The investigation of shaving forming process during BT8 titanium alloy shaping

Abstract

The comperative results ' investigation of shaving forming process during BT8 titanium alloy shaping with covering NbC and without covering are presented.

Full Text

Высокопрочные титановые сплавы относят к труднообрабатываемым материалам, и все более широкое их применение в некоторых отраслях промышленности предъявляет повышенные требования к качеству режущего инструмента с точки зрения улучшения их эксплуатационных характеристик. Одним из эффективных технологических методов улучшения качественно эксплуатационных характеристик режущих инструментов является применение высокотвердых износостойких покрытий, наносимых на режущие поверхности инструмента. Использование в качестве покрытий для режущего инструмента карбида, нитрида, карбонитрида титана, нитрида молибдена и некоторых других соединений позволяет увеличить износостойкость твердосплавных инструментов в несколько раз, улучшить качество и точность обработанных изделий и повысить производительность труда. Однако применение покрытий из тугоплавких соединений титана, наиболее широко используемых в настоящее время, малоэффективно при обработке резанием титановых сплавов из-за их высокого химического сродства покрытий к титану. Карбид ниобия (NbC), обладая высокими физико-химическими свойствами и не уступая в этом плане карбиду титана, характеризуется значительно меньшей степенью химического сродства с титаном. В данной статье представлены некоторые результаты комплексного исследования влияния покрытия из карбида ниобия на качество поверхностного слоя обрабатываемой детали (на базе изучения механики процесса резания), напряженно-деформированного состояния срезаемого слоя, контактных и тепловых явлений, а также износостойкости инструмента с покрытием. Исследовались величины продольной и поперечной усадки стружки в зависимости от скорости резания и подачи при точении титанового сплава ВТ8 твердосплавными неперетачиваемыми пластинами ВК8 с покрытием из карбида ниобия и без покрытия. Величина поперечной усадки стружки определялась экспериментально, а величина продольной усадки рассчитывалась аналитически с учетом коэффициента сплошности стружки. Покрытие наносилось на твердосплавные пластины методом осаждения при пониженном давлении из газовой фазы (газообразной смеси пентахлорида ниобия и метана). Толщина слоя покрытия на инструменте составляла 5 – 8 мкм, микротвердость – 24,0 – 28,0 МПа. Титановые сплавы характеризуются весьма малыми величинами усадки стружки, что связано с физическими и химическими свойствами этих сплавов. Особенностью процесса стружкообразования при резании титановых сплавов является различие коэффициентов усадки по длине и толщине (Kl, Ka) и характера самой стружки. При точении α- и (α+β)-сплавов на скоростях резания 5 – 10 м/мин образуется суставчатая стружка; в интервале скоростей 10 – 30 м/мин элементы в срезаемом слое слабо обозначены, а при увеличении скоростей от 30 – 40 до 100 м/мин и более наблюдается образование элементной стружки [1, 2]. Срезаемые в указанных условиях элементы не подвергаются заметным искажениям, и преобладающей деформацией в зоне резания является деформация сдвига [1, 3]. Преобладание деформации сдвига связано, по мнению некоторых ученых, с пониженной возможностью скольжения в плотноупакованных гексагональных кристаллах α- и (α+β)-сплавов титана [1] и, кроме того, с явлением охрупчивания контактных слоев стружки вследствие известного факта поглощения ими кислорода, водорода и азота воздуха при температурах, превышающих 500 ºС. По мнению М.Ф. Полетики [2] и В.Н. Подураева [4], относительно небольшая деформация элементов стружки и увеличение ее элементности с увеличением скорости связаны с повышенной чувствительностью титановых сплавов к скорости деформирования. Н а рис. 1 представлены кривые зависимости продольной усадки стружки от скорости резания. Р и с. 1. Влияние скорости резания на продольную усадку стружки: 1 – ВКВ; 2 – ВК8 + NbC (S = 0,16 мм/об; t = 1,0 мм) Как видно из графиков, величина продольной усадки при резании твердым сплавом ВК8 без покрытия характеризуется весьма небольшими значениями, коррелирующими с результатами других исследований [1, 3, 4, 5]. При скорости резания, превышающей 50 м/мин, продольная усадка становится меньше единицы. С увеличением скорости резания продольная усадка уменьшается, причем наибольшее уменьшение наблюдается в скоростном диапазоне 35…70 м/мин; при дальнейшем увеличении скорости кривая выполаживается. П о поводу образования удлиненной стружки у исследователей нет единого мнения. Авторы работ [1, 4] объясняют отрицательную усадку тем, что при резании титановых сплавов высокая контактная температура приводит к линейному удлинению стружки и сопровождается структурными изменениями. В этих условиях стружка склонна к интенсивному поглощению газов. Изменившаяся стружка теряет пластичность и фиксируется в этом состоянии. Р и с. 2. Влияние скорости резания на поперечную усадку стружки: 1 – ВКВ; 2 – ВК8 + NbC (S = 0,16 мм/об; t = 1,0 мм) З ависимость поперечной усадки от скорости резания для случая резания твердым сплавом ВК8 с покрытием и без покрытия представлена на рис. 2. Р и с. 3. Влияние подачи на продольную усадку стружки 1 – ВКВ; 2 – ВК8 + NbC (V = 56 м/мин; t = 1,0 мм) Качественная картина зависимости Ка от скорости резания аналогична зависимости Kl = f(V): с увеличением скорости поперечная усадка уменьшается, причем наиболее интенсивно в диапазоне 35 – 70 м/мин. По величине поперечная усадка для случая резания инструментом с покрытием меньше, чем без покрытия. Можно предположить, что такой характер изменения продольной и поперечной усадок для сравниваемых инструментов в зависимости от скорости резания связан с закономерностями протекания контактных процессов в зоне резания. На рис. 3 и 4 представлены зависимости продольной и поперечной усадок стружки от величины продольной подачи. Как следует из этих данных, с увеличением подачи в пределах 0,08 – 0,24 мм/об и продольная, и поперечная усадки уменьшаются. Отметим, что наиболее интенсивное уменьшение усадки происходит в диапазоне подач 0,08 – 0,12 мм/об. Р и с. 4. Влияние подачи на поперечную усадку стружки: 1 – ВКВ; 2 – ВК8 + NbC (V = 56 м/мин; t = 1,0 мм) Величина продольной и поперечной усадки стружки для случая резания инструментом с покрытием NbC меньше, чем без покрытия. Приведенные результаты экспериментов зависимости усадки стружки от скорости резания и подачи качественно подтверждают данные, полученные при исследовании механики процесса резания различных материалов инструментами с покрытиями из карбида и карбонитрида титана, дисульфида молибдена, нитрида молибдена и инструментами с покрытием на основе сплава никель – фосфор.