Підвищення ефективності чистового точіння сталей різцями з різальними пластинами з безвольфрамових твердих сплавів за допомогою обробки імпульсним магнітним полем

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра «Технології машинобудування»

Реферат

Дисципліна: Наукові дослідження

”ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЧИСТОВОГО ТОЧІННЯ СТАЛЕЙ РІЗЦЯМИ З РІЗАЛЬНИМИ ПЛАСТИНАМИ З БЕЗВОЛЬФРАМОВИХ ТВЕРДИХ СПЛАВІВ ЗА ДОПОМОГОЮ ОБРОБКИ ІМПУЛЬСНИМ МАГНІТНИМ ПОЛЕМ”

Львів - 2008р.

Зміст

Вступ

1 Теоретичні дані

2 Вибір методу дослідження інтенсивності зношування та стійкості різців

3 Теоретичне обгрунтування підвищення ефективності чистового точіння сталей різцями з різальними пластинами з БВТС в результаті ОІМП

4 Результати експериментальних досліджень впливу ОІМП на мікротвердість поверхневого шару та структуру безвольфрамового твердого сплаву ТН20

Висновок

Використана література

Вступ

Важливим напрямком розвитку інструментального виробництва є створення та впровадження економічних інструментальних матеріалів, що характеризуються зниженим вмістом вольфраму або не містять його зовсім. Серед цих матеріалів чільне місце посідають безвольфрамові тверді сплави (БВТС), основною сферою використання яких є чистове точіння сталей.

Проте, ефективність операцій чистового точіння сталей різцями з різальними пластинами з БВТС залишається недостатньо високою. Підвищення ефективності цих операцій може бути забезпечене за рахунок використання сучасних зміцнюючих технологій. Разом з тим, відомі способи нанесення зносостійких покриттів на різальні пластини є дорогими, характеризуються складністю технології та обладнання, підвищеними вимогами до кваліфікації персоналу. Віброабразивна обробка різальних пластин з БВТС не забезпечує підвищення стійкості різців при точінні сталей з малими площинами перетину зрізу.

В зв'язку з цим набуває актуальності розробка нового способу підвищення ефективності чистового точіння сталей різцями з різальними пластинами з БВТС, позбавленого недоліків перерахованих технологій. В якості такого способу може бути запропонована обробка імпульсним магнітним полем (ОІМП) різальних пластин, що за рахунок підвищення мікротвердості поверхневого шару твердого сплаву внаслідок деформаційної дії магнітного поля на структуру феромагнітної зв'язуючої фази дозволяє знизити інтенсивність зношування інструменту, покращити характеристики процесу різання, і в результаті забезпечити підвищення стійкості різців і технологічних характеристик оброблюваних деталей.

Мета і задачі дослідження.

Мета дослідження: підвищення ефективності чистового точіння сталей різцями з різальними пластинами з безвольфрамових твердих сплавів за рахунок розробки та впровадження технологічного методу обробки імпульсним магнітним полем різальних пластин і вибору раціональних режимів різання.

Задачі дослідження:

1. Встановити характер впливу обробки імпульсним магнітним полем різальних пластин на характеристики інтенсивності зношування інструменту та процесу різання, які визначають стійкість різців та технологічні характеристики деталей.

2. Розробити теоретичну модель впливу обробки імпульсним магнітним полем на структуру та мікротвердість поверхневого шару безвольфрамових твердих сплавів.

3. Обґрунтувати та експериментально підтвердити підвищення показників стійкості різців та технологічних характеристик оброблюваних деталей в результаті обробки імпульсним магнітним полем різальних пластин.

4. Визначити раціональні режими обробки імпульсним магнітним полем різальних пластин, що забезпечують найбільше підвищення стійкості різців.

5. Визначити раціональні режими різання різцями з пластинами, обробленими імпульсним магнітним полем, які забезпечують максимальну стійкість різців та найкращі технологічні характеристики оброблюваних деталей.

6. Розробити рекомендації з практичного використання обробки імпульсним магнітним полем різальних пластин з безвольфрамових твердих сплавів для підвищення ефективності чистового точіння сталей різцями з цими пластинами.

