Введение к работе
Актуальность темы. В современном машиностроении механи
ческая обработка высоколегированных и закалённых сталей лезвийным
инструментом является одной из наиболее трудоёмких. Традиционные
вольфрамосодержащие твёрдые сплавы обеспечивают
удовлетворительные результаты при обработке труднообрабатываемых сталей, только при скоростях резания до 250 м/мип. подачах до 0,61 мм/об и глубинах до 1,5 мм. Мри этом обработанная поверхность имеет высоту микроперовпрстей R., = 2,5...6,3 мкм., а инструменты с пластинами из твёрдых сплавов марок Т15К6, Т5К10. Т30К4 и др. обладают сравнительно невысокой стойкостью (Г - 3()...60 мин), при значительной стоимости вольфрамосодержаїцих івердьгх сплавов.
Изложенное обосновывает перспективность использования безвольфрамовых твёрдых сплавов и ряда мероприятии, существенно повышающих стойкость режущего инструмента. 1С таким мероприятиям относится процесс азотирования режущей керамики (РК) и применение высокоэффективной смазочно-охлаждающеп технологической среды (СОТС).
В связи с этим, работа направленная на исследование и использование безвольфрамовой РІС при существенном повышении её стойкости и значительном увеличении экономичности процесса механической обработки является важной и актуальной.
Цель работы: Повышение стойкости токарных резцов, оснащённых РІС при точении труднообрабатываемых сталей.
Для достижения поставленной цели необходимо:
установить па основе новой скорректированной технологии азотирования пластин эффективный защитный слой покрытия, сохраняемый при резании труднообрабатываемых сталей, резцами, оснащёнными РК марки ВОК-60;
повысить стойкость резцов из РІС, подвергнутой горячему азотированию, путём применения рациональных режимов резания и новой экологически чистой СОТС с присадками из органических кислот и фу-ранопов при резании труднообрабатываемых и закалённых еталеіі;
]
- выявить диапазон эффективных режимов резания для исследу
емых условий обработки с применением новой СОТС и установить стой-
костные зависимости, при которых износостойкость РК максимальна;
разработать для исследованного диапазона режимов .резания зависимость для расчета скорости резания;
исследовать комплексные характеристики контактных процессов при резании труднообрабатываемых сталей резцами, оснащёнными РК марки ВОК-60.
- внедрить результаты исследований в производство на
промышленных предприятиях РФ.
Научная новизна работы состоит в том, что:
в процессе исследования методов повышения износостойкости РК доказана адекватность принятой рабочей гипотезы об эффективном повышении стойкости резцов, оснащённых РК, в результате насыщения их поверхностного слоя азотом;
установлены на основе процесса химико-термического насыщения поверхностного слоя азотом РК ВОК-60 термодинамические закономерности и режимы этого процесса;
- определены рациональные режимы резания, при которых изно
состойкость резцов, оснащённых РК марки ВОК-60 при точении
труднообрабатываемых и закалённых сталей, максимальна с
использованием новой СОТС;
разработаны режимы резания для точения труднообрабатываемых сталей аустенитного класса резцами, оснащенными РК марки ВОК-60, подвергнутой горячему азотированию;
получены комплексные характеристики контактных процессов при резании труднообрабатываемых сталей резцами, оснащёнными РК марки ВОК-60.
Практическая значимость работы заключается в следующем: Повышена до 3,3 раза стойкость токарных резцов, оснащённых режущей керамикой ВОК-60 при точении труднообрабатываемых сталей-аустенитного класса применением рациональных режимов резания, новой СОТС, а также химико-термического метода упрочнения поверхностного слоя пластин из РК азотом под давлением и температуре в герметичной муфельной печи.
Внедрена технология азотирования поверхностного слоя РК ВОК-60, установлены рациональные режимы резания без проведения длительных стойкостных испытаний; - в повышении стойкости резцов, оснащённых РК ВОК-60 подвергнутой горячему азотированию в 3,3 раза при точении труднообрабатываемых сталей.
Автор защищает:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния режимов азотирования на износостойкость РМ, оснащённых РК ВОК-60;
основные закономерности процесса изнашивания пластин из РК, подвергнутой горячему азотированию;
комплексные характеристики контактных процессов при резании труднообрабатываемых сталей резцами, оснащёнными РК ВОК-60.
