Технические науки/8.Обработка материалов в машиностроении

Д.т.н. Качанов И.В., ст. преп. Шаталов И.М., аспирант Рубченя А.А., студет Быков К.Ю.

Белорусский Национальный Технический Университет, Республика Беларусь

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗЦОВ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ МАШИН

Резцы для дорожной фрезы – это оборудование, к которому предъявляются самые строгие требования, связанные с усталостной и статической прочностью. Поэтому большинство современных фрезерных резцов изготавливается с применением высококачественных сталей, легированных марганцем и хромом. В настоящее время в целях продления эксплуатационного ресурса, резцы для дорожной фрезы дополняются твердосплавными вставками, припаянными к головке (фирма Wirtgen), что существенно снижает качество резцов. В этой связи применение технологии скоростного горячего выдавливания (СГВ), которая зарекомендовала себя как высокоэффективная технология получения точных заготовок под инструмент с повышенными механическими свойствами, для изготовления дорожных резцов является весьма перспективным направлением исследований.

Процесс изготовления дорожного резца имеет ряд особенностей. Один из них – пайка наконечника к стальному корпусу резца. При фрезеровании дорожного покрытия резцы нагреваются, и происходит тепловое расширение корпуса и наконечника. Из-за разных коэффициентов теплового расширения стали и твердого сплава возникающие напряжения стремятся разорвать инструмент в области паяного шва. Резцы такого вида широко использует фирма Wirtgen W6/20.

В БНТУ, на кафедре «Кораблестроение и гидравлика», была разработана технология получения дорожных резцов методом СГВ. Для проведения исследований в качестве корпуса резца была выбрана сталь 5ХНМ, а материал наконечника из порошкового сплава ВК20. Определяющим в выборе материалов явились их стоимость и прочностные характеристики.

Для экспериментального исследования процесса СГВ и отработки технологии изготовления резцов в лаборатории БНТУ использовалась высокоскоростная установка горизонтального типа, конструктивная схема которой показана на рисунке 1 [1–3]. Установка включает в себя раму 1, с одной стороны которой жестко закреплен ствол 2 с энергоузлом 3, а с другой – сборный шабот 4. На шаботе в регулируемых направляющих 5 и упорах 6 смонтирован выдвижной переходник 7 для крепления штампа. Изменение положения переходника по высоте осуществлялось винтом 8. Для снижения уровня шума установка была оснащена съемным глушителем 9, для обеспечения безопасных условий труда – ловителем 10. Пуансон 11 за счет сгорания энергоносителя в энергоузле имел возможность разогнаться в стволе до скорости v0= 150-200 м/с. Разгон пуансонов с массой Мп = 8-12 кг до указанных скоростей обеспечивал задание им энергии Е0 = 100-200 кДж, вполне достаточной для скоростного выдавливания резцов заданных размеров.

 

Рис. 1. Конструктивная схема горизонтальной установки

Для проведения исследований и отработки технологии изготовления резцов в качестве прототипа был выбран резец фирмы Wirtgen W6/20 (Рис. 2). Выбранный резец широко применяется при снятии асфальтобетонного полотна, как на малопроизводительных машинах для осуществления ямочного ремонта так и на высокопроизводительных самоходных дорожных фрезах с шириной барабана более 2 м.

 

Рис 2. Резец фирмы Wirtgen W6/20

Для изготовления резца была разработана специальная экспериментальная оснастка (Рис. 3), в состав которой входят комплект из двух полуматриц 1, промежуточного бойка 3 и наковальни 4, которые позволяли осуществлять пластическое формообразование резцов из заготовки 2.

 

Рис. 3. Внешний вид экспериментальной оснастки для изготовления резцов

Отличительной особенностью разработанной оснастки является наличие в промежуточном бойке полости, предназначенной для формообразования хвостовика резца, что позволило за один удар пуансона получить заготовку резца, которая затем подверглась токарной обработке.

Заготовка для изготовления резца состояла из двух частей - основной и рабочей. Основную часть изготавливали с глухим цилиндрическим отверстием из высоколегированной штамповой стали 5ХНМ. Рабочая часть представляла собой твердосплавный наконечник из порошкового сплава ВК20.