Об'єкт дослідження - процеси чистового точіння сталей різцями з різальними пластинами з безвольфрамових твердих сплавів.

Предмет дослідження - вплив обробки імпульсним магнітним полем різальних пластин на стійкість різців та технологічні характеристики оброблюваних деталей.

Методи дослідження. Теоретичне обґрунтування підвищення ефективності чистового точіння сталей різцями з різальними пластинами з БВТС в результаті ОІМП базувалось на наукових положеннях теорії різання, зокрема теорії зношування твердосплавного інструменту, пластичної деформації оброблюваної сталі та контактних процесів в зоні різання, а також на положеннях матеріалознавства твердих сплавів та технології машинобудування. Теоретична модель впливу ОІМП на структуру та мікротвердість поверхневого шару БВТС розроблялась на основі фізичних принципів магнітострикції. Експериментальні дослідження проводились в лабораторних і виробничих умовах з подальшою статистичною обробкою результатів. Використовувались кореляційний аналіз, планування експерименту, апроксимація експериментальних залежностей відомими моделями. Вплив ОІМП на структуру БВТС досліджувався за допомогою рентгеноструктурного аналізу.

1.Теоретичні дані

Найперспективнішим напрямком підвищення ефективності чистового точіння сталей різцями з різальними пластинами з БВТС є використання сучасних зміцнюючих технологій. Дані про підвищення стійкості різців з пластинами з БВТС в результаті нанесення зносостійких покриттів та віброабразивної обробки (ВАО) пластин містяться в роботах О.С. Верещаки, М.І. Зінов'єва, В.Я. Крючкова та ін. Разом з тим, слід відзначити, що відомі способи нанесення зносостійких покриттів на різальні пластини з БВТС (методи ГТ, ДТ, КІБ) є дорогими, характеризуються складністю технології та обладнання, підвищеними вимогами до кваліфікації персоналу, нанесення покриттів методами ГТ і ДТ знижує міцність різальних пластин, а ВАО не забезпечує істотного підвищення стійкості різців при чистовому точінні сталей з малими площинами перетину зрізу.

В якості способу підвищення ефективності чистового точіння сталей різцями з різальними пластинами з БВТС, позбавленого недоліків перерахованих технологій, може бути запропонована обробка імпульсним магнітним полем (ОІМП) різальних пластин. ОІМП успішно використовується для підвищення стійкості інструменту зі швидкорізальної сталі (роботи С.М. Постнікова, Ю.О. Бородкіна, М.Т. Галєя та ін.) та твердих сплавів (роботи А. Герганова та ін.) за рахунок підвищення фізико-механічних властивостей інструментального матеріалу. Відомості про ОІМП різальних пластин з БВТС відсутні. Проте наявність в складі БВТС феромагнітної зв'язуючої фази з магнітними характеристиками, близькими до заліза, дозволяє стверджувати про можливість використання ОІМП для підвищення ефективності чистового точіння сталей різцями з різальними пластинами з БВТС, яке повинно базуватися на зниженні інтенсивності зношування та полегшенні характеристик процесу різання за рахунок підвищення мікротвердості поверхневого шару твердого сплаву внаслідок субструктурного зміцнення його фаз.

2 Вибір методу дослідження інтенсивності зношування та стійкості різців

Дослідження інтенсивності зношування та стійкості різців, характеристик процесу різання здійснювались при чистовому подовжньому точінні сталей 45, У8А, 30Х13 на верстатах 1К625Сп, 16К20, 1А660Ф3. В якості інструментального матеріалу був обраний твердий сплав ТН20 (ГОСТ 26530-85), що характеризується найбільшою серед БВТС зносостійкістю при чистовому точінні сталей. Використовувались різці токарні за ТУ 2-035-892-82 та різальні пластини 02114-080608, 02114-080610, 02114-080612 (ГОСТ 19048-80). Геометричні параметри різців: = 10є, = 10є, = 90є,  = 10є. Вибір значення = 90є зумовлений необхідністю забезпечення максимальної жорсткості технологічної системи. Режими різання при точінні сталей 45, У8А: швидкість різання = 100-300 м/хв, подача = 0,2-0,4 мм/об, глибина різання = 1-2,5 мм; при точінні сталі 30Х13: = 50-150 м/хв, = 0,2-0,4 мм/об, = 1-2 мм. Магнітна обробка пластин здійснювалась на робототехнічному комплексі ОІМП РК_1. Режими ОІМП: напруженість поля = 0,2·10⁵-1,8·10⁵ А/м, тривалість ОІМП = 0,25-12 хв, час витримки після ОІМП = 4-48 год, частота імпульсів поля = 5 Гц.

