РЕЖУЩАЯ ПЛАСТИНА ИЗ КЕРАМИКИ

Полезная модель относится к обработке металлов резанием, в частности, к непрерывному точению, растачиванию и фрезерованию заготовок из серых чугунов.
Опыт промышленного применения инструментов из нитридной керамики выявил значительное влияние качества заточки рабочих поверхностей и упрочняющей фаски на их работоспособность. Наличие дефектов на режущей части такого инструмента изменяет характер и интенсивность его изнашивания, особенно на начальном этапе эксплуатации. Очагами первоначального разрушения режущей кромки становятся локальные сколы инструментального материала, природа которых заложена в операции шлифования. Кроме того, шероховатость рабочих поверхностей инструментального материала влияет на трение, характер формирования контактных площадок, тепловой баланс в зоне резания и силы резания.
Поэтому при проектировании режущих пластин из нитридной керамики для обеспечения их эксплуатационной стабильности особое внимание уделяют технологии шлифования и созданию специальной геометрии упрочняющей фаски на их лезвии.
Из уровня техники известна конструкция режущей пластины, имеющая упрочняющую фаску с постоянным значением угла наклона к передней поверхности и постоянную ширину по всему периметру режущих кромок. (см. ГОСТ 25003 - 81 «Пластины режущие сменные многогранные керамические», стр.9)
В результате изучения кинетики отказов керамических режущих пластин при непрерывном точении и растачивании заготовок из серых чугунов выявлено следующее, что основной причиной отказов этих режущих пластин из работоспособного состояния является износ задней поверхности. Особенностью кинетики изнашивания режущих пластин из керамики является четкий контур очага износа задней поверхности вдоль их лезвия. На общем участке износа выделяются три характерные области, имеющие разную морфологию поверхности износа. Первая область образуется при вершине режущей пластины, вторая - в средней части активного участка лезвия, а третья - на периферии активной части лезвия режущей пластины. Наибольшие значения фаски износа задней поверхности режущих пластин во всех случаях фиксируются на периферийном участке активной части их лезвия.
Наиболее близким решением из уровня техники по технической сути является конструкция пластины, в которой для увеличения ее стойкости на ее режущей кромке выполняют упрочняющую фаску специальной геометрии и формы (см. Патент РФ №45106, В23С 5/20, 2005 г.)
Недостатком данной известной из уровня техники режущей пластины следует отнести критическую величину износа по задней поверхности и повышенное значение интенсивности напряжений в режущей пластине, формирующихся под действием распределенной силовой и тепловой нагрузки, возникающей при точении, растачивании и фрезеровании заготовок из серых чугунов. Это приводит к разрушению и сколу режущей кромки и преждевременному выходу пластины из работоспособного состояния.
В основу заявленной полезной модели была положена задача снизить вероятность преждевременного выхода из работоспособного состояния сменной пластины из керамики за счет создания специальной геометрии упрочняющей фаски на режущей кромке, с целью минимизации действия неблагоприятных нагрузок на их задней поверхности и уменьшения вероятности появления эксплуатационных дефектов, в виде микротрещин и микросколов, при обработке заготовок из чугунов.
Поставленный технический результат, решается посредством того, что сменная режущая пластина из керамики, выполненная в виде многогранника с верхней, нижней и боковыми поверхностями, образующие режущие кромки с упрочняющими фасками, согласно полезной модели, каждая из упрочняющих фасок выполнена виде плоской поверхности, расширяющейся от вершины к оси симметрии пластины, при этом угол наклона упрочняющей фаски к верхней поверхности, вдоль режущей кромки составляет 10°-20°, ширина фаски составляет 0,15-0,35 мм, а угол пересечения упрочняющей фаски с верхней, нижней и боковой поверхностью выполнен с радиусом округления ρ=25-40 мкм.
Полезная модель поясняется графическими материалами.
Фиг.1 - чертеж пластины, вид сверху;
Фиг.2 - чертеж пластины, вид сбоку;
Фиг.3 - вид I-I (сечение) из фиг.1 в увеличенном масштабе;
Режущая пластина из керамики, выполнена в виде многогранника с верхней поверхностью 1, нижней поверхностью 2 и боковыми поверхностями 3. Пересечение верхней поверхности 1 и нижней поверхности 2 с боковыми поверхностями 3 образуют режущие кромки 4. А также многогранник выполнен с наклонными фасками 5 в виде плоской поверхности, расширяющейся от вершины к оси симметрии пластины, расположенными по периметрам верхней поверхности 1 и нижней поверхности 2. При этом фаски 5 примыкают к режущим кромкам 4 таким образом, что часть каждой прямолинейной (в поперечном сечении) поверхности фаски 5 является частью режущей кромки 4. Поверхность наклонной фаски 5 в поперечном сечении представлена частью плоскости шириной f и углом наклона γ к передней поверхности. Угол наклона γ фаски 5 составляет от 10° до 20°, ширина фаски f составляет от 0,15 до 0,35 мм, а угол пересечения упрочняющей фаски с верхней, нижней и боковой поверхностью выполнен с радиусом округления ρ от 25 до 40 мкм.
