Технические науки/ 8. Обработка материалов в
машиностроении
К.т.н. Ракунов Ю.П., д.т.н.
Абрамов В.В., студент Туровский А.В.
Московский государственный
строительный университет, Москва, Россия
Совершенствование выбора и назначения
лезвийного режущего инструмента из сверхтвёрдых материалов
Сверхтвёрдые материалы
(СТМ) на основе твёрдых модификаций кубического нитрида бора (КНБ) –
принципиально новые как по технологии изготовления, так и по условиям
эксплуатации инструментальные материалы. Ими можно обрабатывать детали машин на
скоростях резания V в несколько раз более высоких, чем допускаемые
твердосплавным инструментом (см. табл. 1), что повышает производительность
обработки при высоком качестве финишной обработки рабочих высоконагруженных
поверхностей изделий [1].
Основная область
эффективного применения режущего инструмента (РИ), оснащённого СТМ –
автоматизированное производство на базе станков с ЧПУ, многоцелевых станков,
автоматических линий, специальных скоростных станков, гибких производственных
модулей (ГПМ) и гибких производственных систем (ГПС). Эффективность таких
систем обеспечивается их способностью быстро перестраиваться на выпуск нового
изделия и высокой производительностью, достигаемой круглосуточной работой
оборудования в автоматическом цикле. При таких условиях работы резко возрастают
требования к надёжности работы станков, всей технологической оснастки и
конкретно к надёжности и износостойкости РИ.
При обработке на
станках с ЧПУ и ГПМ заготовок из закалённых сталей с HRC >
45 на многих финишных переходах абразивным инструментом практически трудно
обеспечить требуемые темпы повышения производительности процесса, вследствие
низкой размерной стойкости кругов, а также практической невозможностью обработки
«по настройке» (по настроенному размеру) и с большой глубиной резания. Кроме
этого, при обработке абразивным инструментом возникают дефекты, как
шаржирование обрабатываемых заготовок и образование в их поверхностном слое
трещин, прижогов и других дефектов.
Таблица 1
Режимы
чистового точения и растачивания с глубиной резания t =
0,1…0,3 мм и относительный износ резцов. Параметр шероховатости обработанной поверхности Ra =1,25
мкм
|
Обрабатываемый материал |
Материал инстру-
мента |
Режимы резания |
Относи- тельный
износ, мкм/км |
|
|
Скорость резания, м/мин |
Подача, мм/об |
|||
|
Стали углеродистые конструкционные |
Т30К4 Эльбор-Р |
100-180 550-660 |
0,04-0,08 0,04-0,06 |
6,5 3,0 |
|
Стали конструкционные
легированные |
Т30К4 Эльбор-Р |
120-180 450-500 |
0,04-0,08 0,04-0,06 |
6,5 3,0 |
|
Стали высоколегиро-ванные,
коррозионно-стойкие, жаростойкие |
Т30К4 Эльбор-Р |
80-120 200-220 |
0,02-0,04 |
6,5 3,0 |
|
Стали конструкционные
закалённые (HRC40…45) |
Т30К4 Эльбор-Р |
70-150 300-350 |
0,02-0,05 0,02-0,04 |
10 5,0 |
|
Чугун серый СЧ 15-32, СЧ 19-36 |
ВКЗМ ЦМ-332 Эльбор-Р |
100-160 220-300 300-500 |
0,04-0,08 0,03-0,06 0,04-0,06 |
6,0 3,5 2,5 |
|
Чугун ковкий КЧ 45-6, КЧ 63-2 |
ВКЗМ ЦМ-332 Эльбор-Р |
120-160 200-250 500-550 |
0,03-0,06 0,03-0,05 0,08-0,06 |
8,0 5,5 4,0 |
|
Чугуны высокопрочные ВЧ |
ВКЗМ ЦМ-332 Эльбор-Р |
120-160 300-350 500-550 |
0,04-0,08 0,03-0,06 0,04-0,06 |
7,0 4,5 3,5 |
Механическая обработка
таких заготовок лезвийным инструментом более производительна и практически
исключает возникновение указанных дефектов. Применение РИ из твёрдого сплава
или быстрорежущих сталей ограничивается его низкой размерной стойкостью, резко
снижающейся с возрастанием твёрдости обрабатываемого материала. Поэтому
наиболее перспективным инструментальным материалом является СТМ на основе КНБ [2].
