Wear of multifaceted perishable carbide inserts in turning of experimental steel 75ХГСФ

Abstract

The author considers the nature of wear and tear of multifaceted perishable carbide inserts in turning of experimental high-carbon alloy steel 75ХГСФ. Recommendations on choosing the form of inserts, angles of cutting part and types of wear-resistant coatings for flank and face surfaces are given.

Full Text

Внедрение новых материалов для изготовления изделий вызывает необходимость оценки обрабатываемости. Различают обрабатываемость материала различными методами: лезвийной обработкой (с разделением на обрабатываемость точением, сверлением, фрезерованием …); абразивной обработкой (шлифуемость); методами физико-химической обработки и др. Обрабатываемость материала резанием можно оценить одним или несколькими показателями: качество обработанной поверхности; стойкость режущего инструмента; сила резания или потребляемая мощность резания; допустимые режимы обработки; ограничения на номенклатуру инструментальных материалов; тип стружки и условия ее отвода… В зависимости от вида резания и условий обработки те или иные технологические показатели становятся определяющими. Например, при черновой обработке основным показателем является производительность, составляющие силы и потребляемая мощность резания; условия транспортировки стружки из зоны резания. При чистовой и получистовой обработке -в понятие качество обработанной поверхности входят: глубина наклепанного слоя; степень наклепа; величина и знак остаточных напряжений в этом слое. В технологической лаборатории Университета машиностроения и в производственных условиях ОАО «ОКБ ЛОЗА» проведены исследования обрабатываемости лезвийным инструментом новой подшипниковой стали 75ХГСФ. Малое количество исследуемого материала ограничило область исследования, только чистовой и получистовой токарной обработкой (продольное точение) и одним типом МНТ пластин. Для экспериментов выбраны наиболее распространенные в отечественном машиностроении пластины из металлокерамического сплава системы CoroTurn 107 фирмы Sandvik Coromant, Швеция. С учетом диаметров образцов и характеристик токарного станка, для исследований выбраны следующие технологические режимы обработки (таблица 1). Определение характера и предельного износа режущей части инструмента проводилось с помощью классического однофакторного эксперимента на предельных режимах. Через каждые 0,35м осуществлялось цифровое фотографирование передней и задних поверхностей режущей пластины с одновременным замером шероховатости обработанной поверхности на профилографе - профилометре Калибр 201. Цифровая фотография поверхностей пластины проводилась на бинокулярном микроскопе МБС-9 (при увеличении х2; х4; х7) с помощью цифровой камеры - окуляра для микроскопа Levenhuk серия С. Для определения реального масштаба одновременно фотографировался объект - микрометр (стеклянная шкала 1мм, цена деления 0,01мм). Критерием предельного износа режущей пластины служило резкое ухудшение шероховатости обработанной поверхности. Таблица 1 Режимы лезвийной обработки Параметр Скорость резания, м/мин Подача на оборот, мм/об Глубина резания, мм min 78,5 0,07 0,1 max 251,2 0,28 0,25 Определения влияния технологических режимов на стойкость режущего инструмента и на шероховатость обработанной поверхности проводилось с помощью трехфакторного статистического эксперимента с преобразованием параметра оптимизации. Проведение предварительных экспериментов по точению стали 75ХГСФ показало, что характер износа режущей части имеет ряд особенностей. Рисунок 1. Износ резца по передней поверхности: а - путь резания 0,2 м; б - путь резания 4,9 м; в - путь резания 7,0 м; г - изолинии износа по передней поверхности; 1 - вспомогательная режущая кромка; 2, 3 - изолинии износа (путь резания 7,0 … 2,45 м); 4 - главная режущая кромка Рисунок 2. Износ резца по передней поверхности: сталь 75ХГСФ; МНТ пластина из металлокерамического сплава системы CoroTurn 107 фирмы Sandvik Coromant, Швеция; скорость резания 251,2 м/мин; подача на оборот 0,28 мм/об; глубина резания 0,25 мм На передней поверхности, в районе вершины резца в период приработки (0,1 … 0,2м длины резания) происходит износ фаски и на поверхности появляется характерная светлая полоса (рисунок 1, а). Эта полоска остается на протяжении всего времени работы резца, не развиваясь в лунку. До длины резания 2,3 … 2,5м износ по передней поверхности выражается в небольшом округлении главной режущей кромки. На длине резания 2,5 … 6,0 м интенсивность износа несколько возрастает. Износ выражается в появлении лунки износа, которая перемещается как в сторону вершины резца, так и в противоположном