автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение стойкости режущего инструмента методом электроизоляции при обработке титановых сплавов

На правах рукописи

¿г

Медисон Виталий Викторович

ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-

технической обработки»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 г МАП 2014

Нижний Тагил - 2014

005548450

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Научный руководитель: Пегашкин Владимир Фёдорович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кугультинов Сергей Данилович,

доктор технических наук, профессор кафедры «Производство машин и механизмов» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

Строшков Анатолий Никифорович,

кандидат технических наук, исполнительный директор ООО «Аквамарин»

Ведущая организация - ФГУП «Научно-исследовательский

институт машиностроения», г. Нижняя Салда

Защита диссертации состоится «24» июня 2014 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.298.06 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76, ауд. 201а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета

Автореферат разослан » 30» СпрХ/!А 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

дисифшцииптл и ьиыла / У^УЬп- V

доктор технических наук, профессор И. А. Щуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Титановые сплавы находят широкое применение в современном машиностроении (авиационно-космическом, химическом, энергетическом) вследствие своих уникальных свойств, состоящих в высокой удельной прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности и хладностойкости. Однако их широкое применение ограничивается относительно низкой обрабатываемостью резанием, вследствие чего себестоимость выпуска продукции из титановых сплавов достаточно высока.

Одной из важных задач, которые необходимо решать, чтобы сделать производство изделий из титановых сплавов менее затратным, является задача повышения стойкости режущего инструмента. При этом наиболее эффективными методами повышения стойкости режущего инструмента являются такие методы, которые состоят в использовании явлений, возникающих в самом процессе резания, для уменьшения износа режущего инструмента. Одним из таких методов является метод электрической изоляции режущего инструмента, впервые разработанный H. Axer, работы которого впоследствии были продолжены T. Hehenkamp, M. Т. Галеем, Ю. С. Дубровым, Г. И. Якуниным, В. А. Бобровским, С. Н. Постниковым, Ю. М. Коробовым, А. А. Рыжкиным, В. Г. Солоненко, Lin Young-Chuan, H.S. Shan, R. Tanaka, K. Uehara и др.

В то же время существующие к настоящему времени практические реализации метода электрической изоляции режущего инструмента не нашли широкого применения в промышленности вследствие ряда факторов, к которым относятся низкая долговечность изолирующей оснастки и трудоемкость её изготовления и восстановления, а также снижение жесткости инструментальной системы при использовании такой оснастки. Недостатки существующих реализаций метода электрической изоляции режущего инструмента являются причиной существования ряда негативных отзывов о применении данного метода, в частности представленных Р.Г. Маркосяном, Н.И. Резниковым и Т.Н. Лоладзе. При этом следует отметить, что критические отзывы о представленном методе противоречивы, a H.S. Shan и P.C. Pandey в своей работе прямо указывают на тот факт, что электрическая изоляция режущего инструмента является методом повышения его стойкости далеко не для всяких обрабатываемых материалов.

Анализ существующей литературы по данному вопросу также выявил существование пробелов в объяснении явлений, происходящих при обработке титановых сплавов электрически изолированным режущим инструментом. В частности, применительно к обработке титановых сплавов не исследовано влияние электрической изоляции режущего инструмента на силу резания и усадку стружки, хотя ряд авторов, и в частности R.Tanaka, сообщают об уменьшении силы резания при обработке конструкционных сталей электрически изолированным режущим инструментом.

Таким образом, актуальность предлагаемой научно-исследовательской работы обусловлена:

1 возрастающими потребностями в продукции из титановых сплавов в

аэрокосмическом, морском и химическом машиностроении, которые

обуславливают рост требований к стойкости режущего инструмента, используемого при обработке титановых сплавов, а также необходимость снижения себестоимости обработки резанием титановых сплавов;

2 необходимостью разработки новых, более совершенных способов электрической изоляции режущего инструмента, которая обусловлена недостатками существующих способов;

3 ростом числа публикаций, посвященных исследованию электрических явлений при резании металлов и электроизоляции как методу повышения стойкости режущего инструмента;

4 недостаточностью данных об эффективности электрической изоляции режущего инструмента при обработке титановых сплавов;

5 существованием пробелов в объяснении явлений, наблюдающихся при работе электрически изолированным режущим инструментом.

