Д.т.н. Б.М. Бржозовский, д.т.н. В.В. Мартынов,

к.т.н. Е.П. Зинина

Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А., Россия

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ИНСТРУМЕНТОМ

С МОДИФИЦИРОВАННОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТЬЮ

Материалы исследований инструмента с модифицированной воздействием низкотемпературной плазмы рабочей частью [1] позволяют сделать вывод о том, что модификация позволяет сформировать у него свойства, не только повышающие эксплуатационную надежность, но и существенно расширяющие область практического применения. В первую очередь речь идет о тех операциях механической обработки, где возникают нагрузки, зачастую приводящие к разрушению обычных инструментов уже в самом начале работы – высокоскоростная обработка, обработка заготовок из труднообрабатываемых материалов с большими толщинами среза (точение, фрезерование) и др.

Вместе с тем, изменение свойств модифицированной поверхности вносит изменения в ее контактные взаимодействия с заготовкой, что отражается как на состоянии инструмента, так и на состоянии самого процесса резания и определяет необходимость поиска условий, в которых свойства будут проявляться наиболее эффективно. С этой целью были проведены экспериментальные исследования процесса резания при торцевом точении заготовок из стали ШХ-15 Ø60 мм на станке 1К62 модифицированными сменными многогранными пластинами из твердого сплава Т15К6 при следующих значениях параметров технологического режима: скорость резания – 188 м/мин, глубина резания – 0,3 мм, подача – 0,11 мм/об.

В процессе исследований при помощи тензодатчиков, наклеенных на поверхность державки с противоположных сторон и закрытых от повреждений стружкой защитным кожухом, измерялась составляющая P_z силы резания.

Сигналы с тензодатчиков выводились на цифровой вольтметр В7/27-1 и записывались в течение каждого цикла точения.

Величина размерного износа измерялась с помощью двух индикаторных рычажно-зубчатых головок типа 1ИГМ (цена деления – 0,01 мм), зафиксированных на поворотной штанге магнитной стойки и вращающихся относительно вертикальной оси магнитной стойки (рис.1). Это позволяло многократно подводить головки к поверхностям резца так, чтобы наконечник одной из них (измерительной) попадал на режущую кромку резца, а второй (опорной) на опорную установочную базу, в качестве которой использовалась концевая мера длины. Измерение размерного износа резца (пятикратное) проводилось после каждого цикла точения, состоящего из одного прохода. Погрешность измерений составила не более ±5 мкм.

Рис.1. Схема измерения износа режущего инструмента:

1 – резец; 2 – опорная концевая мера; 3 – резцовый блок;

4 – индикаторная стойка; 5 – суппорт; 6, 7 – головки,

соответственно, опорная и измерительная; H_р – размерный

износ; П_и, П_о – показания, соответственно,

измерительного и опорного индикатора

Для наблюдения за динамикой износа модифицированной поверхности использовался микроскоп МБС-9 с фотонасадкой.

Результаты исследований показали (рис.2), что потеря работоспособности пластин вызвана наростообразованием, величина которого составляет 0,01-0,03 мм; последующий срыв нароста сопровождается выкрашиванием или сколом модифицированной поверхности. При этом наблюдается цикличность, которая характеризуется заполнением выкрашенного места металлом с образованием нового нароста, последующей приработкой вновь образовавшейся поверхности и новым срывом нароста с незначительным углублением образовавшегося места выкрашивания или скола. Причем все эти процессы происходят в диапазоне значений, не превышающих 0,1 мм. Очевидно, что такой вид износа существенно отличается от износа, характерного для пластин, не прошедших плазменную обработку.

Сопоставление данных по износу пластин и силам резания позволило установить следующее (рис.3):

– плазменная обработка приводит к повышению прочности поверхности на отрыв, что проявляется в увеличении составляющей P_z силы резания в моменты срыва нароста, сопровождающегося выкрашиванием поверхности режущей кромки, до 500-720 кг;

– сколам поверхности режущих кромок предшествуют проходы с повышенной силой резания (до ~ 520 кг) и интенсивными вибрациями;

– в процессе наростообразования сила резания может достигать значений ~350-400 кг;

– при срыве нароста сила резания снижается до 320-350 кг;

– сила резания на приработанных поверхностях лежит в диапазоне 240-260 кг;

– поверхность пластин может выдерживать пиковые нагрузки до 1000 кг без существенных разрушений;

– скорости резания, при которых происходит срыв нароста, сопровождающийся выкрашиванием, лежат в диапазоне 75-125 м/мин;

– сила резания снижается при скоростях резания ниже 37,5 м/мин и имеет стабильные значения на скоростях 138-151 м/мин.

Рис.2. Сглаженная кривая износа модифицированной пластины:

1 – образование нароста, 2 – срыв нароста, 3 – формирование новой

поверхности, 4 – приработанная поверхность

Рис.3. Вариации составляющей P_z силы резания в процессе

изменения состояния пластины: 1-4 – по рис.2

Аналогичные исследования были выполнены в ОАО СПЗ г. Саратова при изготовлении деталей из стали ШХ-15 на автоматическом станке с ЧПУ 16К20Ф3С5 модифицированными пластинами из сплава Т15К6 с покрытием TiN при следующих значениях параметров технологического режима: скорость резания – 100 м/мин, глубина резания – 2,5 мм, подача – 0,26…0,38 мм/об.

Металлографический анализ шлифов поверхностей инструмента показал, что снижение интенсивности его изнашивания стало следствием повышения прочности за счет укрепления адгезионных связей приповерхностных слоев с материалом инструментальной матрицы, препятствующих увеличению размеров дефектов, образующихся в модифицированном покрытии TiN в результате ослабления и разрушения связей между элементарными ячейками его структуры, которые формируются в процессе нанесения покрытия TiN методом катодно-ионной бомбардировки и состоят из отдельных кластеров – микрокапель. При этом чем большие значения в процессе резания имела величина нормальной нагрузки на передней поверхности инструмента, тем меньше были размеры образующихся дефектов.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что специфика свойств и условий приводит к необходимости оптимизации процесса резания инструментом с модифицированной рабочей частью. Для этого требуется математическое описание процесса изнашивания и разрушения инструмента с целью обоснования:

– подхода к оптимизации процесса резания;

– критерия оптимизации и основных направлений его практического использования.

Литература

1. Бржозовский Б.М. Упрочнение режущего инструмента воздействием низкотемпературной плазмы комбинированного разряда / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2009. – 176 с.