автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование процесса и разработка технологии наплавки металлорежущего инструмента

г/ азе-о

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.791.927.5

БЕЛЯКОВ Александр Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАПЛАВКИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.03.06 - «Технология и машины сварочного

производства»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, доктор технических наук Зубков Николай Семенович

Тверь - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................... 5

ГЛАВА 1. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.

1.1. Перспективы развития производства наплавленного металлорежущего инструмента........................................................... 6

1.2. Анализ технологических процессов наплавки металлорежущего инструмента теплостойкими сталями высокой твердости.............................................................................................. 9

1.3. Анализ возможностей совершенствования технологии наплавки рабочей части металлорежущего инструмента теплостойкими сталями высокой твердости....................................... 22

1.4 Постановка цели и задач исследования.............................. 28

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ И ФЛЮСА НА ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ НАПЛАВЛЕННОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ.

2.1. Влияние жидкотекучести на формирование наплавленного металла. Анализ факторов, влияющих на жидкотекучесть наплавляемых высоколегированных

инструментальных сталей и способы ее повышения......................... 29

2.2 Разработка методики оценки и исследование жидкотекучести наплавляемых высоколегированных

инструментальных сталей.................................................................... 36

2.2.1 Исследование жидкотекучести наплавляемых высоколегированных инструментальных сталей в каналах малого

сечения.................................................................................................. 36

2.2.2 Методика определения жидкотекучести теплостойких сталей высокой твердости............................................ 41

2.2.3 Исследование влияния флюса и содержания серы в порошковой проволоке на жидкотекучесть наплавляемых

теплостойких сталей высокой твердости............................................ 45

Выводы по главе.................................................................................. 52

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЛАВЛЕНИЯ НАПЛАВЛЕННОЙ ТЕПЛОСТОЙКОЙ СТАЛИ ВЫСОКОЙ ТВЕРДОСТИ С КОНСТРУКЦИОННОЙ.

3.1 Влияние качества сплавления на эксплуатационные свойства наплавленного инструмента. Анализ факторов, влияющих на качество сплавления и способы его повышения......... 53

3.2 Разработка методики оценки сплавления наплавленной теплостойкой стали высокой твердости с конструкционной............. 56

3.2.1 Анализ существующих способов оценки качества сплавления............................................................................................ 56

3.2.2 Методика оценки качества сплавления наплавленной рабочей пластины токарного отрезного резца........... 60

3.3 Исследование влияния на качество сплавления технологических параметров наплавки и состава порошковой

проволоки............................................................................................. 62

Выводы по главе.................................................................................. 74

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОСТАВНОГО ТОКАРНОГО ОТРЕЗНОГО РЕЗЦА.

4.1 Разработка конструкции составного токарного отрезного резца с наплавленной режущей частью.............................................. 75

4.2 Технология изготовления токарного отрезного резца с

наплавленной режущей частью......................................................... 80

4.2.1 Разработка технологии изготовления заготовки

рабочей пластины токарного отрезного резца................................... 80

4.2.2 Разработка технологического процесса наплавки

рабочих пластин токарных отрезных резцов..................................... 83

4.2.3 Разработка технологии изготовления токарного

отрезного резца с наплавленной рабочей частью.............................. 95

4.3 Практическая реализация технологического процесса....... 98

4.4 Расчет экономической эффективности предлагаемого

варианта............................................................................................... 119

Выводы по главе.................................................................................. 125

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.............................................................................. 126

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................. 128

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в металлообработке прослеживается тенденция к повышению эффективности производства за счет внедрения ресурсо- и энергосберегающих технологий изготовления инструмента. Это выражается прежде всего созданием металлорежущего инструмента, сочетающего высокие эксплуатационные и технико-экономические характеристики с минимальными затратами на его производство и эксплуатацию. Наиболее рациональным путем достижения поставленных задач является разработка конструкции и технологии изготовления металлорежущего инструмента, обеспечивающего снижение износа и повышение стойкости при обработке материалов резанием.

Особенно актуальна проблема ресурсосбережения для инструмента из теплостойких сталей высокой твердости, с высоким содержанием таких легирующих элементов, как вольфрам, кобальт, молибден и др. Обеспечить рациональное применение дефицитных и дорогостоящих высоколегированных инструментальных сталей возможно только совершенствуя существующие конструкции металлорежущего инструмента и технологию его производства, а также применяя новые инструментальные материалы с улучшенными эксплуатационно-механическими свойствами. Наиболее перспективным направлением в этой области является проектирование и производство составного металлорежущего инструмента, сочетающего в конструкции использование теплостойкой стали высокой твердости и конструкционной. Важная роль в реализации этого вопроса принадлежит наплавке.

ГЛАВА 1.

ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.

1.1 Перспективы развития производства наплавленного металлорежущего инструмента.