Целью диссертационной работы является повышение стойкости режущего инструмента при обработке титановых сплавов методом электроизоляции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать усовершенствованный способ электрической изоляции режущего инструмента, отвечающий требованиям по жесткости инструментальной системы, долговечности изолирующей оснастки и простоте её изготовления и восстановления;

2. Исследовать стойкость режущего инструмента при обработке титановых сплавов в условиях электрической изоляции;

3. Исследовать влияние электрической изоляции режущего инструмента при точении титановых сплавов на силу резания и усадку стружки;

4. Исследовать взаимосвязь между изменением силы резания при точении электрически изолированными резцами изделий из титановых сплавов и стойкостью режущего инструмента;

В ходе работы получены следующие новые научные результаты:

1. Экспериментально доказано существование явления уменьшения силы резания при точении титановых сплавов электрически изолированным режущим инструментом. Предложено объяснение данному явлению, основанное на теории электропластической деформации металлов, из которой следует, что при резании электрически изолированным режущим инструментом титановых сплавов устраняется сила электронного увлечения, являющаяся одним из компонентов силы резания при обработке без использования электроизоляции;

2. Установлено существование корреляционной связи между расчетной силой электронного увлечения и уменьшением силы резания при точении титановых сплавов электрически изолированным режущим инструментом;

3. Установлено существование корреляционной связи между уменьшением силы резания при точении титановых сплавов и увеличением стойкости режущего инструмента. Таким образом, показано, что существующее

объяснение явлению повышения стойкости режущего инструмента в условиях электрической изоляции может быть расширено за счет учета влияния электрической изоляции на силу резания;

4. Получены регрессионные модели зависимости термоЭДС, силы резания и стойкости резцов от параметров режима резания при точении титановых сплавов инструментом, оснащенным твердосплавной неперетачиваемой пластиной, что позволяет прогнозировать соответствующие параметры. Получены регрессионные модели зависимости стойкости сверл от диаметра сверла и скорости резания;

Практическая ценность состоит в том, что:

1. Повышена стойкость резцов, оснащенных твердосплавными пластинами, при обработке титановых сплавов в 1,35-^2,05 раз, и сверл из быстрорежущей стали Р6М5 в 1,66-2,76 раз;

2. Разработан способ электрической изоляции режущего инструмента при обработке титановых сплавов, состоящий в использовании вспомогательного инструмента и специальных приспособлений, изготовленных из титановых сплавов, на поверхности которых методом термического оксидирования создан оксидный слой, обладающий диэлектрическими свойствами (патент РФ №2456125);

3. Предложены технологические параметры термического оксидирования (температура и длительность выдержки в печи), позволяющие создать на поверхности титановых сплавов оксидный слой с повышенным электрическим сопротивлением;

4. Разработаны конструкции вспомогательного инструмента для осуществления электрической изоляции режущего инструмента при обработке резанием титановых сплавов.

Внедрение результатов работы. Разработанный способ повышения стойкости режущего инструмента при обработке титановых сплавов методом электроизоляции, а также соответствующие технологические и конструкторские решения приняты к использованию на ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», г. Верхняя Садда

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования доложены и обсуждены на: 15-й международной научно-практической конференции «Технология упрочнения, нанесения покрытий и ремонта : теория и практика» (Санкт-Петербург, 2013); международной научной школе для молодежи «Материаловедение и металлофизика легких сплавов» (Екатеринбург, 2010); международной заочной конференции «Инженерная поддержка инновации и модернизации» (Екатеринбург, 2010); XII международной научно-технической уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2011); международной заочной научно-практической конференции «Проблемы науки, техники и образования в современном мире» (Липецк, 2012); всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего» (Екатеринбург, 2012); VI

уральской научно-практической конференции «Сварка, реновация, триботехника» (Нижний Тагил, 2013); региональных научно-практических конференциях «Молодежь и наука» (Нижний Тагил, 2010, 2012 и 2013); региональной научно-технической конференции «Наука - образование - производство: опыт и перспективы развития» (Нижний Тагил, 2011); III (2009) и IV (2010) региональных научно-технических конференциях «Образование и производство» (Верхняя Салда).

Публикации по теме. По материалам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ в виде статей и докладов на конференциях международного, всероссийского и регионального уровня, в том числе 4 статьи в журналах из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка (130 наименований) и двух приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, включает 73 рисунка и 36 таблиц.

Работа выполнена при финансовой поддержке молодых ученых УрФУ в рамках реализации программы развития УрФУ в 2011 и 2013 гг., а также на средства государственного задания на выполнение научно-исследовательских работ Н.641.42Г.002/12.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, приведена краткая характеристика работы, показано место работы в машиностроении, изложены основные нерешенные проблемы в рассматриваемой области знания.

В первой главе на основе анализа отечественной и зарубежной литературы рассмотрено современное состояние метода электрической изоляции режущего инструмента. Выявлены основные достоинства и недостатки существующих реализаций данного метода. Приведены основные теоретические объяснения эффективности метода электрической изоляции режущего инструмента. На основе анализа литературы представлены цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе проведено выявление подзадач, представлена методология решения поставленных задач и достижения цели работы.

Для определения влияния электрической изоляции на силу резания и усадку стружки при точении титановых сплавов проведено исследование термоЭДС, силы тока и силы резания при точении. Для экспериментального определения термоЭДС и силы тока при точении титановых сплавов использовалась установка, представленная на Рисунке 1. При исследовании термоЭДС и силы тока при точении использовался резец проходной отогнутый сборный PTTNR 25x25x150, оснащенный твердосплавной пластиной производства Sandvik марки TNMG220408-SF из сплава 1105 без покрытия. ТермоЭДС и сила тока исследовались при обработке титановых сплавов марок ВТ1-0, ОТ4, ВТ6 и VST5553.