Скоростное деформирование составных заготовок проводили с нагревом в камерной печи СНОЛ-2УМ. Для предотвращения окалинообразования образцы предварительно засыпали порошкообразным древесным углем. В процессе нагрева температуру в рабочем пространстве печи контролировали с помощью платиново-родиевой термопары ТПРТ 01.01-000-В3-Н-К799-4-320, соединенной с микропроцессорным измерителем-регулятором ТРМ-101. Время выдержки образцов в печи принималось из расчета полного прогрева по сечению и составляло 1 мин на 1 мм сечения заготовки [4].

Схема нагружения для выдавливания резца приведена на Рис. 4.

 

2
 


а – до нагружения; б – после нагружения;

Рис. 4. Схема нагружения для выдавливания резца

Разъемную коническую матрицу 1 помещали в обойму 2, которая крепилась на нижней плите 7 горизонтальной установки [5,6]. При этом заготовка состояла из двух частей: основной 5 (сталь 5ХНМ) и рабочей 6 (ВК20). Заготовку помещали в разъемную матрицу 1 штампа для закрытого выдавливания.

Для деформации составной заготовки 3 мастер-пуансон разгоняли основным бойком 8. В результате он получал запас энергии, обеспечивающий скоростную деформацию заготовки, которая сопровождалась пластическим течением основной части заготовки в двух осевых направлениях: в прямом (в полость полуматриц) и обратном (в полость мастер-пуансона). При этом происходило «обхватывание» рабочей части заготовки основной частью в момент касания рабочей части дна полости полуматриц. Таким образом, было получено неразъемное соединение твердосплавного наконечника 1 с корпусом 2 резца за счет посадки в него наконечника 1 с натягом (Рис. 5).

 

1 – наконечник резца; 2 – корпус резца

Рис. 5. Фото заготовки резца после деформации

 

Резецы, полученные методом СГВ, были испытаны на самоходной дорожной фрезе Wirtgen W2000 при снятии верхнего слоя асфальтобетонного дорожного полотна на трассе Р31 Республики Беларусь. На барабане фрезы были установлены опытные образецы совместно с резцами Wirtgen. Длина профрезерованного участка дороги составляла – 300 м, ширина – 2 м.

Фотография одного из опытных резцов после испытаний приведена на Рис. 6

Рис. 6. Опытный резец после проведения испытаний

Испытания показали, что опытный резец подвергся незначительному износу (менее 3% массы резца). Износ режущей кромки опытного резца (выполненной из стали ВК20) составил 0,5 мм, что не превышает износа резцов фирмы Wirtgen, установленных на барабане дорожной фрезы и выполнивших аналогичный объем работ.

В заключении следует отметить, что резцы полученные методом СГВ по качественным показателям не уступают резцам фирмы Wirtgen, а по стоимости вполне конкурируют с ними.

 

Литература

1.   Качанов, И.В. Скоростное горячее выдавливание стержневых изделий / И.В. Качанов: по ред. Л.А. Исаевича. Минск: Технопринт, 2002. 327 с.

2.   Здор, Г.Н. Технологии высокоскоростного деформирования материалов / Г.Н. Здор, Л.А. Исаевич, И.В. Качанов. Минск: БНТУ, 2010. 456 с.

3.   Скоростное горячее выдавливание стержневых изделий с плакированием торцовой части / И.В. Качанов [и др.]. Минск: БНТУ, 2011. 198 с.

4.   Шмаков, А.А. Справочник термиста / А.А. Шмаков. М.: Машгиз, 1956. 331 с.

5.   Способ штамповки деталей со стержнем: пат. 18113 Респ. Беларусь; МКИ В J5/00 / И.В. Качанов, Г.Н. Здор, Л.А. Исаевич, В.Н. Шарий, М.В. Кудин, В.В. Власов; опубл.: 30.04.2014.

6.   Способ изготовления клапана двигателя внутреннего сгорания: пат. 16601 Респ. Беларусь; МКИ В J5/00 / И.В. Качанов, В.Н. Шарий, М.В. Кудин, Д.И. Буто, И.А. Ходос, В.В. Власов; опубл.: 30.12.2012.