Лезвийный РИ из КНБ
применяют при высокоскоростном фрезеровании, точении, растачивании, сверлении и
других видах обработки заготовок из чугунов, закалённых сталей, алюминиевых и
цветных сплавов, композиционных неметаллических материалов. В табл. 2 приведены
рекомендуемые для обработки различных материалов скорости резания V,
являющиеся важным фактором интенсификации обработки заготовок в
автоматизированных процессах. Следует отметить, что надёжность РИ, оснащённого
СТМ, возрастает при увеличении V в строго рекомендуемых пределах при обработке каждого
конкретного материала в его состоянии (физико-механических характеристик).
Таблица
2
Диапазон
скоростей резания при обработке различных материалов режущим инструментом из
СТМ на основе КНБ
|
Обрабатываемый материал |
Скорость резания, м/мин (м/с) |
|
|
Точение |
Фрезерование |
|
|
Стали в состоянии поставки
(термически не обработанные) HRC < 30 |
--- |
400-900 (6,7...15) |
|
Закалённые стали (HRC 35…55) |
50-200 (0,83…3,3) |
200-600 (3,3…10) |
|
Закалённые стали (HRC 55…70) |
40-120 (0,67…2,0) |
80-300 (1,3…5) |
|
Серые и высокопрочные
чугуны (НВ 150…300) |
300-1000 (5…16,7) |
600-3000 (10…50) |
|
Отбеленные (НВ 400…600) и закалённые (HRC 40…60) |
40-200 (0,67…3,3) |
150-800 (2,5…13,3) |
Принципиально важно использовать РИ
из СТМ при оптимальных режимах резания для повышения стойкости и
надёжности для минимизации потерь на наладку и размерную подналадку
автоматизированного оборудования [3].
Основные данные о выпускаемых в настоящее время СТМ на основе плотных
модификаций КНБ, имеющих промышленное значение, приведены в табл. 3.
В перспективе до 2020 г. одним
из основных направлений в области лезвийной обработки является создание и
внедрение конструкций РИ из СТМ.
Таблица 3
Физико-механические свойства СТМ на
основе КНБ
|
Hаиме-нование матери-ала |
Марка СТМ |
Фазовый состав |
Струк-тура, размеры
кристал-лов, мкм |
Плот-ность, кг/мЗх103 |
Микро- твер-дость, ГПа |
Предел прочно-сти на
сжатие, MПa |
Пре-дел проч-ности на
изгиб, МПа |
Тепло-стой- кость на
воздухе, °С |
|
Эльбор-Р |
Композит 01 |
Bnk-100% |
0,3...2,0 |
3,31...3,39 |
70...80 |
19...21 |
4...5 |
1100-1200 |
|
Эльбор-РМ |
Композит 01 |
Bnk-100% |
2,0...2,5 |
3,45...3,50 |
60...75 |
20...30 |
4...5 |
1100-1400 |
|
Бельбор |
Композит 02 Композит 05 |
BNk-100% Bnk-50% |
0,2...5,0 0,2...3,0 |
3,27...3,45 3,7...4,0 |
60...90 50...70 |
40...65 40...45 |
4...5 6...10 |
1000-1100 1000 |
|
ПТНБ |
Композит 09 |
Bnk-100% |
0,3...2,0 |
3,49 |
50...75 |
40...60 |
6...10 |
1500 |
|
Гексанит-Р |
Композит 10 |
BNk-5-95% BNk-0-7% Bnk-0-95% |
0,1- 0,2 |
3,28...3,36 3,28...3,36 |
40...50 55 50...80 |
30...50 |
7...10 12...15 |
800-900 |
Высокая микротвёрдость и теплостойкость
модификаций КНБ в сочетании с мелкозернистой структурой позволяют получить
оптимальные условия обработки заготовок из жаропрочных и нержавеющих сталей и
сплавов, высокопрочных чугунов, титановых сплавов и других труднообрабатываемых
материалов. По сравнению с фрезерованием или точением РИ из твёрдых сплавов и
других труднообрабатываемых материалов. По сравнению с фрезерованием или
точением РИ из твёрдых сплавов или быстрорежущих сталей обработка РИ, оснащёнными
СТМ характеризуется меньшими силами резания, что положительно сказывается на
уменьшении величины износа и колебании инструмента, упругих деформаций в
технологической системе «заготовка – инструмент – приспособление – станок»
(ЗИПС). По этим причинам уменьшается отклонение формы поперечного и продольного
сечения и шероховатость обработанных поверхностей. Таким образом, снижаются
следующие составляющие технологической себестоимости: трудоёмкость,
энергоёмкость, инструментоёмкость, станкоёмкость. Снижение этих затрат очень
выгодно при обработке базовых, сопрягаемых, уплотнительных, ступенчатых и
фасонных поверхностей, растачивании точных отверстий [3].