Вимірювання мікротвердості поверхневого шару твердого сплаву проводилось на приладі ПМТ-3. Рентгеноструктурний аналіз твердого сплаву здійснювався на рентгенометричному дифрактометрі ДРОН-4-07.

Складові сили різання вимірювали динамометром УДМ-600. Термо-ЕРС та температуру різання визначали методом природньої термопари з реєстрацією термо-ЕРС потенціометром ПС1-12. Інтенсивність зношування різців оцінювалась відносним поверхневим зносом по задній поверхні, стійкість різців - періодом стійкості та довжиною шляху різання . Моделі залежностей отримували апроксимацією експериментальних даних рядами Фур'є, залежностей та - за допомогою повного факторного експерименту (ПФЕ) 2³. Дослідження точності обробки ґрунтувалось на визначенні складової похибки , пов'язаної зі зносом різця, шорсткості обробленої поверхні - на вимірюванні середнього арифметичного відхилення профілю (ГОСТ 2789-73) профілографом-профілометром мод. 201 заводу “Калібр”.

3 Теоретичне обгрунтування підвищення ефективності чистового точіння сталей різцями з різальними пластинами з БВТС в результаті ОІМП

Інтенсивність зношування різців з різальними пластинами з БВТС при чистовому точінні сталей визначається співвідношенням міцності адгезійних зв'язків на зріз при наявності пластичних деформацій на контакті та мікротвердості поверхневого шару твердого сплаву . ОІМП знижує величину різців за рахунок підвищення мікротвердості поверхневого шару твердого сплаву і забезпечення резерву у пластин, оброблених магнітним полем, при реальних температурах різання. З урахуванням різного механізму руйнування адгезійних зв'язків при швидкості та температурі різання, більших або менших за оптимальні та , та одночасного впливу на величину як збільшення мікротвердості в результаті ОІМП, так і її зменшення під впливом температури різання, для опису залежностей різців з пластинами, обробленими магнітним полем, від характеристик адгезійної взаємодії на контакті та температури різання запропоновані формули:

при та ; (1)

при та , (2)

де - міцність на зріз адгезійних зв'язків при відсутності нормальних напружень на контакті; - значення коефіцієнта зміцнення адгезійних зв'язків при ; - мікротвердість поверхневого шару твердого сплаву у вихідному стані; - коефіцієнт відносного підвищення в результаті ОІМП; - показник інтенсивності зниження з підвищенням ; , , - коефіцієнти, , , , - показники ступеня, - подача; - дотичні напруження на задній поверхні; ; ; 0; .

Підвищення різальних пластин, і відповідно, підвищення співвідношення контактних твердостей інструментального та оброблюваного матеріалів в результаті ОІМП обумовлює зниження інтенсивності пластичної деформації, усадки стружки, сил різання, дотичних напружень на умовній площині зсуву, напружень та коефіцієнтів тертя на контактних поверхнях інструменту.

