Технические науки/ 8. Обработка материалов в машиностроении

                                       

   К.т.н. Ракунов Ю.П., д.т.н. Абрамов В.В., студентка Филатова Т.С.           

Московский государственный строительный университет, Москва, Россия

Точение износостойких  защитных покрытий деталей машин и оборудования заводов строительных материалов

 

 

            Одним из наиболее перспективных путей повышения работоспособности и долговечности механизмов, машин и оборудования является применение различных способов наплавки и напыления рабочих поверхностей деталей, работающих в условиях повышенного трения и износа. Износостойкие покрытия используют как в основном производстве, так и для восстановления деталей в ремонтном производстве. При изготовлении, например, основных высоконагруженных деталей и рабочих органов оборудования производства строительных материалов наплавка с последующей механической обработкой должна превратиться в обязательный технологический этап.               

           В то же время упрочнённые наплавкой или напылением поверхности деталей являются более труднообрабатываемыми резанием, чем литьё и прокат той же твёрдости и химического состава, из-за нестабильности механических свойств, химического состава и величины припуска на обработку, наличия твёрдых включений,  дефектов в виде раковин и пор [1].

         В зависимости от твёрдости износостойкие покрытия можно условно разделить на 3 группы.

1. Материал покрытия твёрдостью  HRCэ < 35. В настоящее время такие покрытия обрабатывают режущим инструментом из твёрдых сплавов групп ВК и ТК. Применение уникальных инструментальных материалов, таких, как безвольфрамовый твёрдый  сплав СТИМ-3Б (ИХФ РАН, Черноголовка Московской области) и поликристаллические сверхтвёрдые материалы (ПСТМ) на основе кубического нитрида бора (КПБ), позволяет увеличить стойкость инструмента при повышении и качества, и производительности обработки покрытий.

Использование многократно перетачиваемых резцов из СТИМ-3Б при точении наплавленной проволоки СВ-08 (HRC 28–30) обеспечивает повышение скорости резания в 1,6…2 раза с увеличением стойкости инструмента по сравнению с резцами из твёрдого сплава (оснащёнными неперетачиваемыми многогранными пластинами).

ПСТМ на основе КНБ – киборит (ИСМ НАН Украины, Киев) позволяет производить точение указанных наплавок с подачей до 0,5 мм/об и глубиной резания 1…2 мм. При этом, в сравнении со стойкостью резцов из твёрдого сплава ВК8, стойкость инструмента возрастает в 1,5…2 раза.

Покрытие НП-12Х18Н9Т (HRC32-36) эффективно обрабатывают резцами из композита 10 (ИПМ НАН Украины, Киев; ПЗИАиАИ, Полтава)   с глубиной резания 0,5…1 мм. При этом стойкость инструмента при чистовой обработке (достижимая шероховатость поверхности Ra  < 0,8 мкм)  в 3 раза выше, чем при черновой.

2. Покрытия твёрдостью HRC 35…45 Обработка таких материалов вызывает трудности из-за низкой стойкости твёрдосплавного инструмента и ведётся с недостаточной производительностью.

Для наплавок аустенитного класса (например, Нп-08Х20Н9Г7Т), эффективным является применение трёхкарбидных титанотанталовых твёрдых сплавов ТТ7К12, ТТ10К8, имеющих более высокую стойкость и обеспечивающих повышенную производительность в сравнении с резцами из твёрдых сплавов групп ВК и ТК. Применение при чистовой обработке резцов из сплавов ТТ7К12 и СТИМ-3Б обеспечивает шероховатости обработанной поверхности Ra < 1,25 мкм. При точении этих наплавок использование безвершинных резцов с зачисткой режущей кромкой из указанных инструментальных материалов, работающих с продольной подачей до 4 мм/об, позволяет полностью отказаться от шлифования [2].  Наплавки рассматриваемой группы, преимущественно мартенситного класса, например, порошковой проволокой ПП-Нп-18Х1Г1М НRCэ 38…42), производительно и качественно обрабатывают инструментом из ПСТМ.

Например, токарная обработка наплавленных штоков подвески самосвала НD1200 (Кamatzy, Япония) резцами из твёрдого сплава Т15К6 производится со скоростью резания 24…30 м/мин, при подаче 0,1…0,12 мм/об и глубине резания 2…2,5 мм. Стойкость инструмента – 25…30 мин. Резцы из киборита или томал-10 увеличивают производительность обработки в 3…5 раз, обеспечивая шероховатость поверхности Ra = 0,8…1,25 мкм, при одновременном повышении стойкости в  8-10 раз.

