автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка головок для формообразования и наклепа цилиндрических поверхностей мелкоразмерных инструментов из мартенситно-стареющих сталей

и. ^

^ №иЛЛстсрсгоо обшего и профессионалы юго образования Российской Фелерги ии

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСГВЕННЬЙ ------------------------ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ'"СТАНКИН"

На правах рукописи

Старцев Андрей Николаевич

УДК 621.992.7.02.001.5

РАЗРАБОТКА ГОЛОВОК ДЛЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И НАКЛЕПА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕЛКОРАЗМЕРНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ МАРЕЕНСИТНаСТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ.

Спещшьность 05.03.01.- Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидапатехнических наук

Москва 1998г:

Работа выполнена в Московском орда и Трудового Красного Згамени Государственном технологическом университете "СТАНКИН".

Научный руководитель — Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор

технических наук, профессор Султанов Т.А.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор Косов М.Г.

— Кандидат технических наук, доцент Жарченков Ю.Н.

Ведущее предприятие - Московский инструментальный завод

Защита состоится " ¿¿¿/С^М'рЛ- 1998г. в_ часов на

заседании специализированного Совета К 063.42.05 Московского Государственного технологического университета "СТАНКИН" по адресу: 101472, ГСП, Москва, К 55, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного технологического Университета "СТАНКИН".

Автореферат разослан

Ученый секретарь Сгвдшюнроки юго совета

к.т.н., доцент Поляков Ю.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

------ - Актуальность-------------темы. "Важнейшая задача

инструментальной науки - обеспечение выпуска функционально полноценного и технологичного инструмента, удовлетворяющего основным запросам современного производства.

В рамках этой общей задачи находится проблема использования для режущих инструментов современных инструментальных материалов со всем шлейфом сопутствующих проблем, в сочетании с металлосберегающим характером новых технологий, нуждающихся в создании соответствующих процессов, инструментов и оборудования для их осуществления.

В этом аспекте традиционному производству мелкоразмерного режущего инструмента - сверл, метчиков, разверток и т.д. - диапазона диаметров 1-6 мм и менее свойственны органические недостатки, возникающие в связи с использованием обычных быстрорежущих сталей.

Быстрорежущая сталь, применительно к использованию мелкоразмерного массового инструмента, характеризуется следующими особенностями:

1 .Значительными термическими деформациями изделий, возникающими при высокотемпературной термообработке тонких изделий (закалка 1 200-1250°С), а отсюда - появление по этой причине неисправимого брака, доходящего по количеству до 40%.

2.Наличием крупных угловатых карбидов в режущих кромках готового инструмента, приводящих к их выкрашиванию при резании и досрочному наступлению износа.

3.Низкой пластичностью стали в холодном состоянии, особенно при получении мелкоразмерного прутка диаметра 1-6 мм и менее.

Одним из возможных решений является применение принципиально нового класса материалов - безуглеродистых мартенситно-стареющих сталей (МСС). Главным их отличием

является низкотемпературная термообработка (старение при температуре 500-550°С), что исключает температурные деформации и в результате чего достигается твердость Н1*Сэ65-68 при прочности ав=300-420Мпа.

Цель работы - разработка головок для формообразования цилиндрических поверхностей и создания наклепанного слоя у заготовок из мартенситно-стареющих сталей, минимизирующих погрешности формы мелкоразмерных инструментов.

Общая методика. Достижение поставленной цели осуществлялось решением задач с применением экспериментальных и теоретических исследований.

Научная новизна заключается в: -системе двухроликовых головок аксиального типа без поддерживающих элементов, для перекатки цилиндра в цилиндр предельно малого размера; -экспериментальном обосновании аксиальных головок с

разновеликими межосевыми углами; -закономерностях удлинения цилиндрических заготовок из МСС и ряда других материалов при перекатке цилиндра в цилиндр аксиальными головками на станках токарной группы;

-модели мощности процесса перекатки головками в виде уравнения регрессии, учитывающего пластические свойства материала, межосевой угол инструментов, припуск и скорость перекатки необходимые при проектировании инструментов;

-закономерностях распределения наклепа и изменения микротвердости у мартенситно-стареющих и других инструментальных сталей в результате перекатки, позволяющие обосновать выбор материала для соответствующих инструментов.

Практическая ценность состоит в рекомендациях по созданию и использованию аксиальных головок различных видов для формообразования мелкоразмерных цилиндров и создания у них наклепанного слоя. 4

Разработаны и запатентованы оригинальные конструкции инструментов для перекатки. Результаты исследований используются в учебном процессе и при проектировании инструментов. Материалы диссертации направлены ряду заводов для использования.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции: "Совершенствование процессов финишной обработки в машино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды" (г. Минск, 1995 г.); юбилейной международной научно-технической конференции "Вопросы совершенствования технологических процессов механической обработки и сборки изделий машиностроения" (г. Тула, ¡996 г.); международной юбилейной научно-

технической конференции "Прогрессивные методы проектирования технологических процессов,

металлорежущих станков и инструментов" (г. Тула, 1997 г.) и заседаниях кафедры "Инструментальная техника и компьютерное моделирование" МГТУ "СТАНКИ Н".