На прикладі твердого сплаву ТН20 розроблено теоретичну модель впливу ОІМП на структуру та мікротвердість поверхневого шару БВТС. Підвищення мікротвердості поверхневого шару БВТС в результаті ОІМП зумовлене змінами в структурі твердого сплаву, викликаними деформаційним впливом магнітного поля. В певному діапазоні значень напруженості поля напруження в феромагнітній зв'язуючій фазі під впливом магнітострикції перевищують межу текучості , ця фаза зазнає пластичної деформації стискування і, в свою чергу, стискує оточені нею карбідні зерна, що забезпечує субструктурне зміцнення фаз сплаву, яке призводить до підвищення . На основі розгляду одночасного впливу на як зміцнюючого (підвищення щільності дислокацій), так і знеміцнюючого (підвищення щільності пор та мікротріщин) фактору обґрунтовано нелінійний тип залежності з наявністю діапазонів , що забезпечують ( та ) і не забезпечують () підвищення . Більш інтенсивна зміцнююча дія магнітного поля на пластини з меншою обумовлює зниження коефіцієнту варіації мікротвердості пластин в партії в результаті ОІМП. Для опису загального вигляду залежностей від режимів ОІМП запропоновані наступні вирази:

– для залежності :

; (3)

– для залежності :

при і при ; (4)

- для залежності :

при і при . (5)

Зниження інтенсивності зношування різців та полегшення умов процесу різання внаслідок зниження інтенсивності пластичної деформації сталі та тертя на контактних поверхнях інструменту обумовлює підвищення стійкості різців з пластинами з БВТС в результаті ОІМП. Залежність коефіцієнту підвищення стійкості різців від носить ступеневий характер: (, ). Зниження пластин з БВТС в результаті ОІМП обумовлює зниження варіаційних розбіжностей стійкості різців з цими пластинами.

На основі розгляду характеру впливу магнітної обробки на показники інтенсивності пластичної деформації сталі (зниження кута дії , дотичних напружень на умовній площині зсуву, коефіцієнту скорочення стружки, тангенціальної складової сили різання , збільшення кута зсуву ) та тертя на контактних поверхнях інструменту (зниження коефіцієнту та кута тертя на передній поверхні) теоретично обґрунтовано зниження температури різання в результаті ОІМП різальних пластин, яке закономірно обумовлює підвищення рівня оптимальних швидкостей різання , що відповідають постійній для даної пари “твердий сплав-оброблювана сталь” оптимальній температурі різання . Підвищення рівня обумовлює підвищення оптимальної продуктивності формоутворення, що відповідає максимуму стійкості різців та найкращим технологічним характеристикам оброблюваних деталей.

Зниження інтенсивності зношування різців та полегшення умов процесу різання закономірно впливають на технологічні характеристики оброблюваних деталей, зокрема точність обробки та шорсткість обробленої поверхні, що є надзвичайно важливим для операцій чистової токарної обробки. Зменшення різців з пластинами з БВТС в результаті ОІМП підвищує точність чистової токарної обробки сталевих деталей при забезпеченні заданої довжини шляху різання . ОІМП забезпечує зниження параметра шорсткості обробленої поверхні за рахунок зменшення адгезійної взаємодії твердого сплаву зі сталлю та інтенсивності пластичної деформації сталі при різанні.

Таким чином, підвищення ефективності чистового точіння сталей різцями з різальними пластинами з БВТС в результаті ОІМП носить комплексний характер та включає підвищення стійкості та стабільності стійкісних характеристик різців, точності обробки та зниження шорсткості обробленої поверхні деталей.

4 Результати експериментальних досліджень впливу ОІМП на мікротвердість поверхневого шару та структуру безвольфрамового твердого сплаву ТН20

Встановлено, що ОІМП підвищує мікротвердість поверхневого шару твердого сплаву та знижує коефіцієнт її варіації практично у всьому досліджуваному діапазоні режимів магнітної обробки. Отримані для партій пластин з середньою мікротвердості у вихідному стані = 1400 МПа та коефіцієнтами варіації мікротвердості у вихідному стані = 0,085, = 0,12 та = 0,2 залежності від режимів ОІМП відповідають загальному вигляду виразів (3-5). Найбільше підвищення та найбільше зниження відбуваються при однакових режимах ОІМП та для партії пластин з середньою мікротвердістю у вихідному стані  =1400 МПа складають відповідно 1,31 та 2,65 рази. Оптимальна напруженість поля, що забезпечує найбільше підвищення , залежить від мікротвердості пластини у вихідному стані за лінійною залежністю (коефіцієнт кореляції = 0,98), а режими ОІМП впливають тільки на , не впливаючи на .