В современной металлообработке режущий инструмент должен обеспечивать полную реализацию технологических возможностей станков и обладать высокими технико-экономическими и эксплуатационными характеристиками. Добиться выполнения этих требований возможно только совершенствуя конструкцию и технологию производства металлорежущего инструмента и применяя инструментальные материалы с повышенными механическими и эксплуатационными свойствами [19, 52, 82, 84]. В условиях дефицита высоколегированных инструментальных сталей, содержащих большое количество вольфрама, кобальта, молибдена и др., становится неоправданным использование цельного инструмента из теплостойких сталей высокой твердости. Для рационального использования дорогостоящих инструментальных сталей с высоким содержанием легирующих элементов, целесообразно применение инструмента составных конструкций, сочетающего применение теплостойкой стали высокой твердости и конструкционной. Особенно заметны преимущества составного металлорежущего инструмента изготовленного при значительных объемах выпуска (крупносерийное и массовое производство) [42, 82, 84, 90] и использовании высокоэффективных ресурсосберегающих технологий [29, 49, 81, 97]. Наиболее перспективным направлением работ в этой области является

производство составного инструмента с наплавленной режущей частью [28, 34, 36, 97].

Применение составного металлорежущего инструмента с наплавленной режущей частью в отличие от сварного инструмента с рабочей частью, выполненной целиком из теплостойкой стали высокой твердости, позволяет решать многие проблемы:

- существенно снизить расход дефицитных и дорогостоящих теплостойких сталей высокой твердости, содержащих большое количество легирующих элементов Со, Мо и др.) [79, 88, 97, 100, 101];

- повысить эксплуатационные свойства инструмента (твердость, теплостойкость, износостойкость) [12, 29, 36, 70, 72, 98] при обеспечении требуемых механических характеристик наплавленного металла (прочность, вязкость) [81,105, 106];

- полнее использовать возможности легирования теплостойких сталей высокой твердости [28, 54, 62,70,71].

Достоинствами наплавленного металлорежущего инструмента по сравнению с инструментом с напайными режущими пластинами из теплостойких сталей высокой твердости являются более высокие технико-экономические характеристики (число повторных переточек, срок службы) и механические свойства режущей части [5,104, 105].

В отличие от инструмента с наплавленной режущей частью, рабочая часть металлорежущего инструмента с напайными режущими пластинами ослаблена вследствие относительно низкой прочности припоя, что приводит к снижению его эксплуатационно-механических свойств. Кроме того, при пайке пластин из быстрорежущей стали поверхностный слой напаянной пластины, обладающий меньшим температурным коэффициентом расширения, и корпус резца в процессе

охлаждения после пайки начинают испытывать касательное напряжение вдоль паяного шва после кристаллизации припоя [19]. Так как при повторных переточках поперечные размеры напаянных пластин уменьшаются и прочность пластин с каждой переточкой снижается, касательные напряжения могут вызвать их разрушение. Чтобы после повторных переточек пластины сохраняли свои эксплуатационные свойства и не возникала опасность разрушения паяных швов, суммарная толщина стачиваемого слоя не должна превышать половины длины пластины по задней поверхности и половины ширины - по передней [19, 82].

Наплавленный металлорежущий инструмент имеет монолитную рабочую часть с более высокими эксплуатационными и механическими свойствами. Кроме того, напряжения, возникающие при наплавке в зоне соединения наплавленного металла с основным, незначительны и снимаются при последующей термической обработке [5, 97]. Таким образом, при обеспечении необходимых механических свойств зоны сплавления, суммарная толщина стачиваемого слоя при повторных переточках наплавленного инструмента максимально приближается к размерам наплавленной рабочей части и достигает 95% от его общего объема (у инструмента с напайными быстрорежущими пластинами суммарная толщина стачиваемого слоя не превышает 50% от общего объема пластины), что обеспечивает большее число переточек и, следовательно, почти в два раза больший срок службы наплавленного инструмента [5, 8,19].

1.2. Анализ технологических процессов наплавки металлорежущего инструмента теплостойкими сталями высокой твердости.

Металлорежущий инструмент имеет ряд конструктивных, технологических и эксплуатационных особенностей, которые необходимо учитывать при выборе способа и разработке технологии наплавки [20, 82, 84]. Сюда следует отнести сложную форму наплавленной режущей части, малые объемы наплавленного металла, высокие требования к качеству его поверхности, обеспечение необходимых эксплуатационно-механических свойств и т.д. Форма и размеры наплавленного металла должны быть максимально приближены к геометрии режущей части с целью повышения технологичности изготовления инструмента и уменьшения припусков на последующую механическую обработку наплавленной теплостойкой стали высокой твердости абразивным инструментом. Это объясняется не только экономией дорогостоящей высоколегированной инструментальной стали, но и затрудненной обработкой наплавленного металла, обладающего высокой твердостью. Припуски и качество поверхности наплавленного металла рабочей части должны обеспечивать возможность непосредственно после наплавки и термообработки производить заточку инструмента [5, 8]. Кроме того, в условиях крупносерийного и массового производства технологическим процессом наплавки должны обеспечиваться высокая производительность и непрерывность процесса, предусматривающие возможность автоматизации.