Публикации. По материалам диссертации опубликованы тезисы докладов на упомянутых выше научно-технических конференциях, а также получены три патента, т.е. всего 6 публикаций.

Запатентованы:

1 .Планетарная головка для перекатки длинномерных цилиндрических прутков. Патент Р.Ф, № 2100125 от 27 декабря 1997 г;

2.Способ формообразования цилиндрических поверхностей пластической деформацией и инструмент для его осуществления. Патент Р.Ф. № 2102176 от 20 января 1998г.

3.Аксиальная головка для перекатки мелкоразмерных цилиндров, положительное решение №97104444/02(004522) от 19 марта 1997г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и общих выводов, изложена на ... страницах машинописного текста и содержит ... рисунков, ... таблицы, ... приложения, а

также список литературы, включающий . наименований.

Диссертация заслушана и рекомендована к защите кафедрой "Инструментальная техника и компьютерное моделирование" Московского государственного

технологического университета "СТАНКИН".

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе рассмотрены требования, предъявляемые к мелкоразмерному режущему инструменту, изучены основные причины брака при изготовлении и выхода его из строя. Подчеркнуто, что основной процент брака мелкоразмерного инструмента приходится на стадию термообработки, где в результате высокотемпературной обработки (закалки при 1200 -1250°С), готовый инструмент получает неиспра1вимые термические деформации.

Предлагаемое решение - применение принципиально нового класса инструментальных материалов- безуглеродистых мартенситно-стареющих сталей. Дана сравнительная оценка основных свойств быстрорежущих и мартенситно-стареющих сталей.

Учитывая особенности технологии изготовления инструмента из МСС, а именно необходимость перед термообработкой проведения холодной пластической деформации, проанализированы основные методы пластической обработки мелкоразмерных цилиндрических заготовок (прокатка, волочение, поверхностное пластическое деформирование).

Особое внимание было уделено процессу кинетопластической обработки поверхностей, как наиболее приемлемой технологии создания нагартованого слоя на цилиндрических заготовках небольшой длины в условиях инструментального производства. Перечислены и

охарактеризованы основные виды инструментов для. обработки цилиндрических поверхностей на станках токарной группы, схемы обработки с прямым и в сочетании с 6

реверсивным рабочими ходами, одно и многопроходной обработкой, различные виды накатных роликов.

---------------Анализ "~вьШ"еперечисленных методов и инструментов

отечественных и зарубежных производителей показывает, что обработка пластической деформацией на станках токарной группы возможна, успешно применяется, и постоянно совершенствуется. Но методам формообразования

цилиндрических поверхностей не уделялось должного внимания, отводя им роль лишь этапа подготовки определенного диаметра заготовки под накатку резьбы или другого профиля, а так же как стадию финишной обработки поверхности.

Учитывая вышесказанное, следует вывод о необходимости создания инструмента и реализуемой с его помощью технологии получения цилиндрических поверхностей, являющихся к тому же одними из основных форм поверхностей многих изделий. Решение данной задачи позволит .во-первых, реализовать процесс нагартовки металла на заготовках из МСС, во-вторых, получить еще один способ формообразования цилиндра, как альтернативы резанию.

Поставленная в работе цель и анализ современного состояния проблемы определяют основные направления исследования:

1. Создание инструментов и изучение процесса перекатки цилиндрических заготовок из МСС аксиальными головками на станках токарной группы с учетом особенностей формообразования мелкоразмерных (диапазон 0 1- 6мм) заготовок.

2. Сформулированная выше общая задача состоит из трех самостоятельно важных разделов:

2.1.Создания инструментов и принципов их построения применительно к рассматриваемой задаче формообразования.

2.2.Исследования приобретенных заготовкой из МСС свойств -наклепа, распределения твердости по сечению.

2.3.Исследование процесса перекатки и

математическое моделирование важнейших параметров для проведения интерполяционных расчетов при

проектировании инструментов. Раздел 2.1 может содержать следующие частные фрагменты:

-поиск и разработка принципов построения и расчета двухроликовых головок без поддерживающих заготовку боковых элементов, как единственного варианта перекатки предельно мелкоразмерного (00-2 мм) цилиндра, -изучение процесса и разработка инструментов на основе использования традиционного самоцентрирующего заготовку трехштучного комплекта роликов,

целесообразного для обработки диапазона свыше 0 2мм; -разработку принципиальной схемы построения планетарной головки для перекатки с целью исключения возможности скручивания длинномерного (1.5 - 2 метра) прутка малого диаметра;

-разработку и исследование возможности создания головки, позволяющей форсировать удлинение при перекатке, что предположительно позволит увеличить припуски.

Раздел 2.2 должен содержать следующие частные фрагменты:

-картину распределения наклепа по сечению заготовки путем

получения и анализа микрошлифов; -закономерности распределения твердости по сечению заготовки;

-закономерности, связывающие твердость заготовки из МСС

со степенью обжатия; -обоснование рекомендаций по использованию перекатки заготовок из МСС для соответствующих режущих инструментов.