- рациональные режимы резания при точении труднообрабаты
ваемых сталей аустенитного класса резцами, оснащёнными РК ВОК-60,
подвергнутой горячему азотированию;
Апробации работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
XXXII Научной конференции студентов и молодых учёных вузов южного федерального округа, Краснодар; КГУФКСиТ, 2005.
международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» Пенза; ПДЗ, ГІГУ, 2005.
IX Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза; ПДЗ, ПРУ, 2005.
XXXIII Научной конференции студентов и молодых учёных вузов южного федерального округа, Краснодар; КГУФКСиТ, 2006.
X Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении». - Пенза', ПДЗ, ИГУ, 2006.
XXXIV Научной конференции студентов и молодых учёных вуїов южного федерального округа, Краснодар; КГУФКСиТ. - 2007.
XXXVI Научной конференции студентов и молодых учёных вузов южного федерального округа, посвященной 40-летнему юбилею КГУФКСиТ. Краснодар, 2009.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатны работ, в том числе 1 статья в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Структура и объём работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, общих выводов, списка литературы, включающих 130 наименований и шести приложений. Диссертация изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 45 таблиц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы: «Повышение работоспособности токарных резцов, оснащённых режущей керамики, при точении труднообрабатываемых сталей» (согласно ГОСТ 27.002-89 «Надёжность в технике Основные понятия. Термины и определения»), сформулирована цель и задачи исследований и приведены основные научные результаты работы, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен аналитический обзор литературы по различным методам повышения стойкости лезвийного режущего инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов. Анализ имеющихся работ показывает, что к настоящему времени сложилось представление об износе инструмента при трении в условиях резания металлов. Механизм изнашивания подразделяется на механический, адгезионный, окислительный и диффузионный - это сложное взаимодействие различных физико-химико-мехапических явлений, протекающих на передних и задних поверхностях резцов, оснащённых режущей керамикой. Для их оценки необходимо учитывать значительное число факторов. Как показывает A.M. Вульф, некоторые исследователи при резании насчитали свыше 13 млн сочетаний факторов, влияющих на износ инструмента. Однако до сих пор существуют резервы по повышению стойкости резцов, оснащённых РК. Знание особенностей обработки труднообрабатываемых сталей резцами, оснащёнными РК, позволит разработать эффективные технологические пути повышения износостойкости РИ.
Вторая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям. Исследованы магнитные, электрические и тепловые эффекты, протекающие в муфельной печи при насыщении поверхностного слоя азотом, пластин из РК. Экспериментально исследовано влияние температуры резания на режимы обработки.
В результате проведённых исследований, получены зависимости
глубины насыщения h поверхностного слоя пластин из РК от температуры О времени т и давления /; (рис. 1). Пластины из РК подвергали
насыщению азотом в муфельной печи мри давлении р - 0.25 МПа и в течении 1,5...2 час. при различных температурах, Следует учитывать, что электроотрицатслыюсть азота (-3,07), углерода 2,5, поэтому азот может вытеснить углерод из соединений, выполняя тем самым роль окислителя:
TiC'*+№ -> TIN:"-ЧсТ, (I.)
где N ' - атомарный азот; р - давление создаваемое в муфеле, МПа; О - температура создаваемая в муфеле, "С; А1-,Оъ -катализатор.
Кроме того, азотирование осуществляется в случае адсорбции «омывания» поверхности пластины атомарным азотом, который пог-лащается их поверхностью, в результате образования химической связи между молекулами вещества и хемосорбента (хемосорбция).
Стандартная энергия Гиббса, образования оксида алюминия (-1582 кДж/мо.чь) значительно выше энергии образования карбида тита-тана (-308,3 кДж'/моль). Именно по этой причине оксид алюминия выполняет роль катализатора. В дачном случае имеет место гетерогенный катализ: на поверхности оксида алюминия происходит адсорбция атомарного азота и десорбция с образованием нитрида титана:
TiC + N-їШ + СЇ, (2)
При медленном охлаждении пластинок из РК до температуры 9 = 20С
у - фаза (азотистый аустенит) распадался на эвтектоид а + у'. В поверхностном слое пластин из ВОК-60 происходит последовательное образование насыщенных азотом слоев а, а затем у + «г, затем Е + у + а; одновременно происходит образование нитридов TiN и AIN. Последние образуются при охлаждении до комнатной температуры (20 С), вследствие уменьшения растворимости их в основных азотистых
фазах. Глубина азотированного слоя и поверхностная твердость зависят от ряда факторов, из которых основные: температура, время экспозиции и состав азотируемой поверхности. Процесс азотирования применён для повышения стойкости пластин из РК при резании нержавеющих сталей марок 14Х17Н2, 12Х18Н ЮТ, 40X13 и других.