РИ из СТМ на основе КНБ преимущественно
используется при финишной (тонкой) и чистовой, реже получистовой обработке
заготовок. Отчасти, это связано с малыми размерами поликристаллов, диаметр
которых составляет от 4 до 8 мм, а
также с недостаточной прочностью и надёжностью крепления поликристаллов в
перетачиваемых резцовых вставках. Важным фактором, определяющим успешное
внедрение и эксплуатацию РИ из СТМ в промышленность, является необходимость в
квалифицированной переточке и качественном восстановлении первоначальных
режущих свойств [3].
Проведённые обширные
стойкостные испытания и производственный опыт позволяют рекомендовать
рациональные режимы резания при обработке различных материалов РИ, оснащёнными
композитами (см. табл. 4, 5, 6).
Резцы токарные наружные
и расточные с режущим элементом (РЭ) из композита 01 предназначены для
непрерывной обработки закалённых сталей (HRC 40…70), чугунов (НВ 160…600), твёрдых сплавов ВК15,
ВК20, ВК25. Резцы позволяют вести
тонкую и чистовую обработку с глубиной резания t = 0,1…0,7 мм (табл. 4).
Таблица 4
Рекомендуемые
режимы резания при точении и растачивании
материалов
инструментом, оснащенным композитом 01
|
Обрабатываемый материал |
Вид обработки |
Скорость, м/мин |
Подача, мм/об. |
Глубина, мм |
|
а)
Стали инструментальные, легированные, конструкци-онные (HRC 40...60) |
чистовая тонкая |
60-120 80-180 |
0,05-0,08 0,005-0,02 |
0,3-0,6 0,05-0,03 |
|
б)
Стали быстрорежущие, высоколегированные |
чистовая тонкая |
60-120 80-150 |
0,04-0,07 0,005-0,02 |
0,1-0,4 0,05-0,1 |
|
в)
Чугуны серые и высокопрочные |
чистовая |
400-600 |
0,02-0,07 |
0,2-0,6 |
|
г)
Чугуны отбеленные, закалённые (НВ 400...600) |
чистовая |
100-200 |
0,02-0,07 |
0,2-0,6 |
|
д)
Твёрдые сплавы для штампов и пресс-форм |
тонкая |
8-12 |
0,005-0,02 |
0,05-0,1 |
Резцы токарные и
расточные с РЭ из композита 05 успешно осуществляют непрерывную обработку
закалённой стали (HRC 35…55), чугунов (НВ 160…600) и
других труднообрабатываемых материалов. Резцы позволяют
вести чистовую и получистовую обработку с t = 0,2…2 мм (табл. 5).
Таблица 5
Рекомендуемые
режимы резания при точении и растачивании материалов инструментом, оснащённым
композитом 05
|
Обрабатываемый материал |
Вид обработки |
Скорость м/мин. |
Глубина мм |
Подача, мм/об |
|
а) Стали инструментальные, легированные, конструкционные
(HRC 35...55) |
получистовая чистовая |
50-100 60-120 |
1…2 0,4-1,0 |
0,1-0,2 0,05-0,08 |
|
б) Чугуны
серые и высокопрочные (НВ 400...600) |
получистовая чистовая |
200-400 400-600 |
1…2 0,2-0,8 |
0,1-0,2 0,02-0,07 |
|
в) Чугуны
отбеленные, закалённые (НВ
400...600) |
получистовая чистовая |
100-200 100-200 |
1…2 0,2-0,8 |
0,1-0,2 0,02-0,07 |
Резцы токарные и расточные с РЭ из
композита 10 осуществляют прерывистую (с ударом) обработку закалённой стали (HRC 40…60), чугунов (НВ 160…600) твёрдых сплавов ВК 15,
ВК 20, ВК 25. Эти резцы позволяют вести тонкую, чистовую и получистовую
обработку с t = 0,1…1 мм, в некоторых случаях
до 2 мм (табл. 6).