Раздел 2.3 целесообразно посвятить созданию математической модели Мощности перекатки, как наиболее информативного параметра, в виде уравнения регрессии, в функции наиболее значимых факторов - межосевого угла, припуска, скорости, 8

пластичности. Выбор именно модели мощности оправдан, с

одной стороны, как параметра процесса, использующегося при_________

~расчстах~йнструментов через силы и моменты, возникающие при обработке, а также при необходимости оценки конструктивных параметров роликов, с другой - для выбора оборудования, сравнения затрат мощности при обработке различных материалов и т.п.

Во второй главе описана методика исследований процесса перекатки. Следует отметить что, термин "перекатка" применительно к формообразованию головками цилиндрических поверхностей пластической деформацией на металлорежущих станках зафиксирован патентом и отличает его от известных понятий прокатка, обкатка и накатка.

Логика и последовательность проведения исследований базируется на блок-схеме процесса перекатки, приведенной ниже в описании содержания главы 4, суммирующей в виде отдельных модулей все важнейшие стадии и составные части данного метода обработки, которые можно объединить в трех основных разделах, инструмент - процесс - приобретенные свойства. Разделы связаны между собой, что позволяет удобно анализировать каждый из модулей и влиять через исходные данные на основные параметры процесса и геометрию инструмента.

В главе 2 кратко описаны в качестве инструментальной оснастки резьбонакатные инструменты ВНГН - 2. 3 и ГУР - 4. а также представлены варианты исполнения гладких роликов для обработки цилиндрических поверхностей.

Дана физико-механическая характеристика применяемых в экспериментах сталей: конструкционная сталь 45, цветной сплав Л-59, и две мартенситно-стареющих стали Н7М14К15Х2Т и 03ХИН10М2Т2.

Учитывая большое число экспериментов, а также факторов, влияющих на ход процесса, описаны элементы теории и экспериментов, составлен план экспериментальной работы и приведена матрица

экспериментов.

В конце главы описана методика металлографических исследований для определения твердости и картины ее распределения по сечению образца после пластической деформации и старения.

В главе 3, посвященной исследованиям и развитию инструментов, рассмотрены три основные направления и особенности процесса в той мере, в которой они влияют на построения инструментов.

Из анализа конструкции нарезного и накатного инструмента установлено, что минимальный диаметр резьбы, обрабатываемый трехроликовой- головкой, ограничен возможностью сведения роликов и равен 3-4 мм. Более мелкие диаметры не могут быть помещены между достаточно прочным самоцентрирующим трехштучным комплектом роликов. Двухроликовые головки могут обрабатывать резьбы диаметра 12мм и менее, но здесь существует проблема - возможность удержания заготовки между роликами, поскольку известные поддерживающие устройства обычно очень усложняют эксплуатацию или делают ее невозможной.

Новая концепция создания двухроликовой головки для обработки гладких цилиндрических поверхностей заключается в том, что наклонно установленные ролики, имеют калибрующую часть в виде поверхности вращения, образующая которой является эллипсом (рис.3.11); уравнение эллипса для калибрующей части ролика:

X2 Sin2Ei Y2

-+- =1 (3.9)

г2 b2

где:

X и Y-текущие координаты;

Zi-межосевой угол;

r-радиус.обрабатываемого цилиндра.

Io

Аппроксимирующая эллипс окружность радиуса Л (рис.3.12) определяется по формуле:

ь2 + И2

И = --(ЗЛО)

4Ь

где: Ь-половина ширины калибрующей части роликов;

Ь-стрела прогиба дуги, определяется из формулы:

Ь = г - (г2-Ь2*8ш2Е1)1/2 (3.11)

Такое решение, с одной стороны, позволяет схватывать заготовку за счет вогнутой формы поверхности роликов, обеспечивая линейчатый, а не точечный контакт, и не давая тонкому нежесткому цилиндру заготовки смещаться с центра

вследствие деформации, исключая таким образом необходимость в поддерживающих устройствах, с другой стороны, позволяет двухштучный комплект роликов сводить к центру, предельно близко обеспечивая возможность обработки весьма малых, близких к нулю, диаметров.

Экспериментальная перекатка цилиндра в цилиндр трехроликовыми самоцентрирующими головками на относительно средних для рассматриваемой области значений диаметров и по различным материалам позволила выявить новый для известных аксиальных процессов факт - существенно большее удлинение заготовки. Так, если при аксиальном резьбонакатывании удлинение составляет 2 - 5%, то при перекатке цилиндров относительное удлинение составляет 20 -80%, в зависимости от диаметра, свойств материала, и величины обжатия (рис.3.5, 3.6). Объясняется это видимо тем, что при резьбонакатывании материал в результате обжатия имеет возможность перемещаться как в радиальном направлении, так и в осевом направлении. При формообразовании же цилиндров течение металла возможно в основном

Рис.3.12. Аппроксимирующая окружность калибрующей части ролика.

1.5 мм 1.2 мм

п 1 мм

р

и 0.8 мм п

у 0.5 мм с

К 0.3 мм

0.2 мм 0.1 мм

Р

20 40 60 80 100

Величина относительного удлинения,

Рис.3.6. Влияние припуска под обработку на величину относительного удлинения стали 45. Диаметр заготовки 5мм

1.5 мм 1.2 мм 1 ш п Р по и 0.8 ил п У 0.5 мм с к 0.3 мм 0.2 ил 0.1 мм I I I I

1

| ,

"1

|

1

|

1

|

"I

I 1

*

^ X XXX ^

Г 1 1 1 1 г ) 10 20 30 40 50 Велж1«а относительного удлинен«, %

Рис.3.5. Влияние припуска под обработку на величину удлинения мартенситно-стареюгцей стали. Диаметр заготовки 5мм.