Влияние режимов азотирования на глубину модифицированного слоя приведено в табл. 1.
Таблица 1 - Влияние технологических режимов на глубину модифицированного слоя
В процессе горячего азотирования пластин в муфеле происходят сложные термодинамические процессы с рабочим телом - газом «азотом». В начале процесса азотирования протекает изохорпый процесс при постоянном объёме, что следует из уравнения газового состояния,
pV = R0 ; (3)
при V = const, рів- const. В двух разных временных точках процесса
при разных температурах и разных давлениях см. (рис. 1) имеем:
p2V = R92; (4)
P\V = R9X\ (5)
рх - давление в начальный момент азотирования /?, = 0,1 МПа;
рг - давление в конце процесса азотирования р2 =0,25 МПа;
0\ - абсолютная температура создаваемая в муфельной печи в
начальный момент азотирования К; 9t -293" К;
02 - абсолютная температура создаваемая в муфельной печи в конце
процесса азотирования К .
Разделив (4) на (5), получим (закон Шарля) формулу (6). Откуда, абсолютная температура азотирования будет равна, 0-, =523 К.
— - --, (6)
Pi 0\ Далее процесс азотирования протекает изотермически при постоянной температуре в = 250 С т. е. в = const или pV - const и определяется аналитическим выражением закона Бойля -Мариопа. Работа при изотермическом процессе определяется по формуле (7).
A=]pdV; (7)
Так как pV = const = R0, то р = R0IV и, следовательно,
A = O = 2,303plVi]gpl/p2, (8)
где Q - количество подводимого тепла Дж/ч; ])} - нормальное атмосферное давление, рх =1,01 МПа; Р-, - давление создаваемое в муфельной печи р2 = 0,25 МПа; Тогда, количество подводимого тепла будет, Q = 114,3х 103 Дж/ч
/V, =Я0„ (9)
где vj - удельный объём азота в муфельной печи в начале процесса азотирования.
v, = , (10)
Р\ где R - газовая постоянная, зависящая от природы газа. Тогда, из формулы (10) удельный объём азота будет, v і = 62,1 м'/кг
Согласно закону Гей-Люссака заменим внутреннюю механическую энергию протекания изобарного процесса на время азотировании пластин при постоянном объёме V = 0,35 л/'.'
— = —< (II)
0, г,
где, 0] =293 К; в-, —Ъ1У К -начальная и конечная температуры процесса азотирования;
Ту; т2 - время начала и конца процесса азотирования, мин. С учётом времени вакуумирования муфеля г, = 58 мин;
Тогда, из формулы (11) получим: т1 = 104 дш/.
Следствием закона Авогадро является прямая пропорциональность между плотностями и молекулярными массами:
А = ііЛ-; (12)
Рг Мг h2 Применяя следствие закона Авогадро для процесса, вместо молекулярных масс /их и ju-y подставим толщину слоя азотирование пластин из РК
/г, и h2, (т. к. толщина слоя азотирования прямо пропорциональна давлениям).
& = *-; (ІЗ)
Pi h2
Из уравнения (13) толщина слоя азотирования, h2 =26,8 мкм. Таким образом, в результате экспериментальных и теоретических исследований установлены режимы азотирования пластин из РК ВОК-60, температура 9 = 250С, давление р = 0,25 МПа, время г = 104 мин. И .глубина насыщения 26,8 Мкм. Это подтверждается теоретическими и экспериментальными исследованиями на основе термодинамики, и рент-геноспектральным анализом см. (рис. 2 а и б).
Зависимость толщины слоя насыщения пластин от температуры, времени и давления создаваемого в герметичном муфеле отображена на (рис. 1).
Экспериментальные исследования азотирования пластин из РК в диапазоне температур 150С...300С и значительное число параллельных опытов позволили подтвердить расчётную величину оптимальной температуры азотирования.
