автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Обеспечение вторичного ресурса работоспособности многогранных твердосплавных пластин металлорежущих инструментов комплексным формообразованием их режущей части



}

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ

_УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"_

^ /

р

На правах рукописи.

Президиум ВАК России (решениеот" *т „ „ ^ -

Начлдт

управления ВАК России I

.--—13ЕГГ:--------

УДК 621.9.06.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВТОРИЧНОГО РЕСУРСА РАБОТОСПОСОБНОСТИ МНОГОГРАННЫХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПЛАСТИН МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ КОМПЛЕКСНЫМ ФОРМООБРАЗОВАНИЕМ ИХ

РЕЖУЩЕЙ ЧАСТИ.

Специальность 05.03.01 - процессы механической и физико- технической обработки, станки и инструмент.

Диссертация на соискание ученой

степени доктора технических наук.

Москва 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ.

Введение.......................................................................................................4

1. Состояние проблемы, цели и задачи исследования............................7

2. Исследование износа и возможности и восстановления

ресурса пластин алмазным шлифованием...............................................20

2.1. Исследование возможности восстановления изношенных

пластин и причин снижения их стойкости в процессе эксплуатации........20

2.2. Анализ износа многогранных твердосплавных пластин.......................32

2.3. Разработка оптимального контура переточенных

многогранных пластин....................................................................................50

2.4. Разработка методики и определение допустимых пределов переточки пластин по высоте.........................................................................71

3. Разработка геометрии режущей части многогранных

твердосплавных пластин..............................................................................87

3.1. Разработка методики оптимизации режущей части и формы лезвия многогранных пластин......................................................................................89

3.2.Разработка оптимальных форм режущей части и лезвия многогранных пластин, реализуемых алмазной заточкой.............................99

4. Разработка схем формообразования и профилирование

передней поверхности многогранных твердосплавных пластин...........140

4.1. Профилирование канавок эллипсоидной формы на передней поверхности твердосплавных многогранных пластин..................................142

4.2. Профилирование передней поверхности концентричной

формы..................................................................................................................153

5. Исследование процессов формообразования режущей

части многогранных твердосплавных пластин.........................................160

Состояние вопроса.............................................................................................160

5.1. Определение и исследование доминирующих факторов, приводящих к износу алмазных кругов при заточке

лезвия твердосплавных пластин.........................................................................162

5.2. Расчет тепловых полей в твердосплавной пластине при

заточке алмазным кругом с охлаждением........................................................193

5.3. Исследование факторов, определяющих качество лезвия......................215

5.4. Разработка методики расчета затрат на алмазную шлифовку

и заточку твердосплавных многогранных пластин..........................................227

6. Разработка термомеханического метода обработки многогранных твердосплавных пластин....................................................235

6.1. Анализ методов повышения износостойкости твердосплавных пластин.................................................................................................................235

6.2. Исследование изменений в зоне термомеханического

упрочнения............................................................................................................243

Основные выводы.............................................................................................261

Список литературы............................................................................................264

Приложение 1. Приложение 2

ВВЕДЕНИЕ

Инструмент с многогранными твердосплавными пластинами составляет значительную долю в номенклатуре режущих инструментов в традиционном и автоматизированном производстве. По укрупненным расчетам эти инструменты снимают до 50% стружки в машиностроении. В структуре затрат на эти инструменты от 70 до 90% составляют затраты на приобретение многогранных пластин.

Стоимость пластин возрастает каждый год на несколько процентов, что объясняется существенным удорожанием природных ресурсов и технологии лзводства. Многогранные твердосплавные пластины - это наукоемкие изделия, имеющие разнообразную и точную геометрическую форму, сложный состав, высокое качество лезвий и точность и, как правило, прошедшие упрочняющую обработку, в основном - нанесением покрытий.

В мире существует несколько крупных фирм производящих ногогранные пластины, среди которых Sandvik Coromant, Hertel, Mitsubishi Carbide, Kennametal и др. Анализ цен в последних прейскуранта ведущих оовых производителей показал, что цены на многогранные твердосплавные ^стины находятся в пределе 600 - 1000 долларов за кг. Среди отечественных производителей пластин известны МКТС (Москва), КЗТС (Кировград), завод «Победит» (Владикавказ) и ВНИИТС. Цены МКТС на внутреннем рынке составляют до 40%, а цены КЗТС и др. около 20% от мировых.

Существующая концепция эксплуатации инструментов с многогранными твердосплавными пластинами предполагает, после использования первичного ресурса, возврат отработанных пластин на комбинаты твердых сплавов, переработку их металлургическими средствами и выработку новых пластин практически по безотходной технологии. Тенденция развития технологии производства пластин ориентированна на отказ от шлифовальных и заточных операций и получение высококачественных изделий после прессования и спекания. Стоимость твердосплавного лома на рынке колеблется от 2 до 4

долларов за кг. Позиция фирм, основанная на коммерческих интересах, культивирует техническую политику, исключающую в той или иной форме хотя бы частичное восстановление ресурса пластин. Такая позиция стимулирует появление в публикуемых работах соответствующих технико-экономических обоснований.

Предлагаемая концепция эксплуатации предполагает восстановление изношенных пластин, повторное их использование и последующую сдачу в переработку. Создание вторичного полноценного ресурса работоспособности многогранных твердосплавных пластин предполагает решение вопросов формообразования режущей части и использования рациональных методов упрочнения. Попытки восстановления пластин предпринимаются постоянно на многих предприятиях и рядом исследователей. В основном, перетачивают пластины без покрытий и с простой формой режущей части. Попытки перетачивать пластины со сложной формой передней поверхности, обычно, заканчиваются неудачно из-за несовершенства геометрии режущей части, низкого качества заточки и нестабильности размеров стружкол омател ьны х элементов 9 невозможности обеспечения тех покрытий, что были на новых пластинах.

Цель работы. Создание вторичного ресурса работоспособности многогранных твердосплавных пластин металлорежущих инструментов за счет разработки и изучения рациональной, для этих условий, геометрической формы, технологии формообразования и изменения свойств материала.

Научная новизна заключается в научно- обоснованных технических и технологических решениях по созданию вторичного ресурса работоспособности многогранных твердосплавных пластин металлорежущих инструментов, а именно в:

- формообразовании режущей части многогранных твердосплавных пластин,

разработанных процессах и оборудовании для формообразования режущей части,

- разработанном процессе термомеханического упрочнения. Практическая значимость результатов, полученных в диссертации, заключается в:

- разработанных эффективных и технологичных формах передней и задней поверхности пластин;

- предложенной методике разработки оптимальной геометрии режущей части и лезвия многогранных пластин на основе изучения износа в начальной стадии, определения доминирующих факторов износа и анализа напряженно-деформированного состояния в зоне стружкообразования;

- обосновании норм износа алмазных кругов на бакелитовой связке при заточке режущей части многогранных твердосплавных пластин;

- разработке технологии и оборудования алмазной заточки многогранных твердосплавных пластин, обеспечивающих высокую производительность и низкий расход алмазных кругов;

- разработке процесса термомеханической обработки многогранных пластин и определении области применения метода;

- разработке методики расчета стоимости алмазной заточки многогранных твердосплавных пластин.

Реализация в промышленности. Технология алмазного шлифования многогранных пластин по передней поверхности внедрена на Кировградском заводе твердых сплавов с 1993 г., восстановленные пластины используются с 1986 г. на Омском моторостроительном предприятии им. П.И.Баранова в автопроизводстве на поточных линиях и на станках с ЧПУ в авиационном производстве, с 1989 г. на ОАО Омскагрегат на лицензионном компрессорном производстве. С 1996 г. налажено систематическое восстановление многогранных твердосплавных пластин для предприятий железной дороги.

Запущено в производство две установки для заточки пластин для предприятий Заподно-Сибирской железной дороги.

Результаты работы используются в учебном процессе в Омском государственном техническом университете и Омском государственном университете путей сообщения.

Апробация работы. Основные научные результаты работы докладывались в 1982-1998 г.г. на Международных и Всесоюзных научно- технических конференциях и конгрессах, научно-технических конференциях профессорского состава ОмГТУ и ОмГУПС.

В полном объеме диссертация докладывалась на расширенном заседании кафедры "Металлорежущие станки и инструменты" ОмГТУ и кафедры "Инструментальная техника и технология формообразования" МГТУ СТАНКИН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 42 работы, в том числе 6 авторских свидетельств СССР и патентов России.

1. Состояние проблемы. Цели и задачи исследований.

Многогранные твердосплавные пластины - это сложные высокотехнологичные изделия, выпускающиеся массовыми партиями. Сложная форма передней поверхности, современные методы упрочнения, высокая точность размеров по контуру и качество лезвия, обеспечивают высокие эксплуатационные качества пластин в автоматизированном и традиционном производстве. Износ приводит к изменению формы передней поверхности и размеров пластин, уничтожает упрочняющую обработку лезвия. Повторить исходную форму передней поверхности пластины алмазной заточкой в большинстве случаев невозможно, поэтому можно поставить задачу создания новой формы, но с эффективностью не ниже исходной. Упрочняющая обработка пластин у ведущих фирм развита на высоком научном и техническом

уровне. Замена ее после заточки должна быть обоснованная и эффективная. Поэтому создание вторичного, полноценного ресурса работоспособности многогранных твердосплавных пластин - это сложная научно-техническая задача, решение которой возможно на основе комплексного исследования влияния вопросов рационального формообразования режущей части алмазным шлифованием и использования эффективных методов упрочнения твердых сплавов для конкретных условий обработки. Очевидно, что содержание концепции создания вторичного ресурса может быть разным, но оно должно быть теоретически обосновано, экспериментально подтверждено и практически убедительно апробировано.

Научные основы проектирования и технологии изготовления режущих инструментов разработаны отечественными учеными: И.И.Семенченко, Г.Н.Сахаровым, Г.И.Грановским, С.И.Лашневым, Ю.В.Цвисом,

B.А.Гречишниковым, Т.А.Султановым, Г.Н.Кирсановым, Г.Л.Хаетом и др. Решению различных задач повышению эффективности режущей части инструментов посвящены фундаментальные исследования отечественных и зарубежных ученых А.И. Бетанели, М.Н.Зорева, М.И.Клушина, Т.Н.Лоладзе,

C.С.Можаева, В.Н.Подураева, А.С.Верещаки, В.А. Остафьева, М.Ф. Полетики, Н.В.Талантова, В.К.Старкова и др.

Геометрическая форма режущей части восстановленных пластин должна обеспечивать высокую стойкость, хорошее стружколомание и другие специфические требования, характерные для каждой конкретной операции. Это требует особого подхода к разработке геометрической формы режущей части, связанному с исследованием изменений исходной геометрии пластины на операции и глубокого анализа геометрии с позиций современных достижений теории резания. Исследования напряженно-дсформированного состояния в зоне стружкообразования многочисленны и известны фундаментальные исследования в этой области [3,6,9,14,15,40,41,43,44,55,71,72,73,82,85]. Оптимизация геометрии режущей части - это тоже одна из основных задач

теории резания и инструмента и известны работы в этой области [59,60,61]. Анализ литературы показал, что целенаправленные исследования по геометрии твердосплавных пластин выполнялись в работах [13,34,43,56]. Геометрия режущей части, как следует из них, определяется, в основном, напряженно-деформированным состоянием заготовки в зоне деформации и особенностями операции. Исследования по оптимизации геометрии многогранных твердосплавных пластин в литературе носят, в основном, описательный характер. Это объясняется тем, что конструкции приходят практически только из-за рубежа, а исследования в этой области выполняются в лабораториях зарубежных фирм. Геометрические параметры многогранных твердосплавных пластин определяются, в принципе так же, как и у напайных резцов, но ряд параметров у них изменить нельзя (например задний угол ). Большое влияние на геометрию оказывают особенности операции, связанные с жесткостью и конфигурацией детали и т.д. Как показывает анализ литературы и производственный опыт наиболее надежный способ учета особенностей конкретной операции - это коррекция исходной геометрии с учетом конфигурации износа. Этот метод целесообразен еще и тем, что геометрия многогранных твердосплавных пластин обычно уже оптимальна и подобрана с учетом всех особенностей операции. Повторить ее полностью заточкой, обычно, не возможно, что требует разработки эффективных и высокотехнологичных форм, которые могут быть обеспечены заточкой. Технологичность форм передней поверхности имеет большое значение для стабильности работы восстановленных пластин. Практика показывает, что точность формы передней поверхности должна быть не ниже 0.1 мм, в противном случае стойкость и стружколомание не стабильны. Высокой точности поверхности можно достичь, практически, только если в процессе алмазного шлифования не требуется периодической правки круга и переналадки. Это условие накладывает дополнительные ограничения на выбор схемы шлифования.

Большое влияние на ресурс пластины имеет форма лезвия пластины. В проспектах зарубежных фирм и исследованиях отечественных ученых [62,63,64,13,34,44,] имеются рекомендации по выбору оптимальной формы лезвия в зависимости от ряда факторов, но картина не полная и требует дополнительных исследований и определения внутренних логических связей, хотя бы качественных. Отсюда вытекает задача исследований по формообразованию режущей части переточенных многогранных твердосплавных пластин:

исследовать влияние напряженного состояния в зоне резания на геометрию режущей части и состояние режущей кромки, стойкость и др. эксплуатационные свойства пластин, определить оптимальные параметры геометрии режущей части и лезвия;

- разработать эффективные и соответствующие целям создания вторичного ресурса формы режущей части пластин и методики профилирования.

обосновать и установить функционально целесообразную геометрическую форму режущей части пластин, сочетаемую с технологичностью, адекватной условиям создания вторичного ресурса в машиностроительном производстве.

В литературе есть данные о снижении стойкости и надежности твердосплавных инструментов при эксплуатации из-за образования дефектов в зоне износа и нецелесообразности восстановления их в принципе. Поэтому возникает необходимость исследования стойкости и надежности переточенных многогранных твердосплавных пластин различных форм и из различных материалов и определить для каких материалов, условий и стадий износа это характерно. Кроме того, в процессе алмазной обработки пластины с трещинами, как правило, разрушаются вследствие воздействия больших растягивающих напряжений в зоне контакта круга и заготовки. Алмазная обработка сама может быть источником трещин в твердосплавных пластинах,

поэтому необходимо всестороннее исследование процесса формообразования и обоснование технологии заточки и разработка приемов и рекомендаций по обеспечению их стабильного и высокого качества и точности формы при минимальных затратах и высокой производительности в условиях не специализированного производства. Необходимо так же учитывать, что переточка пластин всегда связана с уменьшением размеров и может привести к изменению условий закрепления их в корпусах инструментов.

Снижение надежности твердосплавных инструментов в процессе эксплуатации - это один из основных принципиальных вопросов при определении целесообразности вос