лишь в осевом направлении, а отсюда перемещение всего объема

материала в сторону удлинения и соответствующие значения_____________

удлинения_______________________________________

В свете полученных экспериментальных результатов, во-первых, возникает необходимость соответствующим образом подходить к выбору размеров заготовок и, во-вторых, возникает идея создания аксиальной головки. интенсифицирующей удлинение заготовки с целью возможного увеличения припусков под перекатку. Такое решение было найдено. Суть его в том. что вопреки жесткой традиции все ролики комплекта устанавливаются под разными межосевыми углами. Благодаря этому, каждый из роликов, стремясь двигаться со "своей" осевой подачей определяемой формулой

81=тс (I tg2^; (3.7)

где:

(1 - диаметр заготовки;

5л - межосевой угол, соответствующей своему углу перекрещивания 5л, стремится растянуть заготовку в зоне формообразования. Это приводит к интенсификации осевого течения металла.

В главе 4, как упоминалось выше, представлена модель процесса перекатки цилиндрических поверхностей (рис. 4. б), как частный вариант обобщенной модели кинетопластики технологии формообразования типовых поверхностей пластической деформацией на металлорежущих станках общетехнологического назначения, описанной проф. Султановым Т.А.

Исходные данные и ограничения. Исходными данными модели перекатки цилиндра являются: диаметр перекатываемого цилиндра 11, припуск под обработку а, межосевой угол 5л, угол заборного конуса ср >, и данные, характеризующие физико-механические свойства материала - предел текучести су02, относительное удлинение 5.

Мощность перекатки является основной характеристикой в установившейся стадии

процесса. Количественная оценка потребляемой мощности позволяет анализировать процесс в целом и влияние на него различных факторов.

Математическая модель записывается закономерностью типа уравнения регрессии:

N„,»,1= к0 + к1а0,2 + к2а - к3У + к4£ (4.1)

- условный предел текучести обрабатываемого

- величина припуска;

- скорость обработки;

- межосевой угол. Экспериментально установлены зависимости мощности от свойств обрабатываемого материала ст0>2, скорости вращения заготовки V, межосевого угла Е (рис.4.2, 4.5, 4.7).

По экспериментальным данным, отраженным в диссертации (таб. 4.6), метод позволяет обрабатывать стали с припусками а=0.5-1.5 мм на диаметрах 4-5 мм и с припусками а=0.5-2.5 мм и более (зависит от жесткости инструмента) на диаметре 8-12мм.

Величины радиальных и тангенциальных сил, действующих при перекатке, могут быть получены путем расчета через известные формулы, связывающие крутящий момент и силы (формулы 4.13, 4.14 в диссертации).

В процессе экспериментов установлено, что относительное удлинение заготовок, получаемое при перекатке, находится в пределах 5=20-80% на диаметре 3-5 мм и 5=12-30% на диаметре 8-12 мм.

Отдельные модули блок-схемы процесса перекатки охарактеризованы в диссертации в такой мере, в какой с нашей точки зрения

где:

Со,г

материала; а V

Рис.4.2. Зависимость мощности процесса от обрабатываемого материала." ------- ----------Скорость обработки У = 3 м/мин.

1400 1203

ВсА5 Вшжме утв перехрацсана сазл на мощоаъ, гри сбрабогее мргакшжхлгреквдй сгаш

м

о Щ

Н 800 О С

т

ь

1СС0

£-3 £=6

Зеоиа угла герекреч^ВЕня спи

-Ц5» -

1.5

это возможно и необходимо на данной стадии изучения инструментов и процесса. Это сделано на основании анализа и использования известных данных.

Применительно к изучаемой проблеме, т.е. возможности использования МСС для мелкоразмерных инструментов, особо важное значение имеет содержание последнего модуля "Приобретенные свойства, наклеп и распределение твердости". Это рассмотрено в главе 5.

В ней описан цикл экспериментов, позволяющий дать оценку физико-механических свойств обработанных перекаткой экспериментальных сталей. В результате этого показана зависимость твердости материала от степени обжатия, а так же показана картина распределения твердости по сечению цилиндра в зависимости от степени нагартовки. Из (таб.5.1) видно, что после перекатки диаметра 4-5 мм с величиной припуска а=1.0-1,5мм заготовки из МСС имеют равномерное распределение твердости порядка 38 - 41 НИСэ по сечению образца, а после старения 65-68Н11Сэ. Такой результат дает возможность изготовить из данного образца полнопрофильный режущий инструмент, имеющий режущие кромки по всему сечению, такой как сверло или концевая фреза.