Кроме того, в результате стойкостных испытаний при точении стали 40X13 резцами, оснащёнными РК ВОК-60, подвергнутой горячему азотированию под давлением, с одновременным применением СОТС, а также рациональных режимах резания стойкость пластин возросла в 6 раз, а твёрдость в 1,52 раза (с HV803 до HV1220 МПа). При обработке
результатов испытании среднеквадратичное отклонение и коэффициент вариации стойкостей находятся в допустимых пределах.
р,-г г
о О О to 20 ЗО і о Нмкм
Рисунок 1 - Зависимость толщины насыщения поверхностного слоя пластин из режущей керамики азотом от времени, температуры и давления
б)
Рисунок 2: а - Рентгеноспектральний анализ пластин из РК ВОК-60 в состоянии поставки, б - ВОК-60, подвергнутой горячему азотированию под давлением р — 0,25 МП а и температуре 0 = 250 С
Оценка результатов стойкостных испытаний с помощью коэффициента вариации показала, что разница в стойкостях для выборки образцов режущих инструментальных пластин существенна. Таблица 2 - Результаты экспериментальных и теоретических данных
Продолжение табл. 2
Таким образом, установлены основные рекомендации по технологическим режимам модификации поверхностных слоев РК.
В третьей главе представлены методики экспериментальных исследований и приводится схема этапов исследования (рис.3), а также таблицы выходных характеристик стойкости режущей керамики.
ГрежЩаякірШика'
ВОК - 60
[УпрочісниепоберхнастнаЩ 'п,ШР,тшнаШтс !'ЩимтіШе'ртіюнашііх\
слоя пластин аззтом
\ слоя nnncfniiH тптлм 0 ' 9'"""'»« »ишш "-"' ;: режима!) резания )
(тойкастные испытания азотированных] і Испытание СОК на трение \ Стойкастные испытания при
'пластин при резании стопи 12XMWT \ \ и коррозию і резании стали 12Х18ИЮЇ
.Получениерасчетных формул, математическое о5оснаоаное\
повышение качестао и точности обработки \
Промышленные^ \
Рисунок 3 - Схема исследования режущей керамики
Далее даны частные методики проводимых исследований с помощью рентгеновского микроанализа гора EDAX Genesis, а также используемое оборудование и приборы для определения состава образцов и глубины насыщения РК марки ВОК-60 азотом.
В четвёртой главе представлены результаты экспериментальных исследований.
+
в/,
T" I
0.,,
\,
u„,
»',
,-Vy* I'MSr-t»,
Па основе экспериментальных исследований построены зависимости изменения температуры при резания стали 12XI8MI0T от скорости резания резца, оснащённого режущей керамикой ВОК-60, подвернутой горячему азотированию под давлением (рис.4, а), для резца, оснащённого твёрдым сплавом ТІ5Кб для сравнения (рис.4, б), резца, оснащённого РК ВОК - 60 в состоянии поставки (рис.4, в) и резца, оснащенного режущей керамикой ВОК - 60, подвергнутой горячему азотированию под давлением с одновременным применением ноной СОТС (рис. 4 г).
a)
6)
в)
г).
Рисунок 4 - Изменение составляющих температур резания при обработке стали 12X18111 ОТ: а ~ дли резца, оснащенного режущей керамикой ВОК - 60, подвергнутой горячему азотированию под давлением; б - для резца, оснащённого твёрдым сплавом Г/5 Кб; в - для резца, оспа/ценного РК ВОК - 60 в состоянии поставки; г - для резца, оснащённого режущей керамикой ВОК - 60, подвергнутой горячему азотированию под давление с одновременным применением новой СОТС (I -1,0мм; s - 0,097мм/об; у = -7)
с ви-
,„/,
Анализ графиков (рис. 4) наглядно показывает, что с увеличением скорости резания уменьшается составляющая температуры 0{
занная с деформированием металла, и несколько возрастает составляющая температуры, связанная с трением в1Г „ Однако рост суммарной
температуры в,,п в зоне обработки отстаёт от уровня повышения скорости резания. '
Исследованиями установлено, что с увеличением глубины и подачи при резании сталей 12Х18Н10Т и 14Х17Ы2 резцами, оснащенными РК степень их влияния на стойкость увеличивается.