Результати рентгеноструктурного аналізу твердого сплаву ТН20 у вихідному стані та після ОІМП підтвердили представлену в роботі теоретичну модель впливу ОІМП на структуру БВТС. В результаті ОІМП твердого сплаву з режимами, що забезпечують найбільше підвищення (для партії з = 1400 МПа -  = 1,1·10⁵ А/м, = 2 хв; = 28 год, = 5 Гц), відбувається підвищення щільності дислокацій в зв'язуючій фазі сплаву в 1,57 разів, у карбідній фазі - у 1,37 разів, а також підвищення щільності дефектів пакування, зміна елементів субструктури, зменшення параметра кристалічної ґратки карбідної фази. Ці структурні зміни свідчать про магнітострикційну природу, дислокаційний механізм та субструктурний характер зміцнення твердого сплаву ТН20 після ОІМП з даними режимами. Разом з тим підтверджено відсутність зміцнення твердого сплаву ТН20 після ОІМП з напруженістю поля = 1,8·10⁵ А/м, яка не забезпечує підвищення .

При чистовому точінні сталей 45 та У8А встановлено підвищення стійкості різців в результаті ОІМП різальних пластин в усьому діапазоні досліджуваних режимів магнітної обробки, крім А/м. Залежності коефіцієнта підвищення стійкості різців від напруженості поля і тривалості ОІМП носять характер, подібний до залежностей від цих режимів ОІМП. Найбільше підвищення стійкості

Таблиця 1

Вплив ОІМП на рівень при чистовому точінні сталей 45, У8А, 30Х13 різцями з різальними пластинами з твердого сплаву ТН20

Таблиця 2

Параметричні рівняння максимальної розмірної стійкості різців з різальними пластинами з твердого сплаву ТН20 у вихідному стані і після ОИМП

ти та оптимальний відносний поверхневий знос по задній поверхні при точінні сталей 45 і У8А з будь-якою подачею в межах досліджуваного діапазону тавизначити оптимальне сполучення швидкості різання і подачі, що забезпечує мінімум і максимум . Отримані моделі служать основою для науково обґрунтованого вибору раціональних режимів різання при чистовому точінні сталей 45 і У8А різцями з пластинами з твердого сплаву ТН20, підданими ОІМП.

Встановлено, що ОІМП знижує у 1,47-1,73 рази коефіцієнт варіації довжини шляху різання при чистовому точінні сталей 45 та У8А.

Зниження різців в результаті ОІМП забезпечує підвищення точності обробки деталей за рахунок зниження у 1,2-1,27 рази складової похибки , пов'язаної з розмірним зносом різця. ОІМП знижує в 1,15-1,2 рази величину параметра шорсткості обробленої поверхні при чистовому точінні сталей 45 та У8А. Найбільша точність і найменша шорсткість обробленої поверхні відзначаються при оптимальних швидкостях різання.

Висновок

1. В роботі вирішена актуальна наукова задача підвищення ефективності чистового точіння сталей різцями з різальними пластинами з безвольфрамових твердих сплавів (БВТС) за рахунок розробки та впровадження технологічного методу обробки імпульсним магнітним полем (ОІМП) різальних пластин і вибору раціональних режимів різання.

2. Встановлено, що ОІМП різальних пластин з БВТС знижує інтенсивність зношування різців, оснащених цими пластинами, при чистовому точінні сталей за рахунок підвищення мікротвердості поверхневого шару твердого сплаву, а також забезпечує зниження показників деформації оброблюваної сталі, коефіцієнтів тертя на контактних поверхнях, температури різання за рахунок підвищення співвідношення контактних твердостей інструментального та оброблюваного матеріалу.