Перекатка же заготовок диаметром 10-12 мм с припуском 2-2.5 мм имеет твердость поверхностного слоя порядка 38-41Н11Сэ и далее понижается до исходной к середине прутка. После заключительной термообработки (старения) заготовка имеет твердость 65-68Н1*Сэ на периферии, а сердцевина 58-60Н1*Сэ. Данный образец может применяться для производства режущего инструмента с режущими кромками, расположенными на периферии инструмента, например, для разверток или метчиков.

700 600 м 500

^ 400

с 300 т

ь 200 100 о

Таблица 4.6

Оптимальные припуски при перекатке цилиндров.

Диаметр Максимальная величина припуска - а, мм

Заготовки Л - 59 Сталь 45 Н7М14К15Х2Т

5 - 4 мм 1,0 -1,2 1,0 -1,5 1,0 -1,2

16 - 8 мм 2,0 - 2,2 2,2 - 2,5 2,2 - 2,3

Таблица 5.1

Зависимость распределения твердости от степени деформации, для мартенситно-стареющих сталей Н7М14К15Х2Т и 03X11 Н10М2Т2. Диаметр заготовки 5-4 мм.

Степень деформации, % Глубина проникновения, % Твердость после перекатки, НИСэ Твердость после старения, НЯСэ

19 30 28 - 33 50 - 55

35 51 33 - 35 55 - 60

43 84 35 - 38 63 -.65

51 100 38 - 41 65 - 68

В шестой главе описываются приведенных исследований, которые выводах.

практические результаты здесь отражены в общих

ВЫВОДЫ:

1 .Анализ научно-технической литературы,

промышленного опыта, патентных материалов свидетельствует:

• мартенситно-стареющие стали во многом эффективнее быстрорежущих;

• применение мартенситно-стареющих сталей для мелкоразмерных стержневых инструментов (сверл, разверток, метчиков и др.) позволяет исключить типичный неисправимый термический дефект быстрорежущих инструментов - искривление заготовки при термообработке ;

• необходимым условием получения высококачественного режущего инструмента из мартенситно-стареющих сталей является предшествующая ее термообработке холодная пластическая деформация, с целью создания наклепа;

• инструменты и реализуемые с их помощью способы формообразования и наклепа цилиндрических изделий в условиях инструментального производства практически отсутствует;

2.Проведенные исследования могут иметь применение в машиностроении для эффективного формообразования цилиндрических поверхностей, как материалосберегающая технология альтернативная резанию.

3.Экспериментально установлено, что при аксиальной перекатке цилиндра в цилиндр головками, в отличие от других

процессов аксиального накатывания различных профилей, на цилиндрических стержнях, удлинение составляет порядка 20-80%_ и более в зависимости от материала -и диаметра; против фигурирующих в литературе (например для аксиального резьбонакатывания) 5-6%. Причину этого неизвестного ранее факта возможно трактовать как отсутствие радиального течения металла при перекатке цилиндров.

4.Удлинение по мартенситно-стареющим сталям связано с физико-механическими свойствами материала и составляет 1050% для диапазона диаметров 4-5 мм.

5. Показана и обоснована концепция двухроликовых инструментов для перекатки мелкоразмерных цилиндров с элиптической образующей калибрующей части роликов или с образующей аппроксимированной окружностью. Такое решение освобождает от необходимости оснащать инструмент различными поддерживающими устройствами.

6.Свойственные перекатке цилиндров величины удлинения позволили обосновать идею создания инструментов с разновеликими межосевыми углами с целью форсирования удлинения и как следствие - увеличение диаметральных припусков. Выдвинутое положение экспериментально доказано.

7.Показано, что перекатку длинномерных прутков целесообразно осуществлять планетарными инструментами с приводными роликами, что исключает или снижает вероятность скручивания прутка.

8.Полученная модель мощности процесса перекатки в виде уравнения регрессии (4.1), содержащее в качестве факторов: пластичность, припуск под перекатку, скорость и межосевой угол, позволяет определять значения мощности расчетными средствами.

9.Установлены, на основании изучения микрошлифов мартенситно-стареющих сталей Н7М14К15Х2Т1, 03Х11Н10М2Т2 и по другим материалам, зоны распределения микротвердости по сечению, что позволяет ориентироваться при изготовлении инструмента.

10.Практическое использование результатов исследования нашло свое выражение в следующем:

10.1 .Разработана планетарная головка для перекатки длинномерных цилиндрических прутков. Патент Р.Ф, № 2100125 от 27 декабря 1997г;

10.2.Предложен способ формообразования

цилиндрических поверхностей пластической деформацией и инструмент для его осуществления. Патент Р.Ф. № 2102176 от 20 января 1998г;

10.3 .Разработана аксиальная головка для перекатки мелкоразмерных цилиндров, положительное решение №97104444/02(004522) от 19 марта 1997г.

10.4.Поставлена лабораторная работа для студентов по исследованию перекатки цилиндрических поверхностей;

10.5.Направлены предложения организациям по практическому использованию новых разработок.



Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

"СТАНКИН"

РАЗРАБОТКА ГОЛОВОК ДЛЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И НАКЛЕПА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕЛКОРАЗМЕРНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ.

Специальность 05.03.01.- Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент.

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Старцев Андрей Николаевич

УДК 621.992.7.02.001.5

ДИССЕРТАЦИЯ

Научный руководитель Заслуженный деятель науки и техники

доктор технических наук, профессор Султанов Т.А.

Москва 1998г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ СОБСТВЕНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 10

1.1. Характеристика мелкоразмерного режущего инструмента 10 1.1.1 . Условия эксплуатации мелкоразмерного

режущего инструмента 10 1.1.2. Быстрорежущая сталь как материал для мелкоразмерного

режущего инструмента 11

1.2. Мартенситно-стареющие стали 13

1.2.1. Физико-механическая характеристика стали 13

1.2.2. Механизм упрочнения стали 18

1.2.3. МСС и пластическая деформация 21

1.3. Методы холодной пластической деформации 24

1.3.1. Элементы обработки металлов давлением 24

1.3.2. Поперечно-винтовая прокатка 25

1.3.3. Волочение 27 1.3.4 . Метод поверхностно пластического деформирования (ППД) 31

1.4. Кинетопластическое формообразование поверхностей (КПФ) 33

1.4.1. Процесс комбинированного резьбонакатывания 36

1.4.2. Формообразование цилиндрической поверхности инструментом реверсивного типа 44

1.4.3. Резьбонакатная головка непрерывного накатывания 47

1.5. Обобщенная модель процесса кинетопластики 47 Заключение и задачи собственных исследований 51

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Характеристика процесса перекатки 54

2.2. Модель процесса перекатки 54

2.3. Экспериментальное оборудование и инструмент 64

2.4. Обрабатываемые материалы 70

2.5. Элементы теории планирования эксперимента 73

2.5.1. Экспериментальные исследования крутящего момента 75

2.5.2. Определение степени относительной деформации 77

2.5.3. Экспериментальные исследования удлинения 77

2.6. Методика металлографических исследований 79 2.6.1 Измерение микротвердости,

проведение металлографического анализа 79

Заключение 81

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ИНСТРУМЕНТОВ

3.1. Особенности процесса формообразования цилиндров 82

3.1.1. Общие положения 84

3.1.2. Экспериментальные исследования удлинения 88

3.1.3. Влияние межосевого угла на удлинение 88

3.2. Концепция создания инструмента с форсированным удлинением 92

3.2.1. Описание идеи и схема 92

3.2.2. Экспериментальные исследования 93

3.3. Особенности проектирования инструмента для перекатки мелкоразмерных цилиндров 93

3.3.1. Особенности перекатки предельномалых диаметров 93

3.3.2. Концепция двухроликовой головки 96

3.4. Прочность стержня заготовки 100

3.4.1. Прочность на скручивание 100

3.4.2. Концепция создания планетарных головок 104 Заключение 105

4. ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ПЕРЕКАТКИ 107

4.1. Мощность процесса 107

4.1.1. Экспериментальные данные матрицы 107

4.1.2. Уравнение регрессии 109

4.1.3. Адекватность модели 109

4.1.4. Мощность для вариантов процесса 113

4.2. Силы перекатки 122

4.3. Начальная стадия процесса 122

Заключение 124

5. ПРИОБРЕТЕННЫЕ СВОЙСТВА 126

5.1. Наклеп 126

5.1.1. Картина распределения наклепанного слоя по

МСС и другим материалам 127

5.1.2. Распределение твердости 133 Заключение 134

6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 135

6.1. Планетарная головка для перекатки длинномерных цилиндрических прутков 135

6.2. Способ формообразования цилиндрических поверхностей пластической деформацией и инструмент для его осуществления 139

6.3. Аксиальная головка для перекатки мелкоразмерных цилиндрических прутков 140 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 147 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ 150

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшая задача инструментальной науки - обеспечение выпуска функционально полноценного и технологичного инструмента, удовлетворяющего основным запросам современного производства.

В рамках этой общей задачи находится проблема использования для режущих инструментов современных инструментальных материалов, со всем шлейфом сопутствующих проблем, в сочетании с металлосберегающим характером новых технологий, нуждающихся в создании соответствующих процессов, инструментов и оборудования для их осуществления.

На сегодняшний день доля быстрорежущей стали (типа Р6М5) в производстве мелкоразмерного инструмента составляет более 80%. Но необходимо учитывать, что традиционному производству режущего инструмента - сверл, метчиков, разверток и т.д. -диапазона диаметров 1-6 мм и менее свойственны органические недостатки, возникающие в связи с использованием обычных быстрорежущих сталей.

Быстрорежущая сталь применительно к использованию мелкоразмерного массового инструмента характеризуется следующими особенностями:

1. Значительными термическими деформациями изделий, возникающими при высокотемпературной термообработке тонких изделий (закалке 1200-1250°С), а отсюда проявление неисправимого брака по этой причине, доходящего по количеству до 40%;

2.Наличием крупных угловатых карбидов в режущих кромках готового инструмента, приводящих к их выкрашиванию при резании и досрочному наступлению износа;

3.Низкой пластичностью стали в холодном состоянии, особенно при получении мелкоразмерного прутка диаметра 1-6 мм и менее.

Одним из возможных решений является применение принципиально нового класса материалов - безуглеродистых

мартенситно-стареющих сталей (МСС). Главным их отличием является [1,14,22,33,66]: низкотемпературная термообработка (старение при ( = 500-550°С), что исключает температурные деформации, в результате чего достигается твердость 1ШСэ 65-68 при прочности <Тв=300-420Мпа.

