводили при обработке катальной части колесных пар на токарных станках типа «Rafamet» модели UDA-112. Объектом исследования были токарные резцы, оснащаемые сменными режущими пластинами формы LNMX 301940 и BNMX (ISO 513), часть из которых составила контрольную группу без покрытия, на другие наносили специально разработанные для этих целей нанодисперсные многослойно-композиционные покрытия (NMCC). Использовали режущие пластины, которые крепили в державки, при этом между опорной и режущей пластиной формировали специальный интерфейс, улучшающий теплоотвод в режущий инструмент. При проведении стойкостных испытаний критерием отказа инструмента служил предельный износ задней поверхности режущей пластины h3 = 0,6-0,8 мм. Измерение фаски износа задней поверхности проводили на инструментальном микроскопе БМИ-1Ц. Оценку шероховатости обработанной поверхности производили при использовании профилографа-профилометра модели Hand-held Roughness Tester TR 200 (Япония).

Результаты. Установлена высокая эффективность твердосплавных режущих пластин формы LNMX 301940 из твердого сплава АТ15S с теплопроводным интерфейсом и разработанными НМСС на основе трехслойной системы Ti-TiN-(Ti,Al)N по сравнению с стандартными аналогами при тяжелой восстановительной обточке катальной поверхности колесных пар. В частности, отмечено не только более высокое среднее значение стойкости (88,1 мин) и коэффициента стойкости КСТ (103,12), но и снижение коэффициента вариации стойкости (и = 3,25). Отмеченное свидетельствует о существенном повышении работоспособности и надежности инструмента, оснащенного тангенциальными пластинами LNMX 301940 из сплава AT15S с повышенной теплопроводностью твердого сплава и покрытия на основе системы Ti-TiN-TiAlN, разработанными для обточки поверхности катания колесных пар.

Выводы. Рассмотрено тепловое состояние режущего инструмента в процессе колесотокарной обработки, которое определяет его работоспособность. Предложены способы улучшения теплоотвода от режущей пластины в процессе обработки. Их применение позволяет снизить теплонапряженность режущего клина и, соответственно, увеличить стойкость инструмента при колесотокарной обработке.

Ключевые слова: колесотокарная обработка, разрушение режущего инструмента, теплоотвод, износостойкие покрытия.

192

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

M. Yu. Kulikov, A. Yu. Popov, A. V. Florov, San Maung

METHODS OF WEDGE’S CALORIFIC INTENSITY REDUCTION AT CAR-WHEEL PROCESSING

Abstract.

Background. The technology of car-wheel processing doesn’t stipulate application of lubricant-cooling media (LCM), which significantly increases the temperature of cutting and deteriorates instrument’s durability. Therefore, the article considers the methods instrument’s durability improvement by decreasing the cutting temperature, without LCM application. Relevance of the research is also proved by the trend of ecological cutting “Green cutting” without LCM application.

Materials and methods. The research was performed at processing of wheel pairs on Rafamet lathes of UDA-112 series. The research object was lathe tools equipped with removable blades of LNMX 301940 and BNMX (ISO 513) forms, with some of them entering the control group withouth coating and the other being covered with specially designed nanodispersed multilayered composite coatings (NMCC). The authors used cutting blades fixed on holders; between a support blade and a cutting blade there was formed a special interface, improving eat extraction into the cutting tool. During durability tests the criterion of instrument failure was the limiting wear of the rear surface of the cutting blade h3 = 0,6-0,8 mm. The rear surface’s wear flat was measured by the toolmaker’s microscope BMI-1Ts. Roughness of the processed surface was estimated by the Hand-held Roughness Tester TR 200 (Japan).

Results. The authors established high efficiency of hardmetal cutting blades of LNMX 301940 form made of AT15S alloy with the heat-extracting interface and the developed NMCC on the basis of Ti-TiN-(Ti,Al)N in comparison with standard analogs in conditions of hard reducing turning of wheel pairs. In particular, the researchers pointed out not just a high average durability value (88,1 min) and a durability coefficient (103,12), but also a decrease of the durability variation coefficient (u = 3,25). The emphasized information indicates a significant increase in operating ability and reliability of the instrument equipped with tangential LNMX 301940 blades of AT15S alloy with improved heat conductivity of the hard metal and coating on the basis of the Ti-TiN-TiAlN system, developed for wheel pairs’ surface turning.

Conclusions. The researchers considered the cutting instrument’s heat condition in the process of car-wheel processing that determines its operating ability. The authors suggested the ways to improve heat extraction from the cutting blade during processing. Application thereof allows to decrease calorific intensity of a cutting blade and, accordingly, to increase instrument’s durability at car-wheel processing.

Key words: car-wheel processing, cutting instrument’s disruption, heat extraction, wear resistant coatings.