3. На прикладі твердого сплаву ТН20 розроблено теоретичну модель впливу ОІМП на структуру і мікротвердість поверхневого шару БВТС. Згідно з цією моделлю дія магнітного поля викликає пластичну деформацію стискування зв'язуючої фази та обумовлене нею стискування карбідних зерен, що призводить до підвищення мікротвердості поверхневого шару твердого сплаву внаслідок зміцнення його фаз, яке має магнітострикційну природу, дислокаційний механізм протікання та субструктурний характер. Встановлено характер залежностей коефіцієнту відносного підвищення мікротвердості поверхневого шару твердого сплаву від напруженості поля, тривалості магнітної обробки, часу витримки різальних пластин після ОІМП.

4. Визначено раціональні режими ОІМП різальних пластин з безвольфрамового твердого сплаву ТН20, що забезпечують найбільше підвищення стійкості різців з цими пластинами при чистовому точінні сталей 45 та У8А. Встановлено, що найбільше підвищення стійкості різців відбувається в результаті ОІМП з режимами, що забезпечують найбільше підвищення мікротвердості поверхневого шару твердого сплаву.

5. ОІМП підвищує довжину шляху різання при чистовому точінні сталей 45, У8А, 30Х13 різцями з різальними пластинами з твердого сплаву ТН20 у всьому досліджуваному діапазоні швидкостей різання. Найбільше підвищення довжини шляху різання відповідає оптимальним швидкостям різання для різців з різальними пластинами, підданими ОІМП, і в діапазоні досліджуваних подач і глибин різання складає: при точінні сталі 45 - 1,8- 2,15 рази; сталі У8А - 1,94 - 2,28 рази; сталі 30Х13 - 1,52 - 2,08 рази. Встановлено, що ОІМП знижує коефіцієнт варіації довжини шляху різання при точінні сталей 45 та У8А на оптимальних швидкостях різання в 1,47-1,73 рази, підвищує точність обробки деталей зі сталі 45 за рахунок зниження у 1,2-1,27 рази складової похибки, пов'язаної зі зносом різця, знижує в 1,15-1,2 рази величину параметра шорсткості обробленої поверхні при чистовому точінні сталей 45 та У8А.

6. Визначено раціональні режими різання при чистовому точінні сталей 45, У8А, 30Х13 різцями з різальними пластинами з твердого сплаву ТН20, обробленими імпульсним магнітним полем, які забезпечують максимальну довжину шляху різання і найкращі показники точності обробки і шорсткості оброблених поверхонь. Отримано математичні моделі залежностей відносного поверхневого зносу різців і температури різання від режимів різання, параметричні рівняння максимальної розмірної стійкості, що служать основою для науково обґрунтованого вибору раціональних режимів різання при чистовому точінні сталей 45 і У8А різцями з пластинами з твердого сплаву ТН20, підданими ОІМП.

7. Встановлено підвищення рівня оптимальних швидкостей різання, що відповідають мінімальній інтенсивності зношування різців, при чистовому точінні сталей різцями з різальними пластинами з твердого сплаву ТН20 в результаті ОІМП різальних пластин. Підвищення рівня оптимальних швидкостей різання відбувається внаслідок зниження термомеханічної напруженості в зоні різання, обумовленого підвищенням співвідношення контактних твердостей інструментального та оброблюваного матеріалів після магнітної обробки різальних пластин. Величина підвищення в діапазоні досліджуваних подач і глибин різання складає: при точінні сталі 45 -33,3 - 43,8 %, сталі У8А - 29,1 - 41,9 %; стали 30Х13 - 13,3 - 25 %.

8. Розроблено рекомендації з практичного використання технологічного методу ОІМП різальних пластин з твердого сплаву ТН20 з метою підвищення ефективності чистового точіння сталей різцями з цими пластинами. Складено номограми для вибору режимів різання при чистовому точінні сталей 45 і У8А різцями з різальними пластинами з твердого сплаву ТН20, підданими ОІМП.

9. Практичні результати роботи впроваджені у виробництво при виготовленні деталей важких токарних верстатів на ВАТ “Краматорський завод важкого верстатобудування”. Річний економічний ефект від впровадження склав 55,3 тис. грн. Результати досліджень впроваджені до навчального процесу Донбаської державної машинобудівної академії.

Використана література