автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка и внедрение ресурсосберегающей технологии изготовления инструмента из быстрорежущей стали методом наплавки в вакууме

ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

/ч

- Сг

I ■ ^

I На правах рукописи

Бородннов Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ

ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ МЕТОДОМ НАПЛАВКИ В

ВАКУУМЕ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

з

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1997

03 Г-

Диссертация является рукописью

«

Работа выполнена в Харьковском научно-исследовательском институт технологии машиностроения Министерства машиностроения, военнс промышленного комплекса и конверсии Украины.

доктор технических наух, профессор Мовшович Александр Яковлевич

доктор технических наук, профессор Тернюк Николай Эммануилович

кандидат технических наук, доцент Зенкин Николай Анатольевич

НИИТЭлектромаш г.Харьков

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

Защита состоится "¿2Г ¿/Л7//Я 1997г. ъ/4 _часов

на заседании специализированного ученого совета Д 02.09.01 в Харьковском государственном политехническом университете (310002, г. Харькоа-2, ГСП, ул. Фрунзе, 21)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского государственного политехнического университета

Автореферат разослан мая 1997г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета

Узунян М.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обработка металлов резанием является основным ¡1 аиболее дорогостоящим способом формообразования деталей п ашиностроении. Одним из методов сокращения затрат на механическую эработку является применение высокопроизводительного ре;хухцего нструмента. Развитие прогрессивного режущего инструмента осуществляется по тедующим основным направлениям:

- разработка и внедрение новых инструментальных материалов;

- совершенствование конструкций сборного режущего инструме'гга с ^перетачиваемыми твердосплавными пластинами;

- создание и внедрение высокопроизводительных конструкций ре::<ущего нструмента;

расширение области применения монолитного твердосплавного •■струмента;

- разработка и внедрение новых технологий, обеспечивающих снижение прат при изготовлении прогрессивного режущего инструмента;

- разработка и внедрение различных методов упрочнения инструмента н др.

В настоящее ьремя основную массу применяемого з мзшниоетроешш ¡ециального режущего инструмента (около 75%) составляет инструмент из ¿стрсргжущих сталей. Однахо дефицит быстрорежущих сталей из-за отсутствия I Украине таких легирующих редкоземельных металлов, как \"/-сольфрам, V -1надий, Со - кобальт, Сг - хром, сдерживают создание и внедрение )огрессивных видов инструмента.

Анализ потребности ряда машиностроительных предприятий з паллорежущем инструменте из быстрорежущих сталей показывает, что дефицит жрывается только на 40-60 %. Наличие дефицита и высокая стоимость юококачественных инструментальных сталей требуют поиска нетрадиционных шенерных решений в создании экономичного высококачественного ¡струмента из быстрорежущих сталей.

В данной работе рассматривается и научно обосновывается одно нз [правлений решения проблемы дефицита металлорежущего инструмента зз счет зр?.ботки и внедрения ресурсосберегающей технологии и оборудования, нованной на способе вакуумно-дуговой наплавки быстрорежущей стали на /¡сущие кромки инструмента, корпус которого изготавливается нз нструкционных сталей.

По N416111110 автора, данный способ является наиболее перспективным и ¡ладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными способами, как с чки зрения обеспечения требуемых повышенных рабочих характеристик 1лучаемого инструмента (стойкость, износ, прочность, твердость), так и агоприятного влияния вакуумной среды на микроструетуру наплавляемого ггалла в процессе ого кристаллизации, позволяющего получить рафинированную ипрорежущую стянь.

Исходя из вышеизложенного, тема данной работы представляется актуально и своевременной. 1

Разработка диссертации проводилась в соответствии с тематикой основны научно-исследовательских и опытно- конструкторских работ института и являете частью комплекса работ по созданию и внедрению ресурсосберегающн технологий на предприятиях различных отраслей народного хозяйства Украин (тема ТТУ 660-87; тема 1157/07; тема 5625/07).

Диссертация представляет собой научный труд, в котором изложены научш обоснованные технические и технологические решения, направленные I внедрение достижений науки в производство и реализованные с экономически эффектом на ряде машиностроительных предприятий Украины.

Цель работы - разработка научно-технических основ создания и внедрен* промышленного оборудования и ресурсосберегающей технологии изготовлен* биметаллического металлорежущего инструмента методом вакуумно-плазменнс наплавки быстрорежущей стали на заготовку из конструкционной стал: обеспечивающих повышение срока службы, эффективность применен* инструмента и снижение его стоимости.

Методы исследования. Теоретические исследования были проведены на ба: теории упругости, сопротивления материалов и технологии машиностроения использованием вариационных методов Ритца и конечных элементо дифференциального исчисления функций одной и нескольких переменны Экспериментальные исследования выполнены на специальной измеритсльнс установке для измерения статических и динамических характеристик контактно! взаимодействия при резании, с последующей обработкой результатов методах математической статистики. При исследовании структуры и свойств наплавленнс стали использовались методы химического и рентгеноспектрального анализа. П; расчетах и обработке экспериментальных данных использовалась ЭВМ.

Научная новнзна. Впервые предложен комплексный научно-обоснованнь подход к исследованию, разработке и внедрению ресурсосберегающй технолоп и оборудования для изготовления инструмента из быстрорежущей стали методе наплавки в вакууме, обоснованы критерии его эффективного применения.