направлении (рисунок 1, б, г). При длине резания 6 м интенсивность износа еще более возрастает. При этом начинается выкрашивание по вершине резца (рисунок 1, в). Однако величина износа по передней поверхности незначительна (рисунок 2), поэтому принимать его в качестве критерия затупления нецелесообразно. Картина износа по главной задней поверхности неоднозначна. На этой поверхности наблюдается 3 вида износа: абразивный износ покрытия 3 (рисунок 3), адгезионное выкрашивание в районе вершины 2 и адгезионный износ 4 в зоне стертого покрытия (рисунок 1). Высокий абразивный износ покрытия объясняется особенностями химического состава стали 75ХГСФ (наличием большого количества карбидов, что приводит к высокому истирающему эффекту). На начальном этапе (обработка ~ 0,1 … 0,2 м) появляются пятна 2 (рисунок 4) износа покрытия пластинки. На задней поверхности появляется единое пятно 3 абразивного износа покрытия. По мере обработки пятна сливаются. При дальнейшей обработке проявляются следы адгезионного износа 4 основного материала режущей пластинки. Интенсивность износа хорошо видна по т.н. изолиниям износа 5 (рисунок 4, г). Рисунок 3. Виды износа по главной задней поверхности: а - длина резания 1,05 м; б - 3,15 м; в - 5,25 м; 1 - главная режущая кромка; 2 - адгезионное выкрашивание в области вершины; 3 - абразивный износ покрытия; 4 - адгезионный износ Рисунок 4. Абразивный износ покрытия по главной задней поверхности: а - путь резания 0,1 м; б - 2,45 м; в - 5,25 м; г - изолинии абразивного износа покрытия (путь резания 0,1 … 7,0м); 1 - главная режущая кромка; 2 -пятна износа покрытия; 3 -пятно абразивного износа покрытия; 4 - адгезионный износ в зоне стертого покрытия Кривая износа покрытия (рисунок 5) имеет стандартный вид. Рисунок 5. Износ покрытия по главной задней поверхности: сталь 75ХГСФ; МНТ пластина из металлокерамического сплава системы CoroTurn 107 фирмы Sandvik Coromant, Швеция; скорость резания 251,2 м/мин; подача на оборот 0,28 мм/об; глубина резания 0,25мм Период приработки (появление и рост отдельных пятен износа) продолжается относительно небольшое время (во время обработки ~ 0, ). При дальнейшей обработке (с 0,3 м до 5,6…6,3 м) эти пятна сливаются в единое пятно, которое растет с небольшой интенсивность. Начиная с 2.8… 4,55 м обнажается сердцевина режущей пластинки и абразивный износ покрытия переходит в адгезионный износ материала режущей пластинки. Примерно с 6 м интенсивность износа резко возрастает. Одновременно с абразивным износом покрытия протекает адгезионный износ вблизи вершины резца (рисунок 6, а). В начальный период резания в районе вершины резца, на главной задней поверхности появляется светлая фаска 4 (рисунок 6, б). Во время резания эта фаска развивается (на фотографии хорошо видны следы вырыва материала режущей пластинки), приводя к катастрофическому износу (изолиния 3). Кривая износа главной задней поверхности вблизи вершины резца приведена на рисунке 7. Наличие износа вспомогательной задней поверхности определяется упругим восстановлением обработанной поверхности подшипниковой стали 75ХГСФ. Рисунок 6. Адгезионный износ по главной задней поверхности вблизи вершины резца: а - внешний вид; б - изолинии адгезионного износа; 1 - главная режущая кромка; 2… 3 - изолинии площадки износа (0,1 … 7,0 м) Рисунок 7. Кривая износа по главной задней поверхности вблизи вершины резца; скорость резания 251,2 м/мин Выводы 1. Сталь 75ХГСФ можно отнести к классу Р по классификации ISO 513. 2. Основные проблемы при обработке данной стали это: высокая истирающая способность и большое упругое восстановление обработанной поверхности. Упругое восстановление обработанной поверхности не позволяет получить шероховатость ниже Ra 1,3мкм (7 класс). Однако износ по задней поверхности приводит к повышению шероховатости, а при Ra 5 … 5,5мкм (5 класс) необходима замена режущей пластины. 3. Расчетная формула для выбора режимов резания по критерию «Заданная шероховатость поверхности»: , [мкм] (1) где: Vр - скорость резания; S0 - скорость продольной подачи на 1 оборот шпинделя; t - глубина резания. 5. При черновом точении (при допустимой шероховатости поверхности Ra 5 … 5,5мкм) в качестве критерия обрабатываемости можно принять стойкость режущей пластины: (2) 6. Для уменьшения шероховатости обработанной поверхности необходимо применение пластин с повышенной величиной заднего угла (до 7°): пластины CCGW09T304…312S01020FWH (Sandvik Coromant, Швеция); CNMG - 0120404F (ОАО «КЗТС», Кировоград Свердловской обл., Россия). 7. Для повышения стойкости платин необходимо применение двухкарбидного твердого сплава (марки Т15К10 или его аналогов) с износостойким покрытием карбонитрида титана.