                    Эксплуатация резцов из киборита и томал-10 в течение нескольких лет показала, что при обработке наплавленных штоков отказы резцов из-за поломок и сколов ниже, чем у резцов из твёрдого сплава и не превышают 2…3% [3].

Для чистовой обработки наплавленных покрытий 2-ой группы также могут быть использованы резцы, оснащённые режущими пластинами из различных ПСТМ на основе КНБ, такие, как: композиты 01 (АО «Ильич», Санкт-Петербург), композиты 02 и 09 (ИФТТиПП, Минск), композиты 10 и 10Д (ПЗИАиАИ, Полтава), томал-10 (МПО по ВАИ, Томилино, Московской области), двухслойные пластины на основе киборита, а также режущей керамикой типа силинит-Р.

3. Наплавленные покрытия 3-ей группы с HRC > 45 в большинстве случаев обрабатываются, к сожалению, шлифованием абразивными кругами.

При твёрдости напылённого покрытия HRC > 40…45 точение деталей твёрдосплавным инструментом затруднено, а при большей твёрдости практически невозможно. Повысить технико-экономические показатели обработки высокотвёрдых напылённых покрытий можно путём применения лезвийного инструмента с режущими пластинами из поликристаллов киборита (см. табл. 1). Резцы из этого материала удаляют поверхностный слой напылённого покрытия, характеризующийся значительными макроотклонениями профиля, что, наряду с неоднородностью структуры исвойств, приводит к значительным динамическим нагрузкам  на режущее лезвие инструмента (работа на удар) [4].

 

Режимы точения высоконагруженных деталей машин и оборудования ПСМ инструментом из композита 10

Таблица 1

Материал покрытия

Режимы резания

Шероховатость, Ra, мкм

V, м/мин (м/с)

S, мм/об

t, мм

ЛС-5Х4В3МФС,
HRC 50…56

45…75

(0,75…1,25)

0,1…0,2

до 1,5

0,7…1,25

ПГ-СР4

HRC 54…58

60…108

(1…1,8)

0,1…0,2

0,5…1,5

0,7…1,25

Релит-мельхиор

HRC 58…62

24…36

(0,4…0,6)

0,1…0,2

0,1…0,2

1,25…2,5

ПЛ-АН111

HRC 56…58

36…48

(0,6…0,8)

0,2…0,25

0,2…0,3

1,25…2,5

 

Исследования показали, что при точении покрытий, наплавленных порошковыми проволоками, пружинной проволокой 2-го класса, спечёнными электродными лентами, порошковыми лентами, композиционным сплавом релит-мельхиор, наиболее перспективным является лезвийный инструмент, оснащённый режущими пластинами ПСТМ киборит или томал-10. При точении наплавленной спечённой электродной ленты ЛС-5Х4ВЗМФС (HRC 50…56) резцами из томал-10 стойкость составляет 60…90 мин. Эти резцы обеспечивают высокоэффективную обработку деталей, напылённых с оплавлением порошками системы Ni–Cr–B–Si  (HRC < 65), в частности ПН73Х16С3Р3, ПГ-СР3, ПГ-СР4, ПГСР, ПГ-10Н-0-1,            ПС-12НВК-01 (65% ПГ-10Н-01 + 35% WC) (табл.2). Производительность обработки некоторых деталей в сравнении со шлифованием повышается в 8-12 раз.

   

Режимы обработки деталей с покрытием ПГ-СР4 (НRC 54-58) инструментом из киборита или томал-10

                                             Таблица 2

Вид точения (переход)

Состояние покрытия

  V, м/мин (м/с)

S, мм/об.

t, мм

Наружное и внутреннее точение

Корка

   60…72 (1…1,2)

0,15

до 1,5

Основной металл

 78…108 (1,3…1,8)

0,1

0,3-0,5

Подрезка торца наружного и внутреннего

Корка

   60…72 (1…1,2)

0,1

до 1,5

Основной металл

 78…108 (1,3…1,8)

0,07

0,2-0,3

Применение резцов из киборита и томал-10 при точении напылённых материалов вместо твёрдого сплава обеспечивает повышение производительности обработки в 3-6 раз, стойкости инструмента в 8-10 раз, снижение затрат на оборудование и получение требуемого состояния (остаточные напряжения сжатия) поверхностного слоя обработанных деталей.