МСС успешно применяются в разных отраслях машиностроения авиационной, судостроительной, пищевой, химической, медицинской и д.р. Эффективность МСС в перечисленных выше областях в значительной степени объясняется необходимостью обработки труднообрабатываемых сталей и химически активных титановых сплавов.

Но необходимым условием получения высокой твердости инструмента из МСС является проведение предварительной пластической деформации с целью создания наклепанного слоя на заготовке непосредственно перед старением. Таких технологий, осуществляемых инструментальными средствами в условиях машиностроения и инструментального производства практически не существует.

Известны методы обработки цилиндрических поверхностей холодной деформацией - прокатка и волочение, осуществляемые на специальном оборудовании на металлургических предприятиях. Но должного результата они не дают, т.к., во-первых, организационно разрывают две стадии изготовления на металлургическую и инструментальную, во-вторых, исключают получение ступенчатых заготовок и, в-третьих, создаются трудности с дальнейшим рихтованием проволоки. В данном случае, нужен процесс пластической обработки мелкоразмерных заготовок значительной номенклатуры по диаметру и длине, который осуществляется на станках общетехнологического назначения, например, токарной группы, в условиях инструментального производства.

Анализ литературы, патентных материалов, промышленного опыта показал, что процесс пластической деформации на общетехнологическом металлорежущем оборудовании реализуется

уже давно. Результатом служат известные процессы формообразования рифлений, резьб, шлицев, зубчатых и других профилей на металлорежущих станках {8,9,12,18,49,51 ¡.

Процессы достаточно хорошо изучены и эффективно применяются в дромышленности, о чем свидетельствует широкая гамма выпускаемого накатного инструмента: Германия — Wilhelm

Fette, Girstav Wagner, PEE-WE E Machinen; Франции - Escolie г;

Англия - A.C. Wie km an Limited, Acton Bolt Limited; Швейцарии -

Ernst Grob, M a a g Chanreder; США - La n die Mae hin® Company,

Reed Rolled Thread Ше Company и др.

В нашей стране разработкой и эксплуатацией накатных инструментов занимаются многие организации^ предприятия и институты различных отраслей промышленности, например ВНИИинструмент, МГТУ "СТАНКИН", завод "Фрезер", МИЗ, ЗИЛ, ВАЗ и др., широко используются накатные головки типа BHFH, FYP, ЗИЛ

Учитывая сказанное, реальным является использование положений сформировавшегося в последнее время направления в металлообработке и получившее по предложению проф. Султанова Т. А. наименование "Кииетоиластика", заключающегося в использовании инструментов для формообразования пластической деформацией на металлорежущих станках практически всех видов поверхностей (зубчатых, винтовых, плоских, шлицевых, кольцевых, цилиндрических и д.р.). Но изучалось в основном формообразование сложных поверхностей и мало внимания уделялось обработке цилиндра, так как это рассматривалось лишь- как этан подготовки определенного диаметра заготовки под накатку резьбы или другого профиля, а также как стадия финишной обработки поверхности [8,39,62].

Цель работы - разработка головок для формообразования цилиндрических поверхностей и создания наклепанного слоя у заготовок из мартенситно-стареющих сталей, минимизирующих погрешности формы мелкоразмерных инструментов.

Общая методика. Достижение поставленной цели осуществлялось решением задач с применением экспериментальных и теоретических исследований

Научная новизна заключается в: -системе двухроликовых головок аксиального типа без поддерживающих элементов для перекатки цилиндра в цилиндр предельно малого размера; -экспериментальном обосновании аксиальных головок с

разновеликими межосевыми углами; -закономерностях удлинения цилиндрических заготовок из МСС и ряда других материалов при перекатке цилиндра в цилиндр аксиальными головками на станках токарной группы; -модели мощности процесса перекатки головками в виде уравнения

•з

регрессии, учитывающего пластические свойства материала, межосевой угол инструментов, припуск и скорость перекатки, необходимые при проектировании инструментов; -закономерностях распределения наклепа и изменения микротвердости у мартенситно-стареющих и других инструментальных сталей в результате перекатки, позволяющие обосновать выбор материала для соответствующих инструментов.

Практическая ценность состоит в рекомендациях по созданию и использованию аксиальных головок различных видов для формообразования мелкоразмерных цилиндров и создания у них наклепанного слоя.

Разработаны и запатентованы оригинальные конструкции инструментов для перекатки. Результаты исследований используются в учебном процессе и при проектировании инструментов. Материалы диссертации направлены ряду заводов для использования.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции "Совершенствование процессов финитной обработки в машино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды" (г. Минск, 1995 г.), юбилейной международной научно-технической

конференции "Вопросы совершенствования технологических процессов механической обработки и сборки изделий машиностроения" (г. Тула, 1996 г.), международной юбилейной научно-технической конференции "Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, металлорежущих станков и инструментов" (г. Тула, 1997 г.) и заседаниях кафедры "Инструментальная техника и компьютерное моделирование" МГТУ "СТАНКИН".

