Increasing of cutting efficiency of heat-treated steel through the application of cutting tools of high-strength composite ceramic with coating E. S. Sotova, M. N. Lazareva

Full Text

Введение В современном машиностроении постоянно растет использование высоконагруженных деталей, изготовленных из закаленных сталей. Помимо традиционной обработки шлифованием возрастает роль обработки закаленных деталей точением. Это обусловлено повышенными требованиями к качеству и точности обработки и усложнением конструктивных форм деталей машин. На точность и качество изготовления деталей влияют прочностные характеристики режущего инструмента, а также его геометрия [1]. Точение сталей повышенной твердости по сравнению с обычным точением предъявляет повышенные требования к оборудованию, инструментам, а также инструментальным материалам. Так как такая обработка производится при высоких скоростях и твердость обрабатываемого материала составляет, в основном, HRC 55-60, то необходимым условием для проведения успешной обработки является наличие определенных свойств у инструментального материала. Для этого все большее применение находят инструменты, оснащенные режущей керамикой (РК). Это объясняется уникальным сочетанием физико-механических и теплофизических свойств керамических материалов (повышенной твердостью и износостойкостью, химической инертностью, а также высокой термостойкостью (1200 – 1450 °С) в сравнении с твердыми сплавами) и относительной недефицитностью исходного сырья. Высокая вероятность непрогнозируемого разрушения инструмента из РК (внезапный отказ) сдерживает его широкое применение в промышленности, особенно в автоматизируемом производстве при использовании станков с ЧПУ, автоматизированных станочных систем и обрабатывающих комплексов. В этой связи создание отечественного высокопроизводительного высокопрочного керамического инструмента для автоматизированного производства, обеспечение его надежной эксплуатации с минимизацией вероятности его внезапного отказа является весьма актуальной и востребованной научно-практической задачей настоящего и ближайшего будущего. Определение оптимальных режимов резания при точении стали ХВГ режущим инструментом из ВКК Для эффективного управления процессом точения и обеспечения требуемой надежности необходимо иметь информацию об оптимальных управляющих воздействиях. Эта информация получается в результате переработки информации о резании и информации о задаче управления [3]. Информация о задаче управления (эффективность управления) представляется в виде целевой функции и ограничений, накладываемых на решение задачи [3]. В роли критерия эффективности можно принять: · штучное время; · удельную себестоимость обработки; · производительность обработки резанием, то есть количество снимаемой стружки за единицу времени; · площадь заготовки, обработанную за единицу времени; · объем удаленного материала до смены режущего инструмента; · суммарную обработанную поверхность заготовки до смены инструмента; · любой другой параметр резания. В качестве целевой функции в данной работе была выбрана площадь поверхности изделия, образуемая за время резания до смены инструмента: , м2. (1) Максимальная эффективность резания достигается при оптимальных режимах резания , и . Любое изменение подачи , скорости резания и времени резания до смены инструмента ведет либо к снижению эффективности инструмента, либо к его быстрому катастрофическому изнашиванию. В качестве ограничений, накладываемых на решение задачи оптимизации, используются ограничения на параметры и факторы резания [3]. К ограничениям на параметры резания относятся: · ограничения по качеству изделий (шероховатость обработанной поверхности, точность размеров и формы, остаточные деформации и остаточные напряжения в поверхностном слое и др.); · ограничения по качеству инструмента (прочности, теплостойкости, сопротивлению изнашиванию, износостойкости); · ограничения по качеству станка (мощности, виброустойчивости и др.); · ограничения по надежности процесса резания. К ограничениям на факторы резания относятся ограничения, накладываемые конструкцией станка (диапазон подач, диапазон частот вращения и др.), а также ограничение по времени резания, накладываемое производственной программой и нормой расхода режущего инструмента. Информация о резании представляется в виде математической модели резания, представляющей собой функцию распределения случайных параметров резания, каждый из которых зависит от управляющих факторов резания. Построение математической модели для процессов резания и нанесения покрытия является процедурой сбора информации об управляющих воздействиях и о состоянии процесса резания [3]. Эта процедура состоит из следующих этапов: · выбор процесса в пространстве и во времени; · выбор вида математической модели процесса; · планирование экспериментов; · выбор средств измерения и осуществление экспериментов; · определение параметров математической модели по результатам эксперимента. Выбранная математическая модель должна быть действительна все время работы инструмента