Для исследования силы резания при точении титановых сплавов использовалась установка, представленная на Рисунке 2. Экспериментальная установка состоит из укороченной державки резца с отверстием, которая при помощи струбцины крепится к датчику силы балочного типа SBA (Токвес, Россия), который, подобно обычной державке резца, закреплен в резцедержателе станка. Датчик испытывает упругие деформации, в результате чего генерируется ЭДС, поступающая в аналоговый усилитель сигнала, откуда она передается на плату сбора данных N1USB 6210 (National Instruments, США). Плата сбора данных выполняет функции АЦП, и передает оцифрованный сигнал на персональный компьютер.

Рисунок 2. Установка для измерения силы резания: 1 - резец; 2 - балочный тензодатчик БВА; 3 - струбцина; 4 - верхняя и нижняя прокладки из оксидированного титанового сплава ОТ4; 5 - резцедержатель

Рисунок 1. Экспериментальная установка для исследования термоЭДС и силы тока при точении титановых сплавов: 1 - пруток; 2 - резец; 3 - электрический соединитель Мегсйас 110; 4 - шунт 75ШСУЗ (не используется при исследовании термоЭДС); 5 - плата сбора данных 1Ч1-ШВ 6210; 6 -персональный компьютер

Сбор и анализ экспериментальных данных в установках для исследования термоЭДС и силы тока при точении (рис. 1) и силы резания (рис. 2) осуществляли с использованием программного пакета LabVIEW 2010 с использованием дополнения Nl-DAQmx. При этом для идентификации сигнала использовался низкочастотный фильтр Чебышева первого рода с полосой пропускания от 25 до 400 Гц. Частота измерений во всех испытаниях была принята равной 1 кГц.

В качестве возможного решения задачи разработки нового способа электрической изоляции режущего инструмента предложено использовать вспомогательный инструмент и приспособления, изготовленные из титановых сплавов, на поверхности которого методом термического оксидирования создано диэлектрическое оксидное покрытие. Для определения марки сплава для такого вспомогательного инструмента и режимов получения диэлектрического покрытия приведена методика исследования: электрического сопротивления образцов из титановых сплавов на приборе Sonel MIC-1000. твердости титановых сплавов на твердомере ТБ5004, исследования массы оксидной пленки на весах ГОСТМЕТР ВЛТЭ-210 и толщины оксидного слоя на микроскопе Zeiss Observer Dl.

Представлена методика исследования стойкости резцов проходных отогнутых сборных PTTNR 25x25x150, оснащенных неперетачиваемыми пластинами TNMG220408-SF из твердого сплава 1105. Исследование стойкости резцов проводили при обработке титановых сплавов марок ВТ1-0, ОТ4, ВТ6 и VST5553. Износ замеряли после каждого прохода при помощи микроскопа МПБ-3. Критерием затупления был износ по задней поверхности, превышающий величину 0,2 мм.

Для исследования стойкости спиральных сверл при обработке титановых сплавов в условиях электрической изоляции и без таковой, был проведен полный факторный эксперимент. Варьируемыми параметрами в эксперименте были диаметр сверла и скорость резания, а также использование электрической изоляции. Критерием затупления для сверл был износ по задней или по передней поверхности превышающий 0,5 мм, измеренный при помощи микроскопа марки МПБ-3.

Во второй главе также представлена методика промышленных испытаний предлагаемого способа повышения стойкости режущего инструмента, проведенных в условиях ОАО «Корпорации ВСМПО-АВИСМА» при изготовлении детали «Доска трубная» для теплообменника.

В третьей главе представлено решение задачи определения влияния электрической изоляции на силу резания и усадку стружки при точении титановых сплавов. В качестве теоретической базы для исследования использовалась теория электропластической деформации металлов, разработанная в трудах В.И. Спицына, И.Л. Батаронова, Д.Н. Карпинского, C.B. Санникова и O.A. Троицкого. Согласно теории электропластической деформации при пропускании электрического тока через деформируемый проводник на единичную дислокацию действует сила электронного увлечения, определяемая по формуле:

F = BV, (1)

где В - коэффициент электронного торможения дислокаций, имеющий порядок 10~5~10"7 кг/м с; V - дрейфовая скорость электронов в проводнике, м/с, которая определяется по формуле:

еп

где у - плотность тока, А/м2; е - элементарный электрический заряд, равный 1,602-10"19 Кл; п - концентрация электронов, м"3. Знак « - » в формуле (2) означает, что направление движения электронов противоположно направлению вектора плотности тока.

