автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Определение температуры максимальной работоспособности сменных твердосплавных пластин для повышения эффективности обработки сборным инструментом

На правах рукописи

Тверяков Андрей Михайлович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ МАКСИМАЛЬНОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СМЕННЫХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПЛАСТИН ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ СБОРНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 2 ДЕК 2013

Тюмень - 2013

005543407

005543407

Работа выполнена на кафедре «Станки и инструменты» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Утешев Мирабо Хусаинович.

Официальные оппоненты Шаламов Виктор Георгиевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет), профессор кафедры «Станки и инструмент»

Смолин Николай Иванович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», заведующий кафедрой «Общетехнические дисциплины»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Курганский

государственный университет», г. Курган

Защита состоится 24.12.2013 г. в 09 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.273.09 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского 38, зал имени А.Н. Косухина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре при ТюмГНГУ по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И. А. Бенедиктова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Широкое распространение дорогостоящего металлообрабатывающего оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ) влечет за собой резкий рост стоимости станкоминуты и необходимость интенсификации режимов резания. При этом необходимо отметить, что инструмент является, как правило, наиболее слабым звеном в технологической системе. Это обуславливает необходимость повышения эффективности обработки сборным инструментом со сменными твердосплавными пластинами (СТП).

При эксплуатации инструмента, в процессе нагрева физико-механические характеристики инструментальных материалов изменяются. Поэтому исследование влияния этих характеристик на работоспособность СТП сборных инструментов, а также их изменений под действием температур позволит увеличить ресурс работы СТП сборных инструментов. Существует несколько способов определения температуры максимальной работоспособности СТП, однако каждый из них имеют свои недостатки. В процессе резания участвуют помимо режущего инструмента еще и обрабатываемый материал, свойства которого меняются с изменением температуры резания и соответственно оказывают влияние на работоспособность СТП. Поэтому определение температуры максимальной работоспособности СТП является актуальной проблемой.

Целью работы является определение температуры максимальной работоспособности сменных твердосплавных пластин для повышения эффективности сборных инструментов, определяемой по температурным зависимостям физико-механических характеристик инструментальных и обрабатываемых материалов.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи: 1. Изучить влияние температуры на физико-механические характеристики инструментальных и обрабатываемых материалов.

2. Исследовать взаимосвязь средних длин трещин, возникающих у углов отпечатков при индентировании алмазной пирамидкой и электрической проводимости ИТС, с температурой максимальной работоспособности СТП.

3. Исследовать взаимосвязь коэффициента температурного расширения обрабатываемого материала с температурой максимальной обрабатываемости.

4. Разработать методики определения температуры максимальной работоспособности СТП для повышения эффективности сборных инструментов по температурным зависимостям средних длин трещин, возникающих у углов отпечатков при индентировании алмазной пирамидкой, электрической проводимости и коэффициента температурного расширения ИТС.

5. Разработать алгоритм и программу выбора ИТС по обрабатываемому материалу на основе оптимальной температуры резания, и алгоритм назначения скорости резания, обеспечивающий условия максимальной работоспособности СТП при резании.

Методы исследований. Исследования проводились с использованием фундаментальных положений физики твердого тела, методов экспериментальной механики: влияние температуры на среднюю длину трещин инструментальных твердых сплавов, индентированием СТП алмазной пирамидкой Вик-керса по методике Палмквиста, электрическую проводимость на базе метода «вольтметра-амперметра», с применением новых разработанных установок и приспособлений.

Достоверность обеспечивается использованием фундаментальных теоретических положений физики твердого тела, корректным проведением экспериментальных исследований, не противоречивостью полученных эффектов с ранее известными в данной области. Повышение эффективности сборных инструментов с СТП подтверждено результатами экспериментов и внедрением разработанных методик на производстве.

Научная новизна:

1. Экспериментально установлено, что средняя длина трещин, возникающих у углов отпечатков при индентировании алмазной пирамидкой и электрическая проводимость ИТС, имеют минимальные значения при температуре максимальной работоспособности СТП.

2. Экспериментально установлено, что коэффициент температурного расширения имеет минимальные значения при температуре максимальной обрабатываемости материала.

3. Экспериментально установлено, что максимальная работоспособность СТП обеспечивается путем подбора сочетаний физико-механических характеристик инструментальных и обрабатываемых материалов.

Практическая ценность и реализация результатов исследований:

1. Разработаны методики определения температуры максимальной работоспособности СТП, определяемой минимальными значениями средних длин трещин возникающих у углов отпечатков при индентировании алмазной пирамидкой (патент РФ №2468894) и электрической проводимости ИТС (заявка на патент №201312334 от 21.05.2013) от температуры.

2. Разработана методика определения температуры максимальной обрабатываемости материала, определяемой по зависимости его коэффициента температурного расширения от температуры.

3. Разработан алгоритм и программа выбора ИТС по обрабатываемому материалу на основе оптимальной температуры резания, обеспечивающая условия максимальной работоспособности СТП.

4. Разработан алгоритм назначения скорости резания для обеспечения условия максимальной работоспособности СТП и повышения эффективности обработки сборным инструментом.

5. Разработана экспериментальная установка для определения температуры максимальной работоспособности СТП на основе их электрической проводимости (патент №133764).

Разработанные методики и новые технические решения приняты к внедрению в ОАО «Завод Тюменгазстроймаш», ОАО «Томский Завод Измерительной Аппаратуры».

Результаты исследований используются при подготовке студентов по направлениям: «Технологические машины и оборудование», «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

На защиту выносятся:

1. Способ определения температур максимальной работоспособности СТП по минимальным значениям температурной зависимости средних длин трещин возникающих у углов отпечатков при индентировании алмазной пирамидкой (патент РФ №2468894) и электрической проводимости ИТС (заявка на патент №201312334 от 21.05.2013).

2. Способ определения температур максимальной обрабатываемости материала по минимальным значениям температурной зависимости коэффициента температурного расширения.

3. Схема выбора ИТС по обрабатываемому материалу.

Апробация работы и' публикации. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на двух всероссийских научно-практических конференциях «Новые технологии - нефтегазовому региону» (г.Тюмень, 2012, 2013 г.) и на международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 2013 г.). Опубликованы 17 работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, и одна монография (в соавторстве).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы: основной текст содержит 144 страницы, включая 76 рисунков и 20 таблиц; список литературы включает 110 наименований источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований и изложено краткое содержание работы.

В первой главе приведен литературный обзор экспериментальных и теоретических исследований по теме диссертации.

Проблеме повышения эффективности обработки резанием и обеспечения прочности и работоспособности режущего инструмента посвятили свои работы ученые: Андреев B.C., Балакшин Б.С., Бетанели А.И., Бобров В.Ф., Васин С.А., Верещака A.C., Гордон М.Б., Грановский Г.И., Гречишников В.А., Григорьев С.Н., Даниелян A.M., Древаль А.Е., Зорев H.H., Кабалдин Ю.Г., Клушин М.И., Кирсанов C.B., Кушнер B.C., Лоладзе Т.Н., Макаров А.Д., Маргулис Д.К., Мелихов В.В., Мирнов И.Я., Остафьев В.А., Петрушин С.И., Подпоркин В.Г., По-дураев В.Н., Полетика М.Ф., Промтов А.И., Прибылов Б.П., Резников А.Н., Ро-зенберг А.М., Розенберг Ю.А., Старков В.К., Силин С.С., Соломенцев Ю.М., Талантов Н.В., Тахман С.И., Третьяков И.П., Хает Г.Л., Хворостухин A.A., Ша-ламов В.Г., Утешев М.Х., а также Артамонов Е.В., Барбышев Б.В, Василега Д.С., Василькович В.А., Ефимович И.А., Костив В.М., Некрасов Ю.И., Помига-лова Т.Е., Чуйков P.C.

Из литературного анализа следует, что определяющими в процессе обработки материалов резанием являются температурно-силовой фактор в сочетании с физико-механическими характеристиками инструментальных и обрабатываемых материалов. Дан краткий анализ рассмотренных работ, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приведено описание и представлен анализ способов определения условий максимальной работоспособности СМП из ИТС. Дано описание разработанных способов и устройств, методики проведения экспериментов, планирования и обработки результатов экспериментов.

На основании проведенного анализа была выдвинута гипотеза о возможности определения температуры максимальной работоспособности СТП по

Ж* 1

Яр 9 ж , - 1 - tl

&ж | f : 'г j ії JHf»! ^ 'ЩшШШШШФ

1 *• • Щ' НИ

- ' . ' 'і !' ' • „

■ А і

»<«*»•■ МІ ■ * гт*.—

V

4

у

ЖЯЯШ

■Ж '

температурной зависимости значений средних длин трещин, возникающих у углов отпечатков при индентировании алмазной пирамидкой ИТС, как показано на рисунке 1, характеризующих вязкость разрушения.

На рисунке 2 представлена температурная зависимость

средних длин трещин 4р для од-нокарбидного твердого сплава ВК8 в интервале температур от 400 до 1000°С. Каждая точка графика соответствует среднеарифметическому результату трех измерений средней длины трещины /ср при данной температуре. Сравнительный анализ полученной в настоящей работе температурной зависимости /ср = f (©) с результатами экспериментальных исследований Артамонова Е.В. и Василега Д.С., показывает незначительное расхождение значений температурных интервалов, принимаемых за температуру максимальной работоспособности СТП.

Таким образом, подтверждается гипотеза, что ИТС

Рисунок 1 индеї ітирования

'л J- - . І

Jk

Трещины после

По результатам исследования автора Патентно 2468894

1100 0, С

По результатам исследования Артамонова Е.В. Василега Д.С.

Рисунок 2 - Зависимости характеристик имеет температурный интервал вязкости разрушения инструментального твердого сплава ВК8 (1ср, Kic) от температуры испытаний 0(°С)

минимальных значении сред-

них длин трещин /ср, который соответствует температурам максимальной работоспособности СТП. Так как разработанный способ, связан со сложностью использования экспериментального комплекса, разработана еще одна методика определения температур максимальной работоспособности.

Известно, что теплопроводность материалов меняется в зависимости от температуры, а по закону Видемана-Франца-Лоренца - отношение коэффициента теплопроводности к удельной электрической проводимости для всех металлов приблизительно одинаково и изменяется пропорционально абсолютной температуре. Теплопроводность и электропроводность связаны друг с другом

В соответствии с законом, при изменении теплопроводности пропорционально изменяется электропроводность металлов. На основании этого была

11 Ю 9 в 7

-Ф-

о*

\ 1

п Г1

- 6

л з

ч 4

5

. 6, : 12 •

б

а) схема устройства; б) фотография устройства Рисунок 3 - Устройство для определения электрической проводимости твердосплавных режущих пластин при их нагревании.

высказана гипотеза о возможности определения температуры максимальной работоспособности СТТ1 по температурной зависимости электрической проводимости ИГС, которую определить проще, чем среднюю длину трещин. Для исследования электрической проводимости ИГС был использован метод «волымегра-амперметра», предназначенный для определения электрического сопротивления. Для реализации метода было разработано устройство, которое представлено на рисунке 3. Устройство состоит из столика и системы питания.

и'

(1)

10.13 10.12 10.11 10,1 > 10.09 1 10.08 10.07 10.05 10.05 10,04

где /- сила тока; U - напряжение.

По результатам эксперимента были получены температурные зависимости электрической проводимости G пластинок из твердых сплавов ВК6, ВК8, ВКЮХОМ, ВРК15, в интервале температур от 400°С до 1000°С, характерном для процесса резания металлов, представленных на рисунке 4. На графиках можно выделить три участка: на первом участке наблюдается падение электрической проводимости; второй участок - область минимальных значений электрической проводимости; на третьем участке наблюдается повышение значений электрической проводимости. Сравнительный анализ полученных температурных зависимостей G =f(0) с результатами экспериментальных исследований средних длин трещин ИТС, возникающих у углов отпечатков при ин-дентировании алмазной пирамидкой, как показано на рисунке 2, свидетельствует о незначительном расхождении значений температур максимальной

а - ВК6; б - ВК8; в - ВКЮХОМ; г - ВРК15работоспособности для сплава ВК8: по Рисунок 4 - Графики зависимостей

электропроводности - 630-750 С, по

электрической проводимости сменных твердосплавных пластин (16x10x4) средним длинам трещин - 550-750°С. группы ВК от температуры

1 II ш Ф /ф- ф\й»

V* ф

< Эм? •

Таким образом, в результате исследования влияния температуры на электрическую проводимость установлено, что ИТС имеет температурный интервал минимальных значений электрической проводимости, которая с достаточной точностью соответствует температуре максимальной работоспособности СТП, что доказывает сформулированную гипотезу. Это доказывает соответствие температур, при которых электрическая проводимость имеет минимальные значения, температурам максимальной работоспособности ИТС.

В третьей главе приведены результаты исследования возможности применения температурных зависимостей коэффициента температурного расширения обрабатываемых материалов, для определения температуры их максимальной обрабатываемости.

Известно, что свойства материалов с изменением температуры меняются. Построением по справочным данным графиков зависимостей характеристик пластичности (относительное удлинение, относительное сужение) некоторых материалов установлено, что при определенной температуре наблюдается снижение пластичности материалов. Можно предположить, что этой температуре необходимо приложить меньшее усилие для разрушения данного материала, что обеспечивает их максимальную обрабатываемость резанием.

Однако ограниченность сведений по данному параметру предопределила поиск других чувствительных характеристик. В результате анализа справочных

э 10,5

11.5

12

14Х17Н2

о

данных и экспериментальных исследований материалов разных групп обрабатываемости

14Х17Н2, ЗОХГСА, 09Г2С было

10

установлено, что при определенной температуре коэффициент температурного расширения име-

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента линейного температурного расширения (а) стали 14Х17Н2 от температуры

ет минимальные значения, как

показано на рисунках 5-7. На ос-

новании этого была высказана еще одна гипотеза о возможности определения температуры максимальной обрабатываемости материала по минимальным значениям коэффициента температурного расширения на температурной зависимости. Для проверки этой гипотезы необходимо было сравнить полученные результаты определения коэффициента температурного расширения с характером изменения других свойств обрабатываемого материала, характеризующих его обрабатываемость.

В результате экспериментальных исследований сталей, например 14Х18Н2 при точении, было установлено, что при скорости резания 115 м/мин и температуре резания 780°С, усадка стружки ({;) а также сила резания (Р2) имеют минимальные значения, а путь резания - максимальное значение,

ЗОХГСА

Рисунок 6 - Зависимости коэффициента линейного температурного расширения (а) стали ЗОХГСА от температуры

Рисунок 7 - Зависимости коэффициента линейного температурного расширения (а) стали 09Г2С от температуры

Рисунок 8 - Зависимости усадки стружки (Q, относительного поверхностного износа по задней поверхности (hom), силы резания (Pz), температуры (0) от скорости резания (V) при обработке резцами с СМП (14Х17Н2, ВК8, S=0,43M/MHH,

t=l,5MM)

как показано на рисунке 8. При этом снижается пластичность и прочность обрабатываемого материала, а обрабатываемость имеет максимальные значения, как и работоспособность инструмента. Сравнительный анализ полученных экспериментальных результатов показал, что температура максимальной обрабатываемости входит в температурный интервал минимальных значений коэффициента температурного линейного расширения 750-820°С.

Таким образом, в результате исследований влияния температуры на свойства материалов установлено, что температура, при которой коэффициент температурного расширения имеет минимальное значения, с достаточной точностью соответствует температуре максимальной обрабатываемости материала. При этом, испытания по определению коэффициента температурного расширения можно провести практически на любом машиностроительном предприятии имеющем термическую печь.

В четвертой г лаве приведена практическая реализация результатов работы.

Предложена схема выбора ИТС по обрабатываемому материалу на основе их физико-механических характеристик.

Схема выбора рационального сочетания ИТС и обрабатываемого материала приведена на рисунке 9. На температурной зависимости коэффициента температурного расширения обрабатываемого материала выявляют температуру максимальной обрабатываемости, сравнивают его с температурой максимальной работоспособности СТП и выбирают ИТС, у которого сравниваемые температуры наиболее близки или совпадают. При соответствии температуре максимальной обрабатываемости нескольких ИТС выбирают ИТС с наибольшим значением электрической проводимости, т.к. по закону Видемана — Франца — Лоренца выше будут и значения теплопроводности. Схема реализуется следующим образом: по минимальным значениям зависимости коэффициента температурного расширения данного обрабатываемого материала от температуры, определяется температура его максимальной обрабатываемости, например, для

сплава 14Х17Н2 (©м.о.=750-820°С). Затем подбирается инструментальный твердый сплав с совпадающим диапазоном температур максимальной работоспособности - это сплавы ВК6, ВК8, ВРК15. Следует применять сплав ВК8, который имеет большее значение электропроводности. Для подтверждения адекватности схемы выбора были проведены испытания обрабатываемости сплавов 14Х17Н2, ЗОХГСА, 10X11H23T3MP на разных скоростях резания. Согласно схеме, обработку сплава 14Х17Н2 следует проводить инструментом из ИТС ВК8, с температурой резания 750°С.

Рисунок 9 - Схема выбора По Результатам обработки стали рационального сочетания ИТС и 14Х17Н2 при разных скоростях реза-обрабатываемого материала ния, как показано на рисунке 8, по-

лучена помимо максимальной обрабатываемости еще и максимальная работоспособность при температуре 780°С. Эти данные с точностью до 5% коррелируют с температурой, полученной по схеме выбора ИТС по обрабатываемому материалу.

Таким образом, разработана схема выбора рационального сочетания ИТС и обрабатываемого материала, обеспечивающая максимальную работоспособность режущего инструмента.

Схема основана на двух методиках определения температур максимальной работоспособности СТП: первая базируется на установленной зависимости значений средних длин трещин, возникающих у углов отпечатков при инденти-ровании алмазной пирамидкой ИТС от температуры, а вторая - на определении зависимости электрической проводимости ИТС от температуры.

10,09 ч 10.07 £ 10,05 3 10.03 10,01 9,99

22

20

18

о 16

d И

12

10

ШП

| №-

550 600 650 700 750

(м) "С

850 900 950

I lOxWkBSf

□ cfcHium

К SS3

в Сз

550 600 650 700 750 800 850 900 950

в. °Г

Обе методики можно использовать для определения диапазона температур максимальной работоспособности СТП, но предпочтение следует отдать второй методике, т.к. она имеет более простую процедуру и более простое устройство для проведения испытаний.

Разработана методика определения температуры максимальной обрабатываемости материала, включающая установление зависимости коэффициента температурного расширения обрабатываемого материала от температуры в интервале от 600 до 1150 °С и определение температуры максимальной обрабатываемости материала. В качестве температуры максимальной обрабатываемости материала принимают температуру, соответствующую минимальным значениям коэффициента температурного расширения обрабатываемого материала.

На базе схемы, представленной на рисунке 9, разработан алгоритм и программа выбора ИТС по обрабаты-

С НАЧАЛО >

ваемому материалу на основе оптимальной температуры резания, который показан на рисунке 10. Поиск ИТС осуществляется сопоставлением известной температуры максимальной обрабатываемости с температурой максимальной работоспособности СТП. В базу данных программы входит более 100 обрабатываемых материалов и 6 инструментальных материалов. Окно про-

Рисунок 10 - Алгоритм выбора ИТС по ^аммы представлено на рисунке обрабатываемому материалу 11 •

Выбор ИТС л о обрабатываемому материалу 01

/ Вдов !

йа Увеличить

V, - - на 1м/пин

Рисунок 11 - Окно программы

Предложен представленный на рисунке 12 алгоритм назначения скорости резания для обеспечения условия максимальной работоспособности СТП и повышения эффективности обработки сборным инструментом. Контроль температуры в зоне резания может быть осуществлен с помощью тепловизора, либо резца-датчика. Режимы резания задаются по справочным

Рисунок 12 - Алгоритм данным, далее в процессе обработки, полуназначения скорости резания чая данные 0 температуре в зоне ре3ания,

изменяется скорость резания за счет изменения частоты вращения шпинделя. Таким образом, повышается эффективность обработки сборным инструментом. Основные выводы и результаты работы

1. Установлено, что при изменениях физико-механических характеристик инструментальных и обрабатываемых материалов при определенной температуре ИТС обеспечивается максимальная работоспособность СТП, а у обрабатываемых материалов обеспечивается максимальная обрабатываемость.

2. Экспериментально установлено, что средняя длина трещин, возникающих у углов отпечатков при индентировании алмазной пирамидкой, и электрическая проводимость ИТС имеют минимальные значения при температуре максимальной работоспособности СТП.

3. Экспериментально установлено, что у исследованных обрабатываемых материалов минимальные значения коэффициента линейного температурного расширения отмечаются при температуре максимальной обрабатываемости материала.

4. Установлено экспериментально, что максимальная работоспособность СТП обеспечивается путем подбора сочетаний физико-механических характеристик инструментальных и обрабатываемых материалов.

5. Разработаны методики определения температуры максимальной работоспособности СТП, определяемые минимальными значениями средних длин трещин возникающих у углов отпечатков при индентировании алмазной пирамидкой (патент РФ №2468894) и электрической проводимости ИТС (заявка на патент №201312334 от 21.05.2013) от температуры.

6. Разработана методика определения температуры максимальной обрабатываемости материала, определяемой по зависимости его коэффициента температурного расширения от температуры.

7. Разработан алгоритм и программа выбора ИТС по обрабатываемому материалу на основе оптимальной температуры резания, обеспечивающая условия максимальной работоспособности СТП.

8. Разработан алгоритм назначения скорости резания для обеспечения условия максимальной работоспособности СТП и повышения эффективности обработки сборным инструментом.

9. Разработана экспериментальная установка для определения температуры максимальной работоспособности СТП на основе их электрической проводимости (патент №133764).

10. Разработанные методики переданы для внедрения в ОАО «Завод Тюменгазстрой-маш», ОАО «Томский Завод Измерительной Аппаратуры» в виде РТМ выбора ИТС по обрабатываемому материалу на основе оптимальной температуры резания.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК:

1. Артамонов, Е.В. Определение температуры максимальной работоспособности сменных режущих пластин из инструментальных твердых сплавов. / Е.В. Артамонов, Д.С. Василега, A.M. Тверяков // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии.-2013.-№ 3 (123).-С. 56—58 — Библиогр.: с. 58.

2. Артамонов, Е.В. Определение температуры максимальной работоспособности твердосплавных режущих пластин. / Е.В. Артамонов, Д.С. Василега, A.M. Тверяков // СТИН. - 2013. - № 11. - С. 15-17.

3. Артамонов, Е.В. Повышение эффективности обработки деталей газотурбинных двигателей твердосплавными режущими пластинами. / Е.В. Артамонов, Д.С. Василега, А.М.Тверяков // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ.-2013.-№5.-С. 112-115. - Библиогр.: с. 115.

Монография:

4. Артамонов, Е.В. Механика разрушения и прочность сменных режущих пластин из твердых сплавов. / Е.В. Артамонов, Т.Е. Помигалова, А.М. Тверяков, М.Х. Утешев /монография / под общ. ред. М.Х. Утешева. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2013. —148 с.

Патенты:

5. Пат. №2468894 Российская Федерация, МПК В23В1/00.Способ определения температуры максимальной работоспособности твердосплавных режущих пластин / Артамонов Е.В., Василега Д.С., Кусков В.Н., Тверяков A.M.; заявитель и патентообладатель Тюменский государственный нефтегазовый университет (RU). - №2011137730/02; заявл. 13.09.2011; опубл. 10.12.2012; Бюл.№34.

6. Пат. №133764 Российская Федерация, МПК В23В1/00. Установка для определения температуры максимальной работоспособности твердосплавных режущих пластин / Артамонов Е.В., Василега Д.С., Тверяков A.M.; заявитель и патентообладатель Тюменский государственный нефтегазовый университет (RU). - №2013125808/02; заявл. 04.06.2013; опубл. 27.10.2013 Бюл.№30.

В других научных изданиях:

7. Тверяков, А.М. Определение условий максимальной обрабатываемости материала / А.М. Тверяков // Молодые исследователи - регионам: Материалы всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. В 2-х т. - Вологда: ВоГТУ, 2009. -С 213-215.

8. Василега, Д.С. Применение температурных зависимостей физико-механических характеристик материалов для определения температуры максимальной обрабатываемости материала. / Д.С. Василега, A.M. Тверяков // Новые технологии — нефтегазовому региону: Материалы всероссийской научно-практической конференции. Т. 2; под ред. В.И. Бауэра. - Тюмень: ТюмГНГУ. - 2010. - С 108-110.

9. Тверяков, А.М. Оптимизация режимов резания при обработке деталей газотурбинных двигателей. / A.M. Тверяков // Новые технологии — нефтегазовому региону: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Т. II / под ред. Е. А. Григорьян. — Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - 272 с. - С 86-87.

Ю.Артамонов, Е.В. О взаимосвязи физико-механических характеристик обрабатываемых материалов и температур резания. / Е.В. Артамонов, Д.С. Василега, A.M. Тверяков // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы V научно-технической интернет-конференции с международным участием / под ред. А. А. Силича. - Тюмень : ТюмГНГУ, 2010. - 244 с. - С 1516.

11. Василега, Д.С. Определение температуры максимальной работоспособности твердосплавных режущих пластин. / Д.С. Василега, A.M. Тверяков, Ю.А. Лактионова // Новые технологии - нефтегазовому региону: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Т. 2; - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. - 284 с. — С. 128-129.

12. Василега, Д.С. Определение обрабатываемости материалов по физико-механическим характеристикам. / Д.С. Василега, A.M. Тверяков, Е.В. Якубовская // Новые технологии - нефтегазовому региону: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Т. 2; - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. - 284 с. — С. 161.

13. Артамонов, Е.В. Диаграмма выбора инструментального твердого сплава по обрабатываемому материалу. /Е.В. Артамонов, Д.С. Василега, A.M. Тверяков // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы V научно-технической интернет-конференции с международным участием / отв. ред. Р. Ю. Некрасов. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. - 220 е.- С. 11-13.

14. Артамонов, Е.В. Определение обрабатываемости материалов по коэффициенту линейного теплового расширения. / Е.В. Артамонов, Д.С. Василега, A.M. Тверяков // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы V научно-технической ингернег-конференции с международным участием / отв. ред. Р. Ю. Некрасов. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. - 220 е.- С. 65-69.

15. Василега, Д.С. О взаимосвязи коэффициента линейного теплового расширения с обрабатываемостью материалов. / Д.С. Василега, А.М. Тверяков // Новые технологии -нефтегазовому региону: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Т.1. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2013. - 368 е.- С. 128-130.

16. Артамонов, Е.В. Обрабатываемость деталей газотурбинных двигателей. /Е.В. Артамонов, Д.С. Василега, А.М. Тверяков // Наука и технологии. Краткие сообщения XXXIII Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий. Том 1. - Ми-асс: МСНТ, 2013. - 144с,- С. 139-141.

17. Артамонов, Е.В. Повышение эффективности механической обработки деталей газотурбинных двигателей. / Е.В. Артамонов, Д.С. Василега, А.М.Тверяков, A.C. Штин // Нефть и газ Западной Сибири: материалы международной научно-технической конференции. Т.2. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2013. - 219 е.- С. 136-140.

Подписано в печать 21.11.2013 Формат 60*90 1/16 Усл. печ. л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ № 1981 Библиотечно-издательский комплекс федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38 Типография библиотечно-издательского комплекса. 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.

Тюменский государственный нефтегазовый университет

На правах рукописи

04201453883

Тверяков Андрей Михайлович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ МАКСИМАЛЬНОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СМЕННЫХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПЛАСТИН ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ОБРАБОТКИ СБОРНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-

технической обработки

диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Утешев М.Х.

Тюмень - 2013

Оглавление

Глава 1 Состояние вопроса.............................................................................................9

1.1 Выбор инструментальных твердых сплавов..........................................................9

1.2 Работоспособность режущих инструментов........................................................15

1.3 Инструментальные твердые сплавы......................................................................45

1.4 Методы нагрева.......................................................................................................48

1.5 Понятие обрабатываемости материалов резанием..............................................57

1.5.1 Основные направления исследований обрабатываемости..............................59

1.5.2 Методы ускоренного определения обрабатываемости металлов...................61

1.6 Влияние химического состава на обрабатываемость материалов.....................66

1.6.1 Влияние примесей на свойства стали.................................................................67

1.6.2 Легирующие элементы и их влияние на свойства стали..................................68

1.7 Цель и задачи диссертационного исследования..................................................69

Глава 2 Экспериментальные исследования работоспособности СТП.....................71

2.1 Анализ существующих способов определения температур максимальной работоспособности СТП...............................................................................................71

2.2 Определение температуры максимальной работоспособности СТП по средним длинам трещин...............................................................................................................73

2.3 Определение температуры максимальной работоспособности СТП по электрической проводимости.......................................................................................79

2.3.1 Анализ методов определения сопротивления...................................................80

2.3.2 Экспериментальное исследование проводимости СТП цифровым комбинированным прибором.......................................................................................83

2.3.3 Экспериментальное исследование проводимости СТП методом вольтметра -

амперметра.....................................................................................................................85

Глава 3 Определение обрабатываемости материалов...............................................95

3.1 Анализ физико-механических характеристик обрабатываемых материалов.. 95

3.2 Экспериментальные исследования коэффициента температурного

расширения..................................................................................................................107

Глава4 Практическая реализация работы.................................................................115

4.1 Методики определения условий максимальной работоспособности и обрабатываемости материалов...................................................................................115

4.2 Схема выбора ИТС по обрабатываемому материалу........................................117

4.3 Доказательство схемы...........................................................................................118

4.4 Программа выбора ИТС по обрабатываемому материалу................................120

4.5 Алгоритм назначения скорости резания.............................................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................124

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................126

Введение

Актуальность. Широкое распространение дорогостоящего металлообрабатывающего оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ) влечет за собой резкий рост стоимости станкоминуты и необходимость интенсификации режимов резания. При этом необходимо отметить, что инструмент является, как правило, наиболее слабым звеном в технологической системе. Это обуславливает необходимость повышения эффективности обработки сборным инструментом со сменными твердосплавными пластинами (СТП).

В настоящее время выбор инструментального твердого сплава (ИТС) осуществляется по справочным данным, либо по рекомендациям заводов изготовителей режущего инструмента. Однако рекомендации довольно общие и одному обрабатываемому материалу может соответствовать несколько марок инструментальных материалов. А какой из предлагаемых материалов будет наиболее подходящим не понятно.

При эксплуатации инструмента, в процессе нагрева, физико-механические характеристики инструментальных материалов изменяются. Поэтому исследование влияния этих характеристик на работоспособность СТП сборных инструментов, а также их изменение в зависимости от температуры, позволит увеличить ресурс работы СТП сборных инструментов. Существует несколько способов определения температуры максимальной работоспособности СТП, однако каждый из них имеют свои недостатки. В процессе резания участвуют помимо режущего инструмента еще и обрабатываемый материал, свойства которого также оказывают влияние на работоспособность СТП. Поэтому определение температуры максимальной работоспособности СТП является актуальной проблемой.

Целью работы является определение температуры максимальной работоспособности сменных твердосплавных пластин для повышения эффективности обработки сборным инструментом, определяемой по температурным зависимостям физико-механических характеристик инструментальных и обрабатываемых материалов.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучить влияние температуры на физико-механические характеристики инструментальных и обрабатываемых материалов.

2. Исследовать взаимосвязь средних длин трещин, возникающих у углов отпечатков при индентировании алмазной пирамидкой и электрической проводимости ИТС, с температурой максимальной работоспособности СТП.

3. Исследовать взаимосвязь коэффициента температурного расширения обрабатываемого материала с температурой максимальной обрабатываемости.

4. Разработать методики определения температуры максимальной работоспособности СТП для повышения эффективности сборных инструментов по температурным зависимостям средних длин трещин, возникающих у углов отпечатков при индентировании алмазной пирамидкой, электрической проводимости и коэффициента температурного расширения ИТС.

5. Разработать алгоритм и программу выбора ИТС по обрабатываемому материалу на основе оптимальной температуры резания, и алгоритм назначения скорости резания, обеспечивающий условия максимальной работоспособности СТП при резании.

Методы исследований. Исследования проводились с использованием фундаментальных положений физики твердого тела, методов экспериментальной механики: влияние температуры на среднюю длину трещин инструментальных твердых сплавов, индентированием СТП алмазной пирамидкой Виккерса по методике Палмквиста, электрическую проводимость на базе метода «вольтметра-амперметра», с применением новых разработанных установок и приспособлений.

Достоверность обеспечивается использованием фундаментальных теори-тических положений физики твердого тела, корректным проведением экспериментальных исследований, не противоречивостью полученных эффектов с ранее известными в данной области. Повышение эффективности сборных инструментов с СТП подтверждено результатами экспериментальных исследований и внедрением на машиностроительные предприятия разработанных методик.

Научная новизна:

1. Экспериментально установлено, что средняя длина трещин, возникающих у углов отпечатков при индентировании алмазной пирамидкой и электрическая проводимость ИТС, имеют минимальные значения при температуре максимальной работоспособности СТП.

2. Экспериментально установлено, что коэффициент температурного расширения имеет минимальные значения при температуре максимальной обрабатываемости материала.

3. Экспериментально установлено, что максимальная работоспособность СТП обеспечивается путем подбора сочетаний физико-механических характеристик инструментальных и обрабатываемых материалов.

Практическая ценность и реализация результатов исследований:

1. Разработаны методики определения температуры максимальной работоспособности СТП, определяемой минимальными значениями средних длин трещин возникающих у углов отпечатков при индентировании алмазной пирамидкой (патент РФ №2468894) и электрической проводимости ИТС (заявка на патент №201312334 от 21.05.2013) от температуры.

2. Разработана методика определения температуры максимальной обрабатываемости материала, определяемой по зависимости его коэффициента температурного расширения от температуры.

3. Разработан алгоритм и программа выбора ИТС по обрабатываемому материалу на основе оптимальной температуры резания, обеспечивающая условия максимальной работоспособности СТП.

4. Разработан алгоритм назначения скорости резания для обеспечения условия максимальной работоспособности СТП и повышения эффективности обработки сборным инструментом.

5. Разработана экспериментальная установка для определения температуры максимальной работоспособности СТП на основе их электрической проводимости (патент №133764).

Разработанные методики и новые технические решения приняты к внедрению в ОАО «Завод Тюменгазстроймаш», ОАО «Томский завод измерительной аппаратуры - Металлист».

Результаты исследований используются при подготовке студентов по направлениям: «Технологические машины и оборудование», «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

На защиту выносятся:

1. Способ определения температур максимальной работоспособности СТП по минимальным значениям температурной зависимости средних длин трещин возникающих у углов отпечатков при индентировании алмазной пирамидкой (патент РФ №2468894) и электрической проводимости ИТС (заявка на патент №201312334 от 21.05.2013).

2. Способ определения температур максимальной обрабатываемости материала по минимальным значениям температурной зависимости коэффициента температурного расширения.

3. Схема выбора ИТС по обрабатываемому материалу.

Объект исследования. Процесс обработки металлов резанием.

Предмет исследования. Определение температуры максимальной работоспособности сменных твердосплавных пластин.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы обсуждены и доложены на двух всероссийских научно-практических конференциях «Новые технологии - нефтегазовому региону» (г.Тюмень, 2012, 2013 г.) и на международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 2013 г.). Опубликованы 17 работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, и одна монография (в соавторстве).

Содержание работы. В первой главе представлен литературный обзор и анализ экспериментальных и теоретических исследований по теме диссертации.

Исследованиям режущего инструмента с позиции его прочности, а также работоспособности посвящены известные работы выполненные учеными: Андре-

евым B.C., Балакшиным Б.С., Бетанели А.И., Бобровым В.Ф., Васиным С.А., Ве-рещакой A.C., Гордоном М.Б., Грановским Г.И., Гречишниковым В.А., Григорьевым С.Н., Даниеляном A.M., Древалем А.Е., Зоревым H.H., Кабалдиным Ю.Г., Коротковым А.Н., Клушиным М.И., Кирсановым C.B., Кушнером B.C., Лоладзе Т.Н., Макаровым А.Д., Маргулисом Д.К., Мелиховым В.В., Мирновым ИЛ., Остафьевым В.А., Петрушиным С.И., Подпоркиным В.Г., Подураевым В.Н., По-летикой М.Ф., Промтовым А.И., Прибыловым Б.П., Резниковым А.Н., Розенбер-гом A.M., Розенбергом Ю.А., Старковым В.К., Силиным С.С., Соломенцевым Ю.М., Талантовым Н.В., Тахманом С.И., Третьяковым И.П., Хаетом Г.Л., Хворо-стухиным A.A., Шаламовым В.Г., Утешевым М.Х. и его учениками: Артамоновым Е.В., Барбышевым Б.В, Василегой Д.С., Васильковичем В.А., Ефимовичем И.А., Костивым В.М., Некрасовым Ю.И., Помигаловой Т.Е., Смолиным Н.И., Чуйковым P.C.

В результате анализа литературных источников был сделан вывод о том, что температурно-силовой фактор, в сочетании с физико-механическими характеристиками ИТС и обрабатываемых материалов является основным фактором при обработке материалов резанием. Определены понятия максимальной работоспособности сборных инструментов и проанализированы имеющиеся на данный момент способы определения условий максимальной работоспособности СТП. Кратко проанализированы рассмотренные работы, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приведено описание и представлен анализ способов определения условий максимальной работоспособности СМП из ИТС. Дано описание разработанных способов и устройств, методики проведения экспериментов, планирования и обработки результатов экспериментов. Приведены результаты экспериментальных исследований и построены графики характеристики вязкости разрушения, средней длины трещин, возникающих у углов отпечатков при инденти-ровании алмазной пирамидкой, по методике Палмквиста, при изменяющихся значениях температуры образцов. Анализ этих сведений позволил высказать и доказать гипотезу о возможности определения по представленным зависимостям тем-

пературы максимальной работоспособности СТП. Также приведены результаты экспериментальных исследований и построены графики электрической проводимости инструментальных твердых сплавов, в зависимости от температуры. На основании этого, была высказана и доказана гипотеза о возможности определения по полученным зависимостям температуры максимальной работоспособности СТП. Разработана установка для определения температуры максимальной работоспособности СТП по электрической проводимости.

В третьей главе приведены результаты исследования и построены графики зависимости коэффициентов температурного расширения от температуры, нескольких обрабатываемых материалов. Анализ этих сведений позволил высказать и доказать гипотезу о возможности определения по минимальным значениям коэффициента температурного расширения, температуры максимальной обрабатываемости материала.

В четвертой главе приведена практическая реализация работы. Изложена схема выбора ИТС по обрабатываемому материалу на основе их физико-механических характеристик и доказана её достоверность. Описаны разработанные автором новые методики, технические и технологические решения.

1.1 Выбор инструментальных твердых сплавов

В настоящее время выбор ИТС осуществляется по справочным данным, либо по рекомендациям заводов изготовителей режущего инструмента, как показано на рисунке 1.1 и в таблице 1.1. Однако рекомендации довольно общие и одному обрабатываемому материалу может соответствовать несколько марок инструментальных материалов. А какой из предлагаемых материалов будет наиболее подходящим не понятно. Такая же ситуация и с назначением режимов резания. Не всегда предлагаемые режимы обеспечивают оптимальные условия резания.

Чугун, отбеленный чугун, колкий чугун, дающий стружку надлома, цветные металлы, пластмассы.

Сталь, стальное литье, марганцовистая сталь, аустенитная сталь, автоматная сталь, легированный чугун, ковкий чугун

Стаять, стальное литье, коррозионно-стойкая сталь, ковкий чугун, дающий сливную стружку

т. а

щ

■ -я*

нннннн

м

-да!

Р - Щш 5

^ЛМ . 1

Рисунок 1.1 - Выбор ИТС по группам обрабатываемости [76]

Марка сплава > > Предел прочности на изгиб,if «Ф ft) МПа не f w ''менее ¿Плотность »Щ г/смЗ jjfSf HRA, не | менее «Л 1 ч % * iff & Областьшрименения 1 jJ|}?i % * 1

J г Вольфрамовая группа сплавов ^ ? 1 ^

ВКЗ 1 , : jli1 1» Iff $ у ' Й , М5 i щ 1 Для чистового «точения »„с малым сечением 'Щсреза, окончательного нарезания резьбы, развертывания отверстий и других аналогичных видов обработки серого л чугуна.; цветных металлов и их сплавов^ и* неметаллических й материалов (резины, фибры, пластмассы, стекла, стеклопластиков и т д ), для резки листового^гекла ^ .. ?

вкзм 1176 15,0-15,3 м < 91*0 z. ■% Для чистовой обработки ^(точения, растачивания, нарезания *1резьбы, развертывания) твердых, легированных.и .отбеленных чугунов, цементированных и а закаленных сталей,а также высокоабразивных неметаллических материалов 4 4

BK6 * ^. ! 14,6-15 ¡0пй §ц|ч88э5 - Для чернового^ и полу чернового точения,предварительного нарезания резьбы токарными резцам и, получ истового фрезерования сплошных^ поверхностей, рассверливания" и ^растачивания отверстий, зенкерования серого чутуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов

ВКбОМ 1274 14,7-15,0 90,5 - Для чистовой и получистовой - обработки твердых, легированных и отбеленных чугунов, закаленных сталей и некоторых марок нержавеющих высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов, особенно сплавов на основе титана, вольфрама и молибдена (точения, растачивания, развертывания, нарезания резьбы, шабровки).

ВК6М » 1421, ^14,8-15,1 90,0 Получистовая» 4 обработка И* »# 9- Ф-, р ± жаропрочных? сталей и сплавов,"'-

1 Л ^ 41 1 ' коррозионно-стойких^ | стал|й а аустенитного класса, твердых

1" 1|| ¿л? чу^унов, закал