до его замены. На основании этого время резания должно быть включено в функцию модели для управления процессом резания как объект моделирования. Это необходимо потому, что резание является динамическим процессом, и его параметры закономерно изменяются в зависимости от времени. В качестве модели резания была выбрана степенная мультипликативная функция вида: (2) Модель такого вида может быть использована для оптимизации процессов резания по методу линейного программирования. Задача оптимизации режимов резания инструментом из ВКК без покрытия и с покрытием (Ti,Al)N-(Ti,Cr)N-(Ti,Cr,Al)N при точении формулируется следующим образом: при известной глубине резания t и подаче S, определить такие значения скорости резания v и времени резания T, которые в условиях ограничений по шероховатости обрабатываемой поверхности Ra ≤ 2,5 мкм, износу по задней поверхности инструмента hз ≤ 0,4 мм и мощности резания Nр ≤ 7,5 кВт обеспечивают максимальную производительность инструмента: , (3) , (4) , (5) . (6) Целевую функцию и ограничения-неравенства путем логарифмирования можно привести к линейному виду , (7) , (8) , (9) . (10) Объектом исследования служили пластины из высокопрочной композиционной керамики (ВКК: оксидно-нитридной керамики (Al2O3+10%AlN) и безвольфрамовой твердосплавной подложки (TiC–Ni,Mo) [2]) квадратной формы по ГОСТ 19042 без отверстия 03111-0363 (по стандарту ISO 1832 SNUN 120408ТR), размерами 12,7х12,7х4,76 мм, с радиусом при вершине r = 0,8 мм, фаской на передней поверхности и диаметром вписанной окружности d = 5,16 мм, с углом b = 90°, без покрытия и с покрытием (Ti,Al)N-(Ti,Cr)N-(Ti,Cr,Al)N. Для эксперимента использовали пластины производства Всероссийского научно-исследовательского института твердых сплавов (ВНИИТС), состав и основные свойства которых показаны в таблице 1. Таблица 1 Физико-механические свойства РК и твердого сплава подложки Для получения многослойно-композиционных покрытий использовали процессы фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО), которые реализовывали на установке ВИТ-2 конструкции СТАНКИН-ЭКОТЕК, оснащенной устройствами для фильтрации пароионного потока, гашения микродуг, динамического смешивания газов, получения высокоэнергетических ионов. Для эксперимента использовали резцы с механическим креплением сменной многогранной пластины (СМП) по ГОСТ 19058 производства Свердловского инструментального завода (СИЗ) – по стандарту ISO 1832 – CSSNR2516M12. Геометрические параметры режущей части проходного резца: g = - 8°; gф = -24°; a = 8°; j = 45°; j1 = 45°; l = 0. В качестве обрабатываемого материала использовали сталь ХВГ HRC 58..60 (ГОСТ 5950). Точение стали ХВГ осуществляли на станке мод. 16К20 ОАО «Красный пролетарий» для широкого диапазона изменения режимов резания (n, t, S, T). Станок мод. 16К20 по точности и жесткости соответствовал регламентам ГОСТ 8-82, ГОСТ 18097. Для получения необходимой информации о составляющей силы резания Pz использовали универсальный тензометрический динамометр конструкции ВНИИ УДМ – 600, для измерения износа по задней поверхности hЗ – большой инструментальный микроскоп БМИ-1Ц, для контроля и определения шероховатости обработанной поверхности заготовки Ra – профилометр TR200 фирмы TIME Group Inc., Япония. Мощность резания определяли по зависимости: , кВт. (11) Согласно методике, представленной в работе [2], построены математические модели резания закаленной стали режущим инструментом, оснащенного СМП из ВКК без покрытия и с покрытием (Ti,Al)N-(Ti,Cr)N-(Ti,Cr,Al)N. Для удобства значения коэффициентов , экспонентов математической модели сведены в таблицу 2. Таблица 2 Параметры математической модели резания Нахождение оптимальных режимов резания можно решить графической задачей, потому что число факторов, которые необходимо определить, равны двум. На рисунке 1 показано графическое решение данной задачи. а) б) Рисунок 1 – Графическое решение задачи оптимизации режимов резания инструментом из ВКК без покрытия (а) и с покрытием (Ti,Al)N-(Ti,Cr)N-(Ti,Cr,Al)N (б) при сухом точении (ОМ – сталь ХВГ HRC 58..60; = 0,1 мм; = 0,1 мм/об) Значения оптимальных режимов резания и максимальных значениях целевой функции приведены в таблице 3. Таблица 3 Значения оптимальных режимов резания и максимальных значений целевой функции Инструмент, оснащенный СМП из ВКК с покрытием (Ti,Al)N-(Ti,Cr)N-(Ti,Cr,Al)N, в общем случае позволяет значительно повысить эффективность обработки по сравнению с инструментом из ВКК без покрытия. Заключение Проведенные исследования позволили установить возможность повышения режущих свойств инструмента, оснащенного СМП из ВКК, путем применения многослойно-композиционных покрытий. Установлено, что при продольном точении стали ХВГ инструмент, оснащенный СМП из ВКК с покрытием (Ti,Al)N-(Ti,Cr)N-(Ti,Cr,Al)N, в общем случае позволяет в 2..2,5 раза повысить эффективность обработки по сравнению с инструментом из ВКК без покрытия.

About the authors

E. S. Sotova

MSTU “Stankin”

M. N. Lazareva

MSTU “Stankin”

Email: masha-000@mail.ru

References

Supplementary files