Для определения силы, вызванной действием электрического тока в деформируемом металле необходимо разделить силу электронного увлечения, действующую на единичную дислокацию, на плотность дислокаций, то есть на их количество в рассматриваемом объеме материала, иначе говоря:

Р Р ' (3)

где р - плотность дислокаций, см 2.

Таким образом, поток электронов при резании будет действовать на режущий инструмент силой Рр при этом, согласно третьему закону Ньютона, сила, с которой режущий инструмент воздействует на срезаемый слой, также возрастет на величину /•}. Отсюда следует вывод, что при резании металлов электрически изолированным режущим инструментом сила резания должна будет уменьшаться на величину силы Fj. Уменьшение силы резания приведет к уменьшению усадки стружки в соответствии с результатами, полученными В.В. Архиповым.

Для определения силы электронного увлечения были проведены исследования термоЭДС и силы тока при точении титановых сплавов. По результатам обработки экспериментальных данных получены регрессионные модели:

ВТ 1-0 и = 2,01 - у 0.58 .,0.27 1°-27 1 = 0,21 ,/0.54 ,0.15 (4)

ОТ4 и = 2,35 .,0,29 .,0,13 1 = 0,22 ,/0.28 .,0,19 ,0,12 (5)

ВТ6 и = 2,35 у ом .,0,27 0,13 / = :0,27 .К0.41 .,0.35 ,0,18 (6)

У8Т5553 и = : 1,87 ■ ^0,51 .,0.25. ,0,12 / = = 0,15 .К0'35 ■ ,0,15 (7)

Расчет силы электронного увлечения /•} по формулам (1) - (3) показал, что она варьируется в пределах 14,02^278,04 Н в зависимости от параметров режима резания и обрабатываемого материала. Исследование силы резания при точении титановых сплавов показало, что при использовании электрической изоляции режущего инструмента, сила резания понижается на 2,04^-32,79 %. Величина силы электронного увлечения приведена на Рисунке 3 (при электрической изоляции сила электронного увлечения отсутствует), изменение силы резания продемонстрировано на Рисунке 4.

Исследование влияния электрической изоляции режущего инструмента на усадку стружки показало, что усадка стружки уменьшилась на 7,5^15%. Результаты измерения усадки стружки приведены на Рисунке 5.

Рисунок 3. Сила электронного увлечения при я = 0,67 мм/об; I = 1,00 мм: 1. ВТ1-0, У= 3,96 м/мин; 2. ВТ 1-0, У= 31,41 м/мин; З.ОТ4, К=3,96 м/мин; 4. ОТ4, К= 31,41 м/мин; 5. ВТ6, У= 3,96 м/мин; 6. ВТ6, К= 31,41 м/мин; 7. У8Т5553, У= 3,96 м/мин; 8. У5Т5553, У= 31,41 м/мин.

2000

ДЛ| Изолированный резец | Резец без изоляции

Рисунок 3. Изменение силы резания под действием электрической изоляции при 5 = 0,67 мм/об; / = 1,00 мм: 1. ВТ1-0, У= 3,96 м/мин; 2. ВТ1-0, У= 31,41 м/мин; 3. ОТ4, У= 3,96 м/мин; 4. ОТ4, У= 31,41 м/мин; 5. ВТ6, У= 3,96 м/мин; 6. ВТ6, К= 31,41 м/мин; 7. У5Т5553, К=3,96 м/мин; 8. \ZST5553, 31,41 м/мин.

[ Ц Изолированный резец [ | Резец без изоляции

1 2 3 4 5 6 7 В

Рисунок 5. Изменение усадки стружки под действием электрической изоляции при $ = 0,67 мм/об; Г = 1,00 мм: 1.ВТ1-0, У= 3,96 м/мин, 2. ВТ1-0, У= 31,41 м/мин;З.ОТ4, 3,96 м/мин; 4. ОТ4, У= 31,41 м/мин; 5. ВТ6, У =3,96 м/мин; 6. В'Гб, У= 31,41 м/мин; 7. У5Т5553, У= 3,96 м/мин; 8. У5Т5553, К= 31,41 м/мин.

Н

н О

U Изолированный резей ~J Резец без изоляции

Рисунок 6. Изменение стойкости резцов под действием электрической изоляции при s = 0,67 мм/об; t= 1,00 мм: 1.ВТ1-0, У= 3,96 м/мин, 2. ВТ 1-0, У= 31,41 м/мин; З.ОТ4, К= 3,96 м/мин; 4. ОТ4, К= 31,41 м/мин; 5. ВТ6, К= 3,96 м/мин; 6. ВТ6, У= 31,41 м/мин; 7. VST5553, К= 3,96 м/мин; 8. VST5553, У= 31,41 м/мин.

Методом регрессионного анализа получены следующие математические модели зависимости силы резания от параметров режима резания и электрической изоляции режущего инструмента:

ВТ1-0 ' о,<ш ода /8)

ОТ4 0,029 0.0,6 (9)

ВТ6 (.0)

' у0,031^.0,072 5

У5Т5553 о.оз.о.о.в (Ич

р = 465 47-—--

' "»"-V" ^0,007^0,045 ,

где к - коэффициент, показывающий влияние электрической изоляции на силу резания, равный 10 при работе электрически изолированным инструментом и 0 -при точении без использования электрической изоляции резца.