Указанные диапазоны значений геометрических параметров конструкции пластины из керамики получены экспериментальным путем.
Основной объем исследований проведен при точении серого чугуна СЧ32 (180-220 НВ).
Экспериментальные исследования выполняли на токарно-винторезных станках мод. 16К20 и вертикально-фрезерном станке мод. 6Т13. Производственные испытания проводили на координатно-расточном станке мод. 2Е440А. Лабораторные и производственные исследования проводили в следующем диапазоне режимов резания: ν=100-750 м/мин, S=0,15-0,8 мм/об, t=1-5 мм.
Изучение влияние ширины и угла упрочняющей фаски на стойкость режущих пластин из керамики проводили в производственных условиях при обработке отверстия в отливке «Корпус статора» (ν=350 м/мин; S=0,6 мм/об; t=5 мм). При этом использовали пластины с упрочняющей фаской на их лезвии, ширину которой изменяли от 0,1 мм до 0,4 мм, угол от 5° до 30°. Радиус округления кромок упрочняющих фасок изменяли в диапазоне от 15 до 55 мкм. В каждом эксперименте измеряли величину очага износа задней поверхности при вершине режущей пластины и на ее периферийном участке.
f
Результаты испытаний этих пластин показали, что влияние ширины и угла упрочняющей фаски на интенсивность изнашивания разных участков задней поверхности режущих пластин из керамики при точении и фрезеровании отливок из серых чугунов имеет разный характер. Наименьшая интенсивность изнашивания задней поверхности при вершине зафиксирована у режущих пластин с упрочняющей фаской f·γ=0,15 мм·10° и радиусом округления ρ=25 мкм. На периферийном участке зафиксирована другая закономерность - с увеличением ширины и угла упрочняющей фаски интенсивность изнашивания режущих пластин уменьшается.
Данная конструкция режущей пластины была изготовлена и прошла испытания на производственной базе ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин» с положительным результатом при точении и фрезеровании отливок из серых чугунов, (см. таблицу 1).
Таблица 1.
№
Ширина фаски, f, мм.
Угол наклона, γ<sub>f</sub>, град.
Радиус округления, ρ, мм.
Износ, h<sub>з</sub> мм.
1
0,13
9
20
0,7
2
0,15
10
25
0,4
3
0,25
17
30
0,42
4
0,35
20
40
0,45
5
0,37
21
50
0,6
з
Как видно из таблицы ширина фаски, угол ее наклона и радиус округления режущей кромки при выходе за границы заявленного интервала приводит к увеличению интенсивности изнашивания по задней поверхности на всем участке активной части лезвия. При достижении значений величины износа h=0,5-0,7 мм значительно увеличиваются термические напряжения в режущих пластинах из керамики, что приводит к резкому повышению вероятности их непрогнозируемых отказов и выходу из работоспособного состояния.
Таким образом, заявленная полезная модель позволяет добиться желаемого результата, так как режущая кромка пластины за счет наклонных фасок упрочняется постепенно в направлении увеличения глубины резания, поэтому в них минимизируется риск скола и разрушения на границе максимальной глубины резания.
Рациональный выбор компонентов нитридной керамики, ширины и угла упрочняющей фаски на режущих кромках обеспечил уменьшение напряжений в режущих пластинах, снижение на 20% вероятности появления в них поврежденностей (эксплуатационных дефектов), что позволило повысить стойкость разработанных режущих пластин на 30% по сравнению с пластинами, имеющими стандартную упрочняющую фаску.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимых пунктах формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата. Свойства, регламентированные в заявленной режущей пластине из керамики отдельными признаками общеизвестны из уровня техники, и не требуют дополнительных пояснений. Однако, следует отметить, что заявленная совокупность существенных признаков на дату приоритета неизвестна из уровня техники и обеспечивает эффективное применение режущей пластины из керамики на операциях точения, растачивания и фрезерования заготовок из серых чугунов.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования в области машиностроения, а в частности, на предприятиях автомобиле- и тракторостроения на операциях точения, растачивания и фрезерования левыми и правыми резцами и торцевыми фрезами деталей, выполненных из отливок из серых чугунов;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствуют требованию условия патентоспособности «промышленная применимость» по действующему законодательству.