С повышением твёрдости наплавленного металла до HRC 60…65 стойкость инструмента из ПСТМ снижается до 20…25 мин, в то же время эффективность его применения по сравнению с резцами из твёрдого сплава и абразивными кругами значительно возрастает.

Внедрение резцов из киборита и томал-10 на финишных переходах позволяет надёжно получать обработанную поверхность с шероховатостью  

 Ra = 0,7…1 мкм, и практически отказаться от шлифования. Инструмент специальной конструкции с круглыми доведёнными режущими элементами при оптимизации геометрических параметров и режимов резания обеспечивает шероховатость обработанной поверхности Ra = 0,16…0,32 мкм.

Выбор инструментального материала (табл. 3) и режимов резания при обработке наплавленных покрытий осуществляют по рекомендациям, разработанным в соответствии с классификацией наплавленных материалов Международным институтом сварки [5].

       При обработке наплавленных и напылённых покрытий инструмент из ПСТМ на основе КНБ эффективно используется на универсальных и специальных станках, станках с ЧПУ, станках-автоматах. Наиболее полно высокие эксплуатационные свойства этого инструмента проявляются при работе на металлорежущем оборудовании повышенной и высокой жёсткости и точности в безвибрационных областях работы. Особенно эффективно применение инструмента, оснащённого круглыми и многогранными неперетачиваемыми пластинами и перетачиваемыми режущими элементами (см. табл. 4)

 

 

 

Рекомендации no выбору материала инструмента для обработки наплавленных покрытий

                                                                                                             Таблица  3

 

Тип

Обозна-чение

Твер-дость,

HRCэ

Материал инструмента

Обработка по корке

Чистовая обработка

Низколегированная сталь, С < 0,4%

А

40

Киборит,

томал-10,

 Т5К10

Киборит, композит 01,10, ВОК60, ТН20, Т15К6

Низколегированная сталь, С > 0,4%

В

60

Киборит,

томал-10

 

Киборит, композит 01, 10; ВОК60, ТН20, силинит-Р, Т30К4

Аустенитные высокомарганцевые стали

С

50

ВК15ОМ, ВК8, ТТ10К8Б, Т5К10; Киборит,

томал-10

 

ВК8, ТТ10К8А, Т15К6; Киборит, композит 01,10

Аустенитные хромоникелевые стали

D

40

ВК8, ВК15ОМ

ВК4, ВК6М, ВК8, силинит-Р, ТН20, композит 10

Хромистые стали

Е

45

Киборит,

томал-10,

Т5К10, Т15К6

Киборит, композит 01,10, Т30К4,
ВК6М, Т15К6

Быстрорежущие стали

F

62

Киборит

томал-10,

 

Киборит, композит 01,10, силинит-Р, BOК60,

ТН20

Хромовольфрамо-вые чугуны

G

60

Киборит, ВКЗМ, ВК6М

Киборит, композит 10, ВК6М, ВК60М

Хромовольфрамо-вые стали

Н

45

Киборит,

томал-10,

ВК8

Киборит, композит 01,10, силинит-Р, Т15К6, ВКЗМ, ВК6М

Кобальтовые сплавы

N

40

Киборит

томал-10,

 

Киборит,
композит 10

Никелевые сплавы

Q3

55

Киборит,

 ВК8,ВК10ОМ

Киборит, композит 01,10 ВК6М

Q3

220НВ

ВК8,

ВК10ОМ

ВКЗ, ВК6М, ТН20, силинит-Р

Карбидные сплавы (зернистые и спечённые)

Р

67

Киборит, АТП, композит 10

Киборит, АТП,

композит 10, светлонит

 

           

 

                                                                                                                             

                                                                                                                            

Работоспособность инструмента из ПСТМ
при обработке защитных покрытий

                                                                                                                            Таблица 4

 

Инструментальный материал

Твёрдость наплавленного материала типа

A, B, C, D, HRCэ

30-40

40-50

50-60

60-65

 

ВК

0,25-0,28

0,18-0,25

0,12-0,18

0,08-0,12

Твёрдый сплав:

ТК

0,3-0,35

0,23-0,3

0,18-0,23

0,13-0,18

 

ТТК

0,35-0,4

0,28-0,35

0,23-0,28

0,2-0,23

Безвольфрамовый твёрдый сплав:  ТН 20, КНТ-16;

 СТИМ-3Б

0,26-0,3

 

0,35-0,4

0,22-0,26

 

0,28-0,35

0,18-0,22

 