В четвертой главе представлены результаты разработки усовершенствованного способа электрической изоляции режущего инструмента. Предлагаемый способ состоит в том, что электрическую цепь «станок -инструмент - изделие - станок» разрывают путем применения вспомогательного инструмента и приспособлений, изготовленных из титанового сплава, и подвергнутых термическому оксидированию с целью получения на их поверхности оксидного слоя с повышенным электрическим сопротивлением. При этом указанные приспособления должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Электрическое сопротивление поверхности не должно быть ниже 200 МОм, в соответствии с результатами полученными Ю.М. Коробовым и Г.А. Прейсом;

2. Твердость вспомогательного инструмента должна быть больше, либо равна 269 НВ в соответствии с требованиями ГОСТ 17166-71;

3. Толщина оксидной пленки или относительный прирост массы изделий, определяемый по формуле Атопа = [т^оксидаратша - /и„„ )/таа должны быть по возможности минимальны, так как операция термического оксидирования является заключительной операцией технологического процесса изготовления вспомогательного инструмента или приспособлений с диэлектрическим оксидным покрытием.

Результаты исследования электрического сопротивления, твердости, толщины оксидной пленки и прироста массы образцов из титановых сплавов различных марок, приведенные на Рисунках 7 - 9 и в Таблице 1 показали, что наилучшим сплавом, удовлетворяющим всем вышеназванным требованиям, является сплав ВТЗ-1, а наилучшими режимами термического оксидирования для получения покрытия с повышенным электросопротивлением является выдержка в печи при температуре 750-^800°С в течение 5-5-6 часов.

Ц 750 «С. 6 ч. Я 800 "С, 5 ч.

ВТ1-0 ОТ4 ВТ20 ВТ6 ВТЗ-1 ВТ14 ВТ23 \'5Т5553 Рисунок 7. Результаты измерения электрического сопротивления образцов после термического оксидирования на приборе 8опе1 М1С-1000

0,4500 0,4000 0,3500 0,3000 ^ 0,2500

I 0,2000 <

0,1500

В650'С, 8 ч. О700"С, 7 ч а 750"С, 6 ч В 800'С, 5 ч.

0,1000 0,0500 0,0000

А5

Рисунок 8. Гистограммы относительного привеса образцов

а) б)

Рисунок 9. Микроструктура после термического оксидирования при температуре в течение 6 часов: а) сплава 0'Г4; б) сплава ВТЗ-1

750 °С

Таблица 1

Результаты исследования твердости образцов_

Марка сплава НВ, 10"1МПа

После закалки После старения

650"С, 8 ч 700"С,7 ч 750'С, 6 ч 800"С, 5 ч

ВТ 1-0 201 201 207 201 201

ОТ4 207 207 217 207 201

ВТ20 285 293 277 255 255

ВТ6 321 341 331 321 302

ВТЗ-1 302 352 321 321 293

BTI4 285 293 311 277 255

ВТ23 285 331 321 285 277

VST 5553 262 352 331 302 262

Предлагаемый способ электрической изоляции режущего инструмента изображен на Рисунках 10 и 11,

Рисунок 10. Использование способа электрической изоляции режущего инструмента при точении: 1 - державка; 2 - режущая пластина; 3 и 4-верхняя и нижняя прокладки из оксидированного титана; 5 - винты из оксидированного титана

Рисунок 11. Использование способа электрической изоляции режущего инструмента при сверлении: 1 - сверло, 2 - шпиндель, 3 - переходная втулка, 4 - оксидный слой, 5 — деталь, 6 - стол станка

В пятой главе проведено исследование стойкости режущего инструмента при использовании разработанного способа электрической изоляции режущего инструмента, результаты исследования стойкости режущего инструмента при точении приведены на Рисунке 6. Установлено, что электрическая изоляция приводит к поэышению стойкости токарных резцов в 1,35-2,05 раз. Получены математические модели зависимости стойкости токарных резцов, оснащенных твердосплавной неперетачиваемой пластиной, при обработке титановых сплавов:

ВТ1-0 .0,185 гГ _ "5 "5 СО 1 — .50,00 ^,0_в23 0.026 ^0,024 , (12)

ОТ4 .0,180 Т 40 — ' ^0,041^0,023^0,022 , (13)

ВТ6 ,0.278 Г = 34 53 ' 0,058 ^ 0,043^0.030 , (14)

УБТ5553 ,0.195 Г = 15,51 ' ^/0.049^0,032^0.031 , (15)

где к - коэффициент, показывающий влияние электрической изоляции на силу резания, равный 10 при работе электрически изолированным инструментом и 0 -при точении без использования электрической изоляции резца.