Процессы наплавки, применяемые в настоящее время для изготовления металлорежущего инструмента, достаточно разнообразны и одной из отличительных черт является вид используемых наплавочных

материалов [76, 77, 110, 115]. Наплавка может осуществляться одним либо несколькими электродами, сплошной и порошковой проволокой, а также ленточным электродом. От выбора электродных материалов (порошки, проволока, прутки, лента и т.д.) во многом зависит способ наплавки и обеспечение требуемых свойств наплавленного металла. В ряде случаев предпочтительно использовать порошковую проволоку, что позволяет гибко регулировать химический состав наплавленного металла, вводить в сварочную ванну неметаллические материалы для его металлургической обработки и в конечном итоге получать наплавленный металл с заданными свойствами и требуемым качеством [28, 100].

Рассмотрим подробнее некоторые способы наплавки металлорежущего инструмента и их соответствие указанным выше требованиям. Для изготовления наплавленного инструмента применяется ручная и автоматическая наплавка, в том числе: газовая наплавка, наплавка открытой дугой, автоматическая наплавка под флюсом (керамическим и плавленым), автоматическая и механизированная наплавка в среде защитных газов, электрошлаковая, вибродуговая, электроконтактная, плазменная и др. [13, 34, 42, 80, 99103].

Газовая наплавка - один из способов сварки плавлением, протекающей в условиях частичного оплавления основного металла при использовании высокотемпературного пламени, получаемого при сжигании смеси горючего газа (чаще всего ацетилена) с кислородом. Она может быть использована для изготовления широкого спектра металлорежущего инструмента, так как обеспечивает незначительное проплавление основного металла и дает возможность производить наплавку мелких деталей сложной формы [102]. Однако, при таком способе наплавки возможно науглероживание поверхности основного

металла и повышение содержания углерода в наплавленном, что оказывает неблагоприятное влияние на механические свойства теплостойких сталей высокой твердости [81]. Кроме того газовая наплавка имеет относительно низкую производительность и требует высокой квалификации сварщика, что затрудняет ее применение при изготовлении металлорежущего инструмента.

Ручная дуговая наплавка осуществляется с использованием электродов в виде стержней с покрытием, служащим для защиты ванны жидкого металла от кислорода и азота воздуха, стабилизации дуги, повышения технологичности процесса наплавки и введения легирующих элементов в состав наплавленного металла. Такой способ наплавки металлорежущего инструмента применим для индивидуального и группового изготовления и восстановления малых партий резцов, фрез и т. д. [34, 42].

Заслуживает внимание способ наплавки режущего инструмента электродами ОЗИ-5. [30]. Наплавка режущих кромок инструмента производилась на заготовки из сталей ЗОХГСА, 40Х и др. Использовались электроды ОЗИ-5 по ГОСТ 9466-60 и ТУ 14-4-337-73 с комплексным покрытием, разработанные институтом ЭНИКМАШ и выпускаемые на Московском опытном сварочном заводе. При наплавке такими электродами получается металл, по своим свойствам близкий к сталям с интерметаллидным упрочнением. Для более экономного использования электродного материала и лучшего формирования наплавляемого металла применяли ванный способ. При этом заготовки (рис. 1.1 а) устанавливали в специальное медное водоохлаждаемое приспособление (рис. 1.1 б). С целью предотвращения образования трещин заготовки перед наплавкой нагревали до 400° С. Наплавку вели на постоянном токе обратной полярности; UCB= ЗОВ, 1св.= 220А. Для

обеспечения возможности механической обработки наплавленного металла, после наплавки проводили отжиг по следующему режиму: нагрев до 1000° С и выдержка в течение 6 часов, охлаждение вместе с печью до 600° С и последующее охлаждение на воздухе. После механической обработки инструмент подвергали закалке с целью получения пересыщенного твердого раствора и создания благоприятных условий для выделения интерметаллидов при отпуске. Режим закалки: нагрев в соляной ванне до 800° С и выдержка 16 мин, нагрев в бариевой ванне до 1260° С и выдержка от 3 до 5 мин (в зависимости от размера инструмента), охлаждение в масле. Затем проводили отпуск для увеличения твердости и вязкости металла, снятия закалочных напряжений и достижения наиболее полного превращения

типыгм

г

или

7*

А-А

а)

б)

Рис. 1.1а) заготовка долбежного резца под наплавку; б) приспособление для наплавки, [30]

аустенита. Испытания показали, что резцы, наплавленные электродами ОЗИ-5 данным способом более чем в 2 раза превосходят по стойкости стандартные из стали Р18 при той же твердости.

Технологические трудности при реализации рассмотренного способа наплавки связаны с недостаточным качеством формирования наплавленного металла и сложной термической обработкой. Вследствие указанных выше причин, а также малой производительности, сложности и прерывности процесса, необходимой высокой квалификации сварщика ручная наплавка неприемлема для крупносе