Таблица 6
Рекомендуемые
режимы резания при прерывистом точении и растачивании материалов инструментом оснащенного композитом 10
|
Обрабатываемый материал |
Вид обработки |
Скорость, м/мин. |
Подача, мм/об. |
Глубина мм |
|
а) Стали инструментальные,
легированные, конструкцион-ные (HRC 40...60) |
получистовая чистовая тонкая |
40-90 50-100 60-100 |
0,1-0,15 0,04-0,06 0,005-0,02 |
0,3-0,5 0,1-0,3 0,05-0,1 |
|
б) Стали быстрорежущие,
высоколегированные |
чистовая тонкая |
40-70 60-80 |
0,03-0,07 0,005-0,02 |
0,2-0,4 0,05-0,1 |
|
в)
Чугуны серые и высоко-прочные
(НВ160...270) |
получистовая чистовая |
200-300 300-400 |
0,1-0,15 0,02-0,08 |
0,5-0,7 0,2-0,5 |
|
г)
Чугуны отбеленные, закалённые (НВ 400...600) |
получистовая чистовая |
60-100 100-160 |
0,1-0,15 0,02-0,07 |
0,2-0,5 |
|
д) Твёрдые сплавы для штампов и пресс-форм |
чистовая |
5-10 8-12 |
0,04-0.09 0,005-0,02 |
0,1-0,2 0,05-0,1 |
Для успешной
эксплуатации РИ из СТМ, необходима доводка его режущих поверхностей. Доводка
режущих кромок и радиуса округления ρ режущего клина, особенно композитов
05 и 10 до шероховатости Ra =
0,16 мкм, позволяет уменьшить износ резцов на 20…30% по сравнению с резцами,
имеющими шероховатость Ra =
0,32 мкм и на 60…70% по сравнению с резцами, имеющими шероховатость Ra = 0,45…0,63 мкм [4].
Большое
значение на стойкость РИ с СТМ при точении оказывает радиус при вершине резца в
плане. Он должен строго сопрягать режущие кромки. Замена радиуса при вершине
резца на фаску не допускается для резцов из композита 10, так как это приводит
к скалыванию режущих кромок уже в начальный период работы. Это требование
автоматически выполняется для круглых пластин цельных и двухслойных [4].
Приоритетными
направлениями развития РИ, оснащённого СТМ и предназначенного для использования
в автоматизированном производстве, следующие:
– резкое
повышение подчинённости выпускаемого инструмента;
–
значительное расширение номенклатуры механически закрепляемых многогранных
неперетачиваемых пластин (МНП), а также многократно перетачиваемых круглых и
многогранных РЭ;
–
расширение номенклатуры и увеличение объёмов выпуска сборных торцевых фрез,
расточных и наружных токарных резцов;
–
создание и освоение производства концевого РИ с рабочей частью из СТМ (свёрла,
концевые фрезы, развёртки, зенкеры и т.д.).
При
внедрении РИ, оснащённого СТМ, на действующих технологических установах (когда
им заменяют РИ из твёрдого сплава), необходимо точно согласовать все параметры
режимов обработки и проанализировать технологические возможности оборудования.
Это объясняется необходимостью изменить подход к построению технологических
процессов, особенно при обработке заготовок из термообработанных сталей и
сплавов. Построить его необходимо по схеме: заготовительные этапы с целью
получения оптимальных припусков, термообработка, чистовая и финишная обработка
лезвийным РИ, оснащённым СТМ. Для достижения так называемой «равновесной»
шероховатости, обеспечивающей минимальный период приработки трибологических пар
трения, необходимо предусмотреть возможность использования самого простого и
надёжного метода её получения – алмазного выглаживания [5]. В качестве
инструмента для выглаживания с успехом можно применять поликристаллы СТМ на
основе КНБ.
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.
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.
4.
Ракунов Ю.П., Абрамов
В.В., Дараев Я.А. Сопоставление шлифования и тонкого точения эльбором-Р 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.
5.
Ракунов Ю.П., Абрамов
В.В., Дараев Я.А. Регулирование процесса повышения ресурса деталей машин
точением гексанитом-Р и алмазным выглаживанием: Материалы 14-й Международной
научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесение покрытий и
ремонта» в 2 ч. Часть 1 – СПб.: Изд-во
Политехнического. ун-та, 2012 – 386 с.