На (рис.5 а и б) показано изменение температуры заготовки в зоне резания из стали 12XI8H10T при точении её по наружному диаметру, а также представлена зависимость износа по задней поверхности резцов, оснащённых РК (ВОК-60), подвергнутой горячему азотированию и РК ВОК-60 в состоянии поставки от времени обработки.
ЛЗ.ММ O.i
ax oj
O.Z5 OJ'
О 'Г
.StJ Krrrt/iifi
' ї'ї^і її/ /Ti~'a±'ii*'av'~yt* і fl 1? 16 20 2Ь т. мин
а) б)
Рисунок 5: а - зависимость температуры обрабатываемой заготовки из стали 12Х1НН10Т при резании резцом, оснащённым режущей керамикой (ВОК-60), от подачи s и износа резца h;
б - зависимость износа по задней поверхности /?-, от времени обработки т резцом, оснащённым РК (БОК - 60), подвергнутой горячему азотированию (1) и резцом, оснащённым РК (ВОК-60) в состоянии поставки(2) при следуюіцих режимах резания: У--:100 м/мин; S = 0,14 мм/об; I --= 0,5 мм
Проведено аналитическое исследование коэффициентов усадки стружки и трения (рис. 6 а и б) при резании стали 12Х І8Н10Т.
Полученные значения показывают, что коэффициент трения при точении стали 12Х18Н10Т резцами, оснащёнными пластинами РК ВОК-60 ниже, чем при точении резцами, оснащёнными пластинками твёрдого сплава Т15Кб, что позволяет предположить повышенную работоспособность резцов, оснащённых РК ВОК-60, подвергнутой горячему азотированию под давлением.
as at
>"--.
1SO V н/Htjtt
a) 6)
Рисунок 6: a - зависимость коэффициента усадки стружки от скорости резания. 1 - ВОК-60 предварительно подвергнутая горячему азотированию под давлением; 2 — ВОК-60 в состоянии поставки; 3 -ТІ5Кб; подача S =- 0,097 мм/об; глубина резания t = 0,25 мм;
б - зависимость коэффициента трения от скорости резания. I - ВОК-60 предварительно подвергнутая горячему азотированию под давлением; 2 - ВОК-60 в состоянии поставки; 3 - Т15К6
В главе также приведены результаты исследования шероховатости обработанных поверхностей (рис.7 а и б).
1.5
я, го
0.5
100 150 200 V.n/мин 0.07 0,097 ЦК 021 S.tm/об
a) 6)
Рисунок 7: a - зависимости шероховатости обработанных поверхностей от скорости резания при глубине резания (~0,1л-ш и подаче S=0,07mm/o6: 1 - ВОК-60 подвергнутая горячему азотированию под давлением; 2 - ТІ5Кб; 3 - ВОК-60 в состоянии поставки, б - зависимости шероховатости обработанных поверхностей от подачи при скорости резания V = 170,4 м/мин и глубине резания I = 0,1 мм. 1 - ВОК-60 подвергнутая горячему азотированию под давлением; 2 - Т15К6: 3 -ВОК-60 в состоянии поставки
В результате испытаний получены зависимости шероховатости обработанных поверхностей от режимов резания. Высота микронерошю-стей обработанных поверхностей ниже у режущей керамики предвари-
телыіо подвергнутой горячему азотированию под давлением в 1,8...2,0 раза, чем у резцов с пластинами Т15К6 и 2,3...2,5 раза ниже, чем у резцов, оснащённых режущей керамикой ВОК-60 в состоянии поставки. Питая глава посвящена корреляции теоретических и экспериментальных результатов исследований. Результаты показаны в табл. 2 корреляция удовлетворительная. Дополнительным подтверждением эффективности, разработанных в работе практических рекомендаций и выводов, являются результаты внедрения, на ФГУП «Точмашприбор», ОАО «СКБИМ» и на Армавирском литейпо-механическом заводе технологических процессов обработки деталей цилиндров, валов и шестерен резцами, оснащёнными РК ВОК-60, условный экономический эффект на ФГУП «Точмашприбор» составил 328,2 тыс. руб., на ОАО «СКЬИМ» - 328,2 тыс. руб., а на Армавирском литейно-механическом заводе - 31,8 тыс. руб. за счёт увеличения стойкости РИ, а также за счёт повышения качества обрабатываемых деталей. Общий условный экономический эффект от внедрения результатов исследований составил -688,2 тыс. руб.