Публикации. По материалам диссертации опубликованы тезисы докладов на упомянутых выше научно-технических конференциях, а также получены три патента т.е. всего 6 публикаций.

Запатентованы:

■7

1.Планетарная головка для перекатки длинномерных цилиндрических прутков. Патент Р.Ф, № 2100125 от 27 декабря 1997г;

2. Способ формообразования цилиндрических поверхностей пластической деформацией и инструмент для его осуществления. Патент Р.Ф. № 2102176 от 20 января 1998г;

3.Аксиальная головка для перекатки мелкоразмерных цилиндров, П оложительное решение №97104444/02(004522) от 19 марта

1997г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и общих выводов, изложена на 155 страницах машинописного текста и содержит 64 рисунков, 15 таблицы, а также список литературы, включающий 66 наименований.

Диссертация заслушана и рекомендована к защите кафедрой "Инструментальная техника и компьютерное моделирование" Московского государственного технологического университета "СТАНКИН".

Автор считает своим долгом выразить искренную благодарность за помощь при выполнении данной работы д.т.н. профессору Кремневу Л.С. и к.т.н. доценту Климову В.Н.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Характеристика мелкоразмерного режущего инструмента.

1.1.1. Условия эксплуатации мелкоразмерного режущего инструмента.

Мелкоразмерный режущий инструмент характеризуется специфическими условиями эксплуатации, поскольку возникает ряд факторов, оказывающих значительное влияние на его работу и качество обработанной поверхности. Выделим основные из них:

-высокие напряжения изгиба и кручения - основная причина поломки инструмента до наступления нормального износа;

-наличие в обрабатываемом материале поверхностных дефектов - микротрещин, зон с пониженной твердостью, крупных карбидов, размеры которых соизмеримы с размерами режущих кромок инструмента; в результате возникают сильные вибрации и, как следствие, - выкрашивание карбидов и затупление режущих кромок;

-низкие скорости резания из-за небольшого диаметра инструмента, причем значения подач не могут быть повышены, так как ограничиваются пределом прочности инструмента;

-сложные условия стружкообразования и ее удаления из зоны обработки;

-активация явлений диффузии и адгезии под действием высоких температур и усилий резания при малой поверхности теплоотдачи и сложности с подачей СОЖ в зону обработки.

Все это вызывает особые требования к качеству изготовления инструмента и применяемым инструментальным сталям.

1.1.2. Быстрорежущая сталь как материал для мелкоразмерного режущего инструмента .

Качество выпускаемого инструмента начинает создаваться еще на заготовительной стадии. Быстрорежущая сталь по своей структуре относится к ледебуритному классу, т.е. в литом виде присутствует ледебуритная эвтектика, которая устраняется путем измельчения первичных карбидов ковкой в горячем состоянии [1, 5], получая в результате структуру из сорбитообразного перлита вторичных и более крупных первичных карбидов. Для получения необходимого диаметра прутка с минимальной карбидной неоднородностью и размером карбидного зерна необходима многократная ковка и последующая перекатка с промежуточными отжигами после каждого 50% обжатия. А минимальный диаметр калиброванного прутка "серебрянки" 0 6- 2мм в основном получают шлифованием. В

результате всего этого в материале происходят структурные превращения, оказывающие влияния на основные свойства стали: твердость, прочность, теплостойкость.

Установлено, [66] что значения твердости и теплостойкости у режущего инструмента, изготовленного из прутка 0 6-2 мм, часто

бывают меньше по сравнению с этими показателями для диаметра 8 мм. Как видно из (рис.1.1.а, б)^ среднее значение твердости и теплостойкости мелкоразмерных инструментов из быстрорежущей стали понижается с уменьшением диаметра'серебрянки"

На этапе изготовления режущий инструмент (а это массовые количества сверл, метчиков, разверток, фрез и др.) проходит стадию высокотемпературной термообработки (закалки при I = 1210-1250°

С), последствия которой - значительные термические деформации, приводящие к искривлению и не поддающиеся правке, отсюда -отход по браку после термообработки в реальном производстве доходит до 40%.

НЯСэ

>ис.1Л.(а). Распределение значений твердости по задней поверхности

сверл из стали Р6М5.

Теплостойкость ° С

РисЛ.1.(б). Распределение значений теплостойкости в зависимости от диаметра серебрянки. Сталь Р6М5.

Более того, некоторые дефекты изготовления могут частично остаться в готовом инструменте, повышая вероятность отказа во время работы.

Итак, выделим основные недостатки быстрорежущей стали, оказывающие значительное влияние на качество готового инструмента:

¡.Повышенная склонность к деформациям при закалке;

2.Низкая технологическая пластичность;

3.Наличие крупных угловатых карбидов в структуре закаленной стали;

4.Склонность к обезуглероживанию при нагреве;

5.Пониженная шлифуемость, особенно в присутствии карбида ванадия;

Из всего вышесказанного напрашивается вывод о необходимости применения для мелкоразмерного инструмента новых инструментальных материалов, отвечающих вышеуказанным требованиям и позволяющим снизить процент брака при изготовлении инструмента.

1.2. Мартенситно-стареющие стали. 1.2.1. Физико-механическая характеристика стали.

Мартенситно-стареющие стали широко известны и

применяются во многих отрас