Повышение температуры резания оказывает негативное влияние на выходные параметры процесса колесотокарной обработки. Одним из основных параметров является износ режущего клина сменных твердосплавных пластин. Поэтому поиск способов повышения стойкости режущих пластин путем снижения температуры резания при колесотокарной обработке является целью нашего исследования.

Исследования проводили при обработке катальной части колесных пар на токарных станках типа «Rafamet» модели UDA-112, v = 40-80 м/мин;

Engineering sciences. Machine science and building

193

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

S = 1,1—1,3 мм/об, t = 6-8 мм. Объектом исследования были токарные резцы, оснащаемые сменными режущими пластинами формы LNMX 301940 и BNMX (ISO 513), часть из которых составила контрольную группу без покрытия, на другие наносили специально разработанные для этих целей нанодисперсные, многослойно-композиционные покрытия (NMCC). Использовали режущие пластины, которые крепили в державки, при этом между опорной и режущей пластиной формировали специальный интерфейс, улучшающий теплоотвод в режущий инструмент. При проведении стойкостных испытаний критерием отказа инструмента служил предельный износ задней поверхности режущей пластины Нз = 0,6-0,8 мм. Измерение фаски износа задней поверхности проводили на инструментальном микроскопе БМИ-1Ц. Оценку шероховатости обработанной поверхности производили при использовании профилографа-профилометра модели Hand-held Roughness Tester TR 200 (Япония).

Исследование механизма изнашивания режущего инструмента, оснащенного пластинами из твердого сплава при обработке контура колесных пар, показало, что изнашивание сопровождается пластическим деформированием режущего клина твердосплавного инструмента с последующим разрушением (рис. 1). В работе [1] также установлено, что одним из превалирующих видов отказа инструмента при колесотокарной обработке являет его пластическое разрушение. При этом пластическая деформация сопровождается просадкой режущей кромки или выдавливанием главной задней поверхности [1].

Рис. 1. Кинетика развития очагов изнашивания контактных площадок режущей пластины из твердого сплава AT15S Ti-TiN при обработке катальной поверхности колесной пары с параметрами t = 6,0 мм; S = 1,2 мм; v = 70 м/мин

Впервые механизм пластического разрушения твердосплавного инструмента для тяжелонагруженных операций резания (резание труднообрабатываемых сплавов на никелевой основе) был рассмотрен Н. В. Талантовым [2], который показал, что изнашивание твердосплавного инструмента сопровождается пластическими деформациями режущего клина инструмента, обусловленными явлением ползучести. Полный отказ инструмента происходит в результате пластического разрушения режущего клина инструмента.

Известно [3], что ползучесть является термоактивированным процессом и определяется тепловыми полями, образующимися в режущем клине в процессе резания. Уровень теплового воздействия на режущий клин инструмента определяет начало механизма высокотемпературной ползучести инструментального материала, что в результате приводит к полному отказу инструмента из-за пластического разрушения режущего клина инструмента. Интенсификацию тепловых потоков, отводящих тепло из зоны обработки, обычно

194

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

осуществляют применением смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС). Однако по техническим требованиям использование жидких СОТС при обработке колесных пар не допускается [4]. Следует отметить, что теплопроводность двух-трех карбидных твердых сплавов (WC-TiC-Co, WC-TiC-TaC-Co) чрезвычайно низка, что предопределяет сильное снижение интенсивности теплоотвода в инструмент и концентрацию тепловых напряжений непосредственно в контактных областях твердого сплава.

В этой связи в работе предлагается комбинированный подход к проблеме повышения работоспособности твердосплавного инструмента для обработки колесных пар. Такой подход предусматривает введение в конструкцию инструмента элемента, интенсифицирующего теплоотвод из зоны обработки, и нанесение многослойно-композиционных покрытий с нанодисперсной архитектурой на режущем инструменте. Комбинированное улучшение свойств твердосплавного инструмента позволяет одновременно снизить напряжение, действующее на контактных площадках инструмента, и уровень тепла, формируемого от фрикционных источников на передней и задней поверхностях инструмента, а также заметно интенсифицировать тепловые потоки от рабочих слоев режущего инструмента.

В работе [5] было показано, что применение многослойно-композиционных покрытий снижает термомеханические нагрузки на режущий клин инструмента и значительно повышает его работоспособность, однако сам механизм изнашивания также сопровождается пластическими деформациями. В этой же работе было показано, что нанесение покрытий снижает уровень напряжений, действующих на контактные площадки инструмента, однако уровень теплового нагружения остается достаточно высоким.

Тепловое состояние режущего инструмента при нанесении покрытия улучшается, однако покрытие не предотвращает нагрева локальных объемов режущего инструмента, примыкающего к контактным площадкам, а только замедляет процесс распространения тепла в режущий клин.

В работе рассматриваются условия теплоотвода от границы между опорными поверхностями режущей пластины и державки инструмента. Как известно, площадь контактирования в любых парах трения определяется не номинальной, а фактической площадью контакта, которую составляет суммарная площадь контактирующих вершин микронеровностей пары трения и составляет несколько процентов от площади номинального контакта. В местах, где контакт отсутствует, образуются воздушные области (карманы). Теплопроводность воздуха в 3500 раз ниже, чем у металлов, используемых в сборных резцах. Поэтому граница между опорными поверхностями режущей пластины и инструментальной державки имеет высокое термическое сопротивление, что резко ухудшает условия теплоотвода из инструмента.

Уменьшить термическое сопротивление в узкой области контакта опорных поверхностей предлагается путем применения теплопроводного интерфейса, формируемого специальной теплопроводной пастой (рис. 2), которой тонким слоем покрывают опорные поверхности резцедержателя и твердосплавной режущей пластины.

Для обеспечения нормального отвода тепла весь воздух из зазоров должен быть вытеснен специальным теплопроводящим эластичным составом, имеющим гораздо более высокую теплопроводность. Однако, в любом слу-

Engineering sciences. Machine science and building

195

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

чае, тепловые свойства самых лучших теплопроводных паст ниже, чем у металлов, поэтому качество сопрягаемых поверхностей и толщина слоя теплопроводной пасты имеют определяющие значение.

Рис. 2. Пример опорных поверхностей режущей пластины и инструментальной державки

Толщина пасты в месте контакта не должна превышать величины шероховатости на сопрягаемых элементах, наносить пасту необходимо равномерным слоем на обезжиренную поверхность, размазывая ее для гарантированного заполнения всех неровностей поверхности.

Одним из главных преимуществ показанного способа снижения тепловой напряженности в зоне резания путем отвода тепла от режущей пластины в резцедержатель является низкая себестоимость и отсутствие необходимости применения сложной оснастки. В процессе работы инструмента теплопроводный интерфейс не требует частой замены, так как его достаточно сформировать на весь срок службы режущей пластины, а замену производить только при демонтаже и замене изношенной режущей пластины. При этом перед формированием нового слоя теплопроводного интерфейса старую пасту следует удалить с использованием моющего средства, а поверхности обезжирить и полностью просушить. Указанное свидетельствует о большой технологичности использования теплопроводной пасты в производственных условиях.

Проведенные исследования показали, что использование теплопроводной пасты в сборном резце значительно улучшает теплоотвод из зоны резания и уменьшает теплонапряженность режущего клина инструмента. За счет этого значительно увеличивается работоспособность режущего инструмента при колесотокарной обработке.

Другим способом интенсификации отвода тепла от режущего клина является замена пасты на теплопроводные эластичные прокладки. В этом случае на переднюю поверхность режущей пластины наклеиваются теплопроводящие эластичные прокладки из листового армированного материала (например, из материала НОМАКОН КПТД-2) по форме и толщине, соответствующие размерам стружколомающих канавок. Данные прокладки из керамикополимерного теплопроводящего материала обладают большой эластичностью (не менее 50 %) и теплопроводностью (0,8—1,4 Вт/(м К)), обеспечивают

196

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

эффективную теплопередачу по всей опорной поверхности, ликвидируя при этом воздушные зазоры (см. рис. 2). За счет армирования стекловолокном материал выдерживает сжатие до 40 МПа, что гарантирует надежное закрепление режущей пластины. При индексации режущей пластины, когда опорная поверхность пластины превращается в переднюю поверхность, части прокладки, находящиеся в контактной зоне, легко удаляются сходящей стружкой.

Исследования проводили при обточке поверхности катания колесной пары, v = 50 м/мин; S = 1,2 мм/об; t = 6,0 мм (рис. 3). Оценку работоспособности режущих пластин производили по коэффициенту стойкости относительно исходных пластин из AT15S без покрытия, стойкость которых была принята за единицу при испытаниях с указанными режимами обработки при предельном износе по задней поверхности Нз = 0,7 мм. Сравнение производили с твердосплавными пластинами лучших мировых производителей со стандартными покрытиями, и пластин со сформированным интерфейсом, улучшающим теплопроводность твердого сплава.

Рис. 3. Результаты сравнительных стойкостных испытаний твердосплавных пластин тангенциальной формы LNMX 301940 при обточке профиля поверхности катания колесных пар мотор-вагонного подвижного состава с новыми бандажами при черновой обточке колесных пар, v = 50 м/мин; S = 1,2 мм/об; t = 6,0 мм:

1 - пластины без поверхностного износостойкого покрытия (средняя стойкость 3,25 8 колеса на режущую кромку); 2 - пластины с термоинтерфейсом - 3,900 8;

3 - пластины с покрытием TiN (PVD) - 6,875 8; 4 - пластины с покрытием TiN (PVD) + термоинтерфейс - 8,112 8; 5 - пластины с покрытием TiN - 10,312 8; 6 - пластины с покрытием TiN + термоинтерфейс - 12,89 8

Анализ результатов исследований позволяет отметить следующее. Установлена высокая эффективность твердосплавных режущих пластин формы LNMX 301940 из твердого сплава АТ15S с теплопроводным интерфейсом и разработанными НМСС на основе трехслойной системы Ti-TiN-(Ti,Al)N

Engineering sciences. Machine science and building

197

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

по сравнению с стандартными аналогами при тяжелой восстановительной обточке катальной поверхности колесных пар. В частности, отмечено не только более высокое среднее значение стойкости (88,1 мин) и коэффициента стойкости Кст (103,12), но и снижение коэффициента вариации стойкости (и = 3,25). Отмеченное свидетельствует о существенном повышении работоспособности и надежности инструмента, оснащенного тангенциальными пластинами LNMX 301940 из сплава AT15S с повышенной теплопроводностью твердого сплава и покрытия на основе системы Ti-TiN-TiAlN, разработанными для обточки поверхности катания колесных пар.

Список литературы

1. Попов, А. Ю. Оптимизация элементов технологической системы при восстановлении профиля поверхности катания колесных пар подвижного состава : дис. ... канд. техн. наук / А. Ю. Попов. - М., 1998. - 309 с.

2. Талантов, Н. В. Физические основы резки и износа инструмента / Н. В. Талантов. - Волгоград : Изд-во ВТУ, 1994. - С. 3-37.

3. Лоладзе, Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента / Т. Н. Ло-ладзе. - М. : Машиностроение, 1982. - 320 с.

4. Богданов, А. Ф. Эксплуатация и ремонт колесных пар вагонов / А. Ф. Богданов, В. Г. Чурсии. - М. : Транспорт, 1985. - 270 с.

5. Верещака, А. С. Резание материалов : учебник / А. С. Верещака, В. С. Куш-нер. - М. : Высш. шк., 2009. - 535 с.

References

1. Popov A. Yu. Optimizatsiya elementov tekhnologicheskoy sistemy pri vosstanovlenii profilya poverkhnosti kataniya kolesnykh par podvizhnogo sostava: dis. kand. tekhn. nauk [Optimization of technological system’s elements at restoration of the surface profile of the rolling stock’s wheel pairs: dissertation to apply for the degree of the candidate of engineering sciences]. Moscow, 1998, 309 p.

2. Talantov N. V. Fizicheskie osnovy rezki i iznosa instrumenta [Physical fundamentals of cutting and instrument wear]. Volgograd: Izd-vo VTU, 1994, pp. 3-37.

3. Loladze T. N. Prochnost’ i iznosostoykost’ rezhushchego instumenta [Instrument’s strength and wear resistance]. Moscow: Mashinostroenie, 1982, 320 p.

4. Bogdanov A. F., Chursii V. G. Ekspluatatsiya i remont kolesnykh par vagonov [Exploitation and repair of carriage’s wheel pairs]. Moscow: Transport, 1985, 270 p.

5. Vereshchaka A. S., Kushner V. S. Rezanie materialov: uchebnik [Cutting of materials: textbook]. Moscow: Vyssh. shk., 2009, 535 p.

Куликов Михаил Юрьевич

доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, Институт конструкторскотехнологической информатики Российской академии наук

E-mail: muk.56@mail.ru

Kulikov Mikhail Yur'evich Doctor of engineering sciences, professor, leading researcher, Institute of engineering and design informatics of the Russian Academy of Sciences (building 1a,

18 Vadkovsky lane, Moscow, Russia)

198

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

Попов Алексей Юрьевич кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава, Московский государственный университет путей сообщения

E-mail: madrat@inbox.ru

Флоров Алексей Вадимович кандидат технических наук, младший научный сотрудник, Институт конструкторско-технологической информатики Российской академии наук

E-mail: florovaleksey@mail.ru Сан Маунг

аспирант, Московский государственного университета путей сообщения

E-mail: sannmaung84@mail.ru

Popov Aleksey Yur'evich

Candidate of engineering sciences, associate

professor, sub-department of transport

engineering and rolling stock repair,

Moscow State University

of Railway Engineering (building 9,

9 Obraztsova street, Moscow, Russia)

Florov Aleksey Vadimovich

Candidate of engineering sciences, research assistant, Institute of engineering and design informatics of the Russian Academy of Sciences (building 1a,

18 Vadkovsky lane, Moscow, Russia)

San Maung

Postgraduate student, Moscow State University of Railway Engineering

УДК 621.7 Куликов, М. Ю.

Пути снижения теплонапряженности режущего клина при колесотокарной обработке / М. Ю. Куликов, А. Ю. Попов, А. В. Флоров, Сан Маунг // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 4 (32). - С. 192-199.

Engineering sciences. Machine science and building

199