Были рассчитаны частные коэффициенты корреляции между силой электронного увлечения и силой резания, силой резания и стойкостью инструмента, силой электронного увлечения и стойкостью инструмента, а также коэффициент множественной корреляции. Результаты расчета приведены в Таблице 2. Из Таблицы 2 видно, что существует прямая корреляционная связь между величиной силы электронного увлечения и силой резания, обратные корреляционные связи между стойкостью режущего инструмента и силой резания, стойкостью режущего инструмента и силой электронного увлечения, а также множественная корреляция между этими тремя параметрами. Установленные корреляционные взаимосвязи иллюстрируются Рисунками 3-6.

Таблица 2

_ Расчет коэффициентов корреляции _

ВТ1-0__ | ОТ4 | ВТ6 | У8Т5553

Коэффициент корреляции между смой электронного увлечения и силон резания Гх1х2 0,78 1 0,74 [ 0,79 | 0,78

Коэффициент корреляции между стойкостью резцов и силой резания г х ■0,58 | -0,59 [ -0,53 | -0,55

Коэффициент корреляции между стойкостью резцов и силой электронного увлечения г 2 -0,61 I -0,56 1 -0,58 [ -0,56

Коэффициент множественной корреляции И ш 0,63 I 0,62 [ 0,59 | 0,59

Результаты исследования стойкости спиральных сверл приведены в Таблице 3. Из результатов видно, что стойкость спиральных сверл из быстрорежущей стали Р6М5 при обработке титановых сплавов возрастает в

1,66^-2,76 раз. В результате регрессионного анализа получены следующие математические модели зависимости стойкости сверл от параметров режима резания:

без изоляции

ВТ1-0

ОТ4

ВТ6

с изоляциеи

без изоляции

с изоляцией без изоляции

с изоляцией

Г = 0,94-£)1'70/К0'22,

Г = 1,68- Z)"3/F0 '8,

7" = 2,41 ■ £>1,w/F° 31,

7' = 3,15-DUVF0'33, 7' = 0,35•D''"/F'U,,

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

7' = 0,94-£>и7К0'",

где Т - стойкость сверл, мин., й - диаметр сверла, мм., V - скорость резания, м/мин.

Таблица 3

Результаты исследования стойкости спиральных сверл

№ Изоляция d, мм п, об/мин V, м/мин ВТ1-0 ОТ4 ВТ6

Тер, мин. Ти/Г Тер, мин. Тц/Г т 1 ср, мин. Т„АГ

1 + 2,5 180 1,413 9,71 2,16 11,38 1,77 3,96 2,02

2 - 2,5 4,50 6,42 1,96

3 + 2,5 500 3,925 6,09 2,36 5,55 1,66 2,09 2,27

4 - 2,5 2,58 3,34 0,92

5 + 2,5 1000 7,85 5,97 1,97 6,13 1,54 2,16 1,93

6 - 2,5 3,03 3,98 1,12

7 + 3,7 125 1,413 18,91 2,39 16,09 1,83 9,97 2,38

8 - 3,7 7,90 8,79 4,19

9 + 3,7 355 3,925 12,17 2,09 10,13 2,37 4,27 1,62

10 - 3,7 5,83 4,28 2,64

11 + 3,7 710 7,85 13,05 1,79 12,29 2,31 4,88 1,70

12 - 3,7 7,28 5,32 2,87

13 + 5,0 90 1,413 39,50 2,41 29,92 2,28 18,17 1,77

14 - 5,0 16,42 13,13 9,71

15 + 5,0 250 3,925 21,42 2,76 14,59 1,99 6,34 2,00

16 - 5,0 7,75 7,34 3,38

17 + 5,0 500 7,85 23,78 2,54 15,24 1,88 6,55 1,74

18 - 5,0 9,35 8,10 3,77

Промышленные испытания разработанного способа электрической изоляции режущего инструмента проводились в условиях ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» при сверлении трубных досок для теплообменников. Результаты показали, что износ электрически изолированных сверл в 1,25-^2,15 раз меньше, чем у сверл, работающих в обычных условиях. Предложенный способ повышения стойкости режущего инструмента, а также соответствующие

технологические и конструкторские решения приняты к использованию на ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», г. Верхняя Салда.