Теоретически исследованы и экспериментально обоснованы геометричесю формы и конструктивные параметры основных элементов промышленш установки для наплавки инструмента в вакууме, получены аналитическ] зависимости для определения напряженно-деформированного состояния корпу .камеры.

Впервые, применительно к инструменту, полученному методом наплавки вахууме, разработана методика и проведено исследование статических динамических характеристик процесса резания, установлены зависимост определяющие связь между основными составляющими режимов резания.

Впервые получены и экспериментально исследованы структура и свойст инструмента из быстрорежущей стали, полученной методом наплавки в вакуу]

з промышленной установке, установлены значения технологических параметров методы улучшения свойств и качества инструмента.

Практическая ценность. На основании результатов проведенных следований разработана, изготовлена и внедрена в производство промышленная ;тановка с ЧПУ для наплавки быстрорежущей стали на режущие кромки нструмента. Конструкции и способ защищены А.С.№ 1543727 и А.С. № 598001.

Разработана комплексная ресурсосберегающая технология изготовлен'.« в эомышленных условиях биметаллического режущего инструмента.

Разработаны рекомендации по улучшению структуры наплавленной в 1кууме быстрорежущей стали и достижению оптимальных сочетаний засностойкости, твердости и экономичности.

Внедрение специального биметаллического инструмента . на шшностроительных предприятиях позволило снизить дефицит быстрорежущей али, повысить качественные характеристики инструмента, снизить его оимость и получить экономический эффект от внедрения инструмента в размере >8,2 тыс.рублей (о ценах 1991 года).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы »ложены на отраслевом семинаре "Состояние, перспектива развития и внедрения «струмента и УСПО" г. Азов, 1990г.; на 4 Украинской республиканской научно-хиической конференции "Современные методы наплавки, упрочняющие жрытия и используемые материалы" г. Харьков, 1990 г.; на Всесоюзной >нференции "Высокопроизводительное оборудование и прогрессивные хнологии в машиностроении" г. Красногорск, 1991 г.; на научно-техническом минаре "Презентация новых разработок Харьковского научно-следовательского института технологии машиностроения" г. Харьков, 1992 г.;

научно-техническом семинаре "Перспективные вопросы развития базовых хнологий в машиностроении" г. Харьков, 1995 г.; на научно-технических облемных семинарах и заседаниях научно-технического совета ХНИИТМ в 88-1996 г.г. Диссертация полностью докладывалась на заседании кафедры 1еталлорежущие станки и системы" Харьковского государственного литехнического университета.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано в научно-кническнх журналах и сборниках 15 статей и получено 2 авторских идетельства на конструкцию и способ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, новных выводов, списка литературы н приложений. Работа содержит, 3 стр." машинописного текста, 2i , таблиц, 70 рисунков, 13? наиме-ваний литературных источников и 19 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работ; кратко изложены основные вопросы, рассматриваемые в диссертации представляющие новые прогрессивные решения исследуемой проблем! представлены основные положения, выносимые на защиту.

Глава первая посвящена анализу состояния вопроса и перспективе развит! прогрессивного режущего инструмента на машиностроительных предприятия анализу существующих технологических методов изготовления ыеталлорежущс! инструмента, анализу способов получения инструмента из быстрорежущей стш методом наплавки и анализу основных свойств быстрорежущих стале сформулированы цель и задачи, решаемые в диссертации для достнжеш поставленной цели.

С целью снижения расходов на механическую обработку, повышен! производительности при изготовлении деталей и уменьшения дефици редкоземельных материалов на машиностроительных предприятиях применяет значительное количество новых марок быстрорежущих сталей, твердых сплаао шнералокерамикн, синтетических сверхтвердых материалов. Основную мао применяемого в машиностроении инструмента (до 75 %) составляет инструмент: быстрорежущих сталей, при этом применение сталей повышенн< производительности достигло 25 % от общего объема использован) быстрорежущей стали. В последние годы находят все большее применен! быстрорежущие стали с пониженным содержанием вольфрама (до 3%). машиностроении освоена технология изготовления режущего инструмента быстрорежущих сталей, полученных методом порошковой металлург« Значительным резервом экономии легирующих редкоземельных материал является наплавка режущих кромок инструмента и вторичное использование ло] быстрорежущей стали. В металлургии освоена технология производства сортозо проката из быстрорежущих сталей диаметром 8-100 мм. Дня произведет крупногабаритного инструмента диметром свыше 80 мм применяются лип заготовки быстрорежущих сталей электрошлакового переплава. С цел! повышения в 2,5-3,0 раза стойкости инструмента при обработке жаропрочш сплавов применяется инструмент из мелкозернистых и особомелкозернисп твердых сплавов. Проводятся работы по изготовлению безвольфрамовых тверд] сплавов. На ряде машиностроительных предприятий успешно применяет минералокерамический инструмент. В последние годы значительное внимал уделяется повышению режущих свойств инструмента за счёт нанесения на с ребочие поверхности износостойких покрытий.

Проведенный аналитический обзор зарубежных и отечественных источник показал, что основным направлением в развитии прогрессивного режуще инструмента является повышение эффективности обработки деталей одновременным сокращением расхода дефицитных вольфрамосодержащ материалов.

Основополагающими технологическими направлениями развития 1рогрессивного режущего инструмента являются:

- применение сталей повышенной теплостойкости;

- применение твердых сплавