автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение работоспособности металлорежущего инструмента из твердых сплавов методом импульсной лазерной обработки

Министерство образования и науки Российской Федерации СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201163194

Соискатель Пинахин Игорь Александрович

Повышение работоспособности металлорежущего инструмента из твердых сплавов методом импульсной лазерной обработки

Специальность 05.02.07 — Технология и оборудование механической и физико-технической обработки (технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., доцент В. Г. Копченков

Ставрополь 2011

Содержание

Введение..........................................................................................................................................................5

1 Методы повышения эксплуатационного ресурса инструмента................9

1.1 Методы повышения физико-механических свойств твердосплавных материалов........................................................................................................................9

1.2 Задачи исследования....................................................................................................................24

2 Исследование влияния импульсной лазерной обработки на прочность и износостойкость твердосплавных режущих инструментов... 26

2.1 Методика проведения исследований............................................................................26

2.1.1 Метод ступенчато-возрастающих режимов резания..................................27

2.1.2 Метод непрерывного увеличения скорости резания..................................33

2.1.3 Влияние состава твердого сплава на износостойкость............................35

2.1.4 Влияние формы режущей части инструмента на износостойкость....................................................................................................................................................37

2.1.5 Влияние режимов ИЛО на износостойкость инструмента....................37

2.2 Особенности износа твердосплавного инструмента после ИЛО.... 41

2.2.1 Характер разрушения поверхностей резца..........................................................41

2.2.2 Особенности кинетики изнашивания твердосплавных режущих инструментов, прошедших ИЛО............................................................................................................43

2.2.3 Характер износа твердосплавного режущего инструмента, прошедшего ИЛО................................................................................................................................................48

Выводы..............................................................................................................................................................52

3 Влияние ИЛО на физико-механические факторы, определяющие режущую способность твердых сплавов........................................................................................54

3.1 Исследование изменения прочности при консольном изгибе твердых сплавов..........................................................................................................................................................54

3.2 Исследование изменения прочности твердых сплавов при действии сосредоточенной нагрузки на образец, лежащий на двух опорах..............................................................................................................................................................................62

3.3 Исследование абразивной износостойкости твердых сплавов..............66

3.3.1 Методика исследований.................................................... 66

3.3.2 Влияние состава твердого сплава, прошедшего ИЛО, на прочность и износостойкость.......................................................... 73

3.3.3 Влияние режима облучения на прочность и износостойкость твердого сплава........................................................................... 76

3.3.4 Влияние места облучения на прочность и износостойкость твердого сплава........................................................................... 76

Выводы............................................................................... 78

4 Рентгеноструктурный анализ образцов из твердого сплава после импульсной лазерной обработки...................................................... 79

4.1 Методика проведения рентгеноструктурного анализа.............. 79

4.2 Влияние ИЛО на ширину линий карбида титана....................... 81

4.3 Влияние ИЛО на ширину линий кобальта................................... 83

4.4 Влияние ИЛО на ширину линий карбида вольфрама................ 84

Выводы............................................................................... 88

5 Результаты производственных испытаний твердосплавных режущих инструментов, прошедших ИЛО, и их влияние на повышение эффективности технологического процесса резания............................. 89

5.1 Методика производственных испытаний и обработки результатов............................................................................... 89

5.2 Влияние ИЛО на показатели эксплуатационной стойкости инструмента............................................................................... 95

5.2.1 Влияние геометрических параметров резца на эффективность ИЛО......................................................................................... 100

5.3 Повышение эффективности технологического процесса при использовании ИЛО для твердосплавных режущих инструментов............................................................................... 109

5.4 Взаимосвязь параметров ИЛО, параметров процесса механообработки и эффективности производства и их практическое применение................................................................................ 120

5.4.1 Факторы, оказывающие влияние на параметры

функционирования системы при механообработке............................................................123

5.4.2 Выбор наиболее существенно влияющих факторов на эффективность механообработки при использовании ИЛО........................................124

5.4.3 Математическая обработка экспериментальных данных......................128

Выводы..............................................................................................................................................................134

Общие выводы............................................................................................................................................135

Литература......................................................................................................................................................138

Приложения..................................................................................................................................................152

Введение

Актуальность темы. Повышение эффективности и развитие металлообрабатывающего производства возможно на основе всемерной интенсификации работы оборудования, внедрения прогрессивных технологических процессов, автоматизации и механизации на базе использования новейших достижений науки и техники.

Решение этих задач в металлообработке требует создания и внедрения высокопроизводительного режущего инструмента, обладающего повышенными эксплуатационными свойствами, имеющего высокую надежность и долговечность.

Всегда были и остаются весьма актуальными задачи, связанные с разработкой новых инструментальных материалов с высокими технологическими параметрами, с созданием и внедрением высокоэффективных методов упрочнения, позволяющих существенно увеличить стойкость режущих инструментов. Большой вклад в исследование износостойкости и прочности режущих инструментов внесли ученые: Зорев Н. Н., Лоладзе Т. Н., Третьяков В. И., Хает Г. Л., Креймер Г. С., Киффер Р., Резников А. Н., Полетика М. Ф., Бетанели А. И., Рышкин А. А., Клушин М. И., Кабалдин Ю. Г., Кретинин О. В. и др. С целью снижения инструментальных расходов весьма целесообразным является применение таких методов упрочнения, которые позволили бы изменить физико-механические свойства инструментального материала по всему объему, повышая общую долговечность режущего инструмента.

Таким образом, применение прогрессивных методов упрочняющей обработки, в том числе и импульсного лазерного упрочнения (ИЛО), и внедрения их в практику металлообрабатывающих процессов приведет к более экономному расходованию дорогостоящих, дефицитных твердосплавных инструментальных материалов, позволит значительно повысить производительность труда, снизить расходы на производство и

эксплуатацию инструмента и, тем самым, обеспечить выпуск высококачественной продукции.

Особо актуальной эта задача является для твердосплавных режущих инструментов. Как известно, твердые сплавы обладают, с одной стороны, высокой теплостойкостью, что позволяет режущим инструментам работать при высоких скоростях резания. С другой стороны, твердые сплавы имеют низкую прочность на изгиб, что ограничивает их возможность работать на черновых, обдирочных операциях, где инструмент испытывает ударное воздействие корки, образовавшейся при получении заготовки методами литья или ковки, абразивной пыли, неравномерности припуска и т. д.

Решению вышеперечисленных задач посвящена данная диссертация.

Цель работы. Целью работы .является повышение эксплуатационного ресурса, надежности, прочности и износостойкости твердосплавного режущего инструмента за счет импульсной лазерной обработки твердых сплавов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования износостойкости твердосплавных режущих инструментов, прошедших импульсную лазерную обработку.

2. Анализ влияния импульсной лазерной обработки на работоспособность твердосплавных режущих инструментов при черновой обработке при помощи методов моделирования процесса резания.

3. Результаты, полученные при помощи рентгеноструктурного анализа образцов из твердого сплава.

4. Анализ работоспособности твердосплавных режущих инструментов, прошедших импульсную лазерную обработку, в производственных условиях.

Научная новизна:

1. Доказана принципиальная возможность объемного упрочнения твердосплавного режущего инструмента импульсной лазерной обработкой, что подтверждено прямыми испытаниями при резании и результатами рентгеноструктурного анализа.

2. Установлено, что главными параметрами, которые управляют упрочнением, являются плотность мощности облучения и топологические характеристики пятна облучения на режущей пластине.

3. Установлены зависимости, позволяющие оптимизировать процесс объемного лазерного упрочнения твердосплавного режущего инструмента.

4. Определен диапазон режимов резания и свойств инструментального материала, позволяющий эффективно применять объемное лазерное упрочнение для достижения наивысшей производительности при наименьшей себестоимости и инструментальных расходах.

Практическая ценность:

1. Разработан метод объемного упрочнения твердосплавного режущего инструмента, позволяющий повысить его стойкость.

2. Доказано значительное повышение эксплуатационного ресурса, надежности и износостойкости твердосплавного режущего инструмента, упрочненного ИЛО.

3. Создана методика определения оптимальной величины расстояния от главной режущей кромки до места облучения в зависимости от геометрических параметров инструмента.

4. Оптимизированы режимы резания для упрочненных ИЛО режущих инструментов по производительности обработки, себестоимости операции и инструментальным расходам.

5. Разработана статистическая модель, позволяющая определить производительность механообработки в зависимости от свойств инструментального материала и параметров лазерной обработки.

6. Организован участок по упрочнению твердосплавных резцов на производственных площадях ОАО «Ставропольский завод поршневых колец-«СТАПРИ».

Реализация результатов работы. Результаты работы практически использовались на Ковровском заводе им Дегтярева, Ставропольском заводе автоприцепов, Ставропольском заводе поршневых колец.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на Международной конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (г. Ставрополь, 1999 г.), XXX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Сев-Кав ГТУ (г. Ставрополь, 1999 г.), XXXI научно-технической конференции Сев-Кав ГТУ (г. Ставрополь, 2001 г.), II научной конференции Сев-Кав ГТИ (г. Ставрополь, 2002 г.), III научной конференции. Сев-КавГТИ (г. Ставрополь, 2003 г.), XXXII научно-технической конференции Сев-КавГТУ (г. Ставрополь, 2003 г.), XVII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону» (г. Ставрополь, 2003 г.), IX региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (г. Ставрополь, 2005 г.), XXXVII научно-технической конференции Сев-КавГТУ (г. Ставрополь, 2008 г.), I международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» (г. Ставрополь, 2010 г.).

Публикации по теме диссертации. Опубликовано 26 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 152 наименований и приложений. Диссертация изложена на 159 страницах, содержит 56 рисунков, 13 таблиц, библиографический список на 14 страницах, приложения на 8 страницах.

1 Методы повышения эксплуатационного ресурса инструмента 1.1 Методы повышения физико-механических свойств твердосплавных материалов

Известные способы повышения физико-механических свойств инструментальных материалов хотя и позволяют добиться увеличения износостойкости инструмента, однако затраты по сравнению с эффективностью использования вышеуказанных методов остаются значительными, а во многих случаях неэкономичными и нецелесообразными из-за потери других ценных свойств, в частности, например, прочности инструмента в целом. Поэтому разработка новых прогрессивных методов упрочнения режущего инструмента является первейшей задачей по увеличению срока службы металлообрабатывающего инструмента.

Особо актуальной эта задача является для твердосплавных режущих инструментов. Как известно, твердые сплавы обладают, с одной стороны, высокой теплостойкостью, что позволяет режущим инструментам работать при высоких скоростях резания. С другой стороны, твердые сплавы имеют низкую прочность, что ограничивает их возможность работать на черновых, обдирочных операциях, где инструмент испытывает ударное воздействие корки, образовавшейся при получении заготовки методами литья или ковки, абразивной пыли, неравномерность припуска и т.д.

Основные известные методы повышения износостойкости и прочности твердосплавных инструментов можно разделить на следующие группы: конструктивные методы; упрочнение механическим наклепом; нанесение износостойких покрытий; химико-термическая обработка; магнитно-импульсное упрочнение; плазменно-дуговое упрочнение; радиационное упрочнение; ионное легирование; лазерное упрочнение.

Выбор того или иного метода упрочнения зависит от многих факторов, обуславливающих его эффективность и затраты на осуществление в определенных производственных условиях.

Среди конструктивных методов следует выделить [10,26,50,53]:

- округление режущих лезвий, приводящее к изменению направления сил резания и уменьшения колебаний;

- увеличение размеров опасного сечения пластинки, возможно ее утолщение или расположение ее вдоль задней поверхности;

- увеличение жесткости опоры режущей пластинки в державке, шлифование или доводка опорной поверхности пластинки, закалка державки, уменьшение ее заднего угла;

применение подкладок с высоким модулем упругости и сопротивлением сжатию при температуре, возникающей у опоры.

Эти методы не приводят к увеличению производственных затрат, но эффективность их зависит от определенных условий эксплуатации (обрабатываемый материал, режим резания, характеристика оборудования, приспособлений и др.).

Одним из перспективных способов увеличения прочности инструмента является обработка рабочих поверхностей пластическим деформированием (ППД): вибрационная, дробеструйная обработка [7,28,70,136].

При обработке ППД по режущим поверхностям наносится большое количество ударов, в результате чего происходит пластическое деформирование и хрупко-абразивное изнашивание этих поверхностей. Пластически деформируются все фазовые составляющие твердого сплава, но в наибольшей степени карбид вольфрама. При этом дробятся блоки мозаики, увеличивается микро- деформация решетки и возникают сжимающие напряжение порядка 100- 130 Н/м2.

Применение методов ППД при упрочнении твердосплавных резцов позволило повысить подачу в 1,1 — 1,2 раза.

Эффективность методов ППД определяется зависимостью прочности от геометрических параметров, физико-механических свойств материала. При ППД происходит округление режущих кромок, что повышает прочность инструмента.

Однако, эффективность округления режущих кромок и оптимальная

величина радиуса округления зависят, прежде всего, от толщины срезаемого слоя и твердости обрабатываемого материала. Это ограничивает возможности применения 1111Д.

Изыскание способа упрочнения, сочетающего в себе возможности достижения оптимального округления кромок резцов и глубину наклепа, привело к необходимости изучения влияния жидкости на эффект дробеструйной обработки твердосплавных резцов, которое оказалось двояким. С одной стороны жидкость уменьшает энергию удара и, с другой стороны, удаляет продукты износа [120]. Таким образом, интенсивность пластического деформирования падает, а интенсивность округления кромок меняется в меньшей степени, что должно привести к лучшему соотношению величины радиуса округления кромок и глубины наклепа.

Применение жидкости при дробеструйной обработке увеличивает максимальную величину радиуса округления на 20 процентов. В момент достижения максимальной прочности степень деформации у резцов обоих видов обработки примерно одинакова, тогда как радиус округления у резцов, обработанных жидкостью, на 10 — 15 процентов больше. Это обеспечивает