0,23-0,28

0,12-0,18

 

0,2-0,23

Керамика: ВОК60

0,5-0,55

0,45-0,5

0,45

0,35-0.4

ПСТМ:  Композит

01

1.2-1,3

1,1-1,2

1-1,1

1,0

 

05

1,3-1,4

1,2-1,3

1,1-1,2

1-1,1

 

09

1,8-2

1,6-1,8

1,6

1,5

 

10

1,8-2

1,6 -1,8

1,5-1,6

1,35-1,5

 

киборит

1,8-2

1,6-1,8

1,5-1,6

1,35-1,5

 

Томал-10

1,6-1,8

1,5-1,6

1,45-1,5

1,3-1,4

        

          

               Применение указанного инструмента при производстве и ремонте (восстановлении) деталей с износостойкими защитными покрытиями позволяет использовать высокоэффективные методы нанесения и составы покрытий, благодаря чему существенно повысить работоспособность и долговечность машин и оборудования заводов по производству строительных материалов [6].

            В процессе работы была установлена также важная особенность эксплуатации испытываемых резцов, характерная, видимо,  только для двух- или многослойных пластин. При высокой теплонапряжённости процесса,  достигаемой за счёт отдельных больших значений V, S и t или их одновременного воздействия, на передней и задней поверхностях пластины появляются трещины, по которым может отслаиваться часть режущего слоя с образованием в нём значительных дефектов. Поскольку эти трещины возникают вне зоны контакта и непосредственного воздействия нагрузок, можно предположить, что они вызваны температурными напряжениями, обусловленными различием коэффициентов линейного и объёмного расширения режущего слоя и подложки. Данный фактор важно учитывать при выборе геометрии режущего клина и режимов механической обработки точением двухслойными пластинами. Поэтому двуслойные пластины целесообразно применять для тонкого и чистового точения.       

      В результате анализа результатов исследований, можно сделать следующие выводы:

      1. Угол резания δ существенно влияет на работоспособность круглых  и многогранных пластин, в том числе на их стойкость, путь резания, площадь обработанной поверхности заданного качества, объём срезаемого металла.

      2. Круглые и многогранные цельные  пластины целесообразно применять не только для финишной, но и чистовой и предварительной обработки точением наплавленных и напылённых покрытий при углах резания, максимально допускаемых жёсткостью системы ЗИПС и прочностью инструмента.

      3. Рекомендуемые режимы финишного точения указанных покрытий с твёрдостью HRCЭ 50…62 резцами из киборита или томал-10:

      V = 75…108 м/мин; So = 0,05…0,1 мм/об; t = 0,1…0,15 мм; угол резания   δ = 102…105о   [α = 12…15о, γ = (–12…(–15)о];

      4. Рекомендуемые режимы предварительного точения указанных покрытий:

      V = 60…72 м/мин; So = 0,1…0,15 мм/об; t = 0,3…1,5 мм; δ = 102…105о.

                                    

                                             

 

                                               ЛИТЕРАТУРА

 

1.       Боровских Г.В., Молодых С.У. Современные технологические процессы обработки деталей режущим инструментом из сверхтвёрдых материалов: Обзор.- М.: НИИмаш, 1984.- 87 с.

2.       Режущие инструменты, оснащенные сверхтвёрдыми и керамическими материалами, и их применение: Справочник/ В.П. Жедь, Г.В. Боровских, Я.А. Музыкант, Г.М. Ипполитов. -  М.: Машиностроение, 1987. – 320 с.

3.       Фельдштейн Е.Э. Исследование процесса тонкого  точения спечённых хромистых сталей высокой твёрдости резцами из эльбора-Р:  Авторереф. канд. дис. … канд. техн. наук - Минск, 1981.- 26 с.

4.       Обработка металлов резанием: Справочник технолога/ А.А. Панов, В.В. Аникин, Н.Г. Бойм и др.; Под общ. ред. А.А.Панова.- М.: Машиностроение, 2004. – 784 с.

5.       Международный стандарт ISO/TR 13393-2009 «Присадочные материалы: классификация поверхностного упрочнения. Микроструктуры». International Institute of Welding (London). -  Каталог Стандартов. 

6.       Ракунов Ю.П., Хрульков В.А., Воробьёв Б.И. Исследование режущей способности композита 01 при тонком точении сталей в  закалённом состоянии: Материалы 15-й Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесение покрытий и ремонта»  в 2 ч. Часть 1 – СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2013 – 386 с.