Расчет экономического эффекта показал, что внедрение предлагаемого способа повышения стойкости металлорежущего инструмента при обработке титановых сплавов позволяет достичь снижения затрат на инструмент на 49,26+60,09 %, при этом снижение затрат на производство составляет 2,39+7,98% или, для рассматриваемых случаев точения и сверления, 159291,00 руб. и 432300,00 руб. соответственно.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан новый способ электрической изоляции режущего инструмента (патент РФ №2456125), состоящий в использовании вспомогательного инструмента и приспособлений, изготовленных из титановых сплавов, на поверхности которых методом термического оксидирования создан диэлектрический оксидный слой. На основании проведенного комплексного исследования свойств титановых сплавов после термического оксидирования определены сплавы для изготовления вспомогательного инструмента и приспособлений с диэлектрическим оксидным слоем -сплавы ВТЗ-1 и ОТ4, и режимы термического оксидирования - в открытой электрической печи при температуре 750+800 °С в течение 4+6 часов;

2. Экспериментальное исследование нового способа повышения стойкости режущего инструмента показало, что электрическая изоляция приводит к уменьшению износа и повышению стойкости:

— в 1,35+2,05 раз при точении титановых сплавов марок ВТ1-0, ОТ4, ВТ6 и УБТ5553 резцами с твердосплавными неперетачиваемыми пластинками из сплава ВК6;

— в 1,66+2,76 раз при сверлении титановых сплавов марок ВТ 1-0, ОТ4, ВТ6 и У8Т5553 сверлами из стали Р6М5;

3. Промышленные испытания предлагаемого способа при сверлении трубных досок для теплообменников в условиях ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» показали, что электрическая изоляция приводит к уменьшению износа сверл в 1,25+2,15 раз. Предложенный способ повышения стойкости режущего инструмента принят к использованию в условиях ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» (Приложение 1);

4. Использование предлагаемого способа повышения стойкости режущего инструмента позволяет сократить расходы на инструмент на 49,26+60,09 %, что приводит к экономическому эффекту, равному 159291,00 руб. и 432000,00 руб. при точении и сверлении изделий из титановых сплавов соответственно.

5. На основе теории электропластической деформации металлов предсказано уменьшение силы резания при работе электрически изолированным режущим инструментом, вызванное исчезновением силы электронного увлечения. Расчет силы электронного увлечения показал, что сила электронного увлечения в зависимости от условий обработки и марки

обрабатываемого титанового сплава изменяется в широких пределах от 14,02 до 278,04 Н.

6. Экспериментальное исследование силы резания и усадки стружки при точении титановых сплавов резцами со сменными твердосплавными неперетачиваемыми пластинами из 1105 показало, что при работе электрически изолированным режущим инструментом сила резания уменьшается на 2,04-32,79 %, а усадка стружки - на 7,5-45%. Полученные экспериментальные результаты подтверждают сделанные теоретические предсказания;

7. Доказано, что существует прямая корреляционная связь между изменением силы резания при точении титановых сплавов электрически изолированным режущим инструментом, и силой электронного увлечения, с которой поток заряженных частиц воздействует на дефекты кристаллической решетки срезаемого слоя, что подтверждается коэффициентами корреляции порядка 0,74-Ю,79. Доказано существование обратной корреляционной связи между силой электронного увлечения и стойкостью режущего инструмента при точении титановых сплавов, подтверждающееся коэффициентами корреляции порядка (-0,56)^(-0,61). Доказано существование обратной корреляционной связи между силой резания и стойкостью режущего инструмента при точении титановых сплавов, подтверждающееся коэффициентами корреляции в пределах (-0,53)^(-0,59). Коэффициент множественной корреляции между этими тремя параметрами находится в пределах 0,59-0,63, что подтверждает существование множественной корреляционной связи между силой электронного увлечения, силой резания и стойкостью токарных резцов.

СПИСОК ПЕЧАТНЫХ ТРУДОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

По теме диссертации опубликовано 18 работ, из них 4 в журналах из перечня ВАК:

1. Медисон, В. В. Применение электроизоляции для повышения стойкости режущего инструмента / В. В. Медисон, В. Ф. Пегашкин, В. И. Голубев // Научно-технический вестник Поволжья. №4, 2011. С. 121 - 124 -ISSN 2079-5920

2. Медисон, В. В. Повышение стойкости режущего инструмента методом электроизоляции / В. В. Медисон, В. Ф. Пегашкин, В. И. Голубев, Д. В. Калашник, С. М. Мурыжников // Технология машиностроения, №10, 2012. С. 13 - 16 - ISSN 1562-322Х

3. Медисон, В. В. Повышение стойкости спиральных сверл при обработке титановых сплавов методом электроизоляции / В. В. Медисон, В. Ф. Пегашкин, В. И. Голубев // Титан, №1, 2013. С. 35 -38 - ISSN 2075-2903

4. Медисон, В. В. Механизм влияния термоэлектрического тока на стойкость инструмента при резании титановых сплавов / В. В. Медисон // Вестник машиностроения, №1, 2014, С. 75 - 78

Патенты:

1. Патент 2456125 Российская Федерация, МПК В23В1/00 В23В35/00. Способ обработки резанием токопроводящим режущим инструментом изделий из металлов и токопроводящих материалов / В. В. Медисон, В. И. Голубев, С. В. Андреев, Д. В. Калашник, С. М. Мурыжников - №2010139707/02 ; заявл. 27.09.2010; опубл. 20.07.2012, Бюллетень изобретений, №20 - 6 с.

Прочие публикации:

1. Медисон, В. В. Исследование поверхностных свойств термически оксидированных титановых сплавов / В. В. Медисон, В. Ф. Пегашкин, В. И. Голубев // Материалы 15-й Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта : теория и практика», Санкт-Петербург : Изд-во Политехнического университета, 2013. С.

2. Медисон, В. В. Способ повышения стойкости металлорежущего инструмента / В. В. Медисон, В. И. Голубев // Материалы международной научной школы для молодежи «Материаловедение и металлофизика легких сплавов» - Екатеринбург : УрФУ, 2010. С. 198 - 200

3. Медисон В. В. Разработка способа повышения стойкости металлорежущего инструмента / В. В. Медисон, В. Ф. Пегашкин // Научные труды международной заочной конференции «Инженерная поддержка инновации и модернизации». Выпуск 1 - Екатеринбург : ИВТОБ, 2010, С. 149- 150

4. Медисон, В. В. Исследование удельного электрического сопротивления поверхности титановых сплавов после термического оксидирования / В. В. Медисон, В. Ф. Пегашкин, В. И. Голубев, Д. С. Пастухов // XII Международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых - Екатеринбург : УрФУ, 2011. С. 328 — 330

5. Медисон, В. В. Разрыв цепи термотока как метод повышения стойкости резцов при обработке титановых сплавов / В. В. Медисон, В. Ф. Пегашкин, В. И. Голубев // Международная заочная научно-практическая конференция «Проблемы науки, техники и образования в современном мире»: сборник научных трудов - Липецк: ВОИР, 2012. С. 116-118

6. Медисон, В. В. Исследование термоЭДС в термопарах «сталь Р6М5 -титановый сплав» / В. В. Медисон, В. Ф. Пегашкин, В. И. Голубев, Д. С. Пастухов, В. В. Медведев // Международная заочная научно-практическая конференция «Проблемы науки, техники и образования в современном мире»: сборник научных трудов - Липецк: ВОИР, 2012. С. 115-116

7. Медисон, В. В. Разработка нового способа повышения стойкости режущего инструмента при обработке титановых сплавов // Сборник материалов всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего» - Екатеринбург : УрФУ, 2012. С. 196 - 198

8. Медисон, В. В. Влияние разрыва цепи термотока на износ / В. В. Медисон, В. Ф. Пегашкин // Сварка. Реновация. Триботехника : тезисы докладов VI

и>

Уральской научно-практической конференции -Нижний Тагил : НТИ (филиал) УрФУ, 2013. С. 57 - 60

9. Медисон, В. В. О повышении стойкости металлорежущего инструмента методом разрыва цепи термотока / В. В. Медисон, В. И. Голубев // Материалы региональной научно-практической конференции «Молодежь и наука» (21 мая 2010 г.) - Нижний Тагил : НТИ (ф) УГТУ-УПИ, 2010. С. 261 -262

Ю.Медисон, В. В. Установка для измерения силы резания при точении / В. В. Медисон // Материалы международной научно-практической конференции «Молодежь и наука» (25 мая 2013 г.) - Нижний Тагил : НТИ (филиал) УрФУ, 2013. С. 73 - 75

11.Медисон, В. В. Применение диффузионной модели вклада термоэлектрических процессов в изнашивание для оценки коэффициента повышения стойкости электрически изолированного режущего инструмента / В. В. Медисон, В. Ф. Пегашкин // Материалы региональной научно-технической конференции «Наука - образование - производство опыт и перспективы развития» - Нижний Тагил: НТИ (ф) УрФУ, 2011. Т.1. С. 60 -61

12.Медисон, В. В. Установка для исследования термоЭДС при резании металлов / В. В. Медисон // Материалы региональной научно-технической конференции «Наука - образование - производство» - Нижний Тагил : НТИ (ф) УрФУ, 2013. С. 32-36

13.Медисон, В. В. Влияние термоэлектродвижущих сил на стойкость металлорежущего инструмента. / В. В. Медисон, В. И. Голубев // Сборник трудов III региональной научно-технической конференции «Образование и производство» - Верхняя Салда : ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», УГТУ-УПИ, 2009. С. 199 - 201

М.Медисон, В. В. Способ повышения стойкости металлорежущего инструмента / В. В. Медисон, В. И. Голубев И Материалы IV региональной научно-технической конференции «Образование и производство» - Верхняя Салда : ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», УрФУ, 2010. С. 166 - 168

Подписано к печати 25.04.2014 Формат 60><90 1/16

Бумага офсетная Гарнитура «Тайме» Ризография

Усл. печ. л. 1,25 Уч.-изд. л. 1,41 Тираж 100 экз. Заказ № 1923

Редакционно-издательский отдел Федеральное государственное автономное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет Имени первого Президента России Б. Н. Ельцина» Нижнетагильский технологический институт (филиал) 622031, г. Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59 Огаечатано в РИО НТИ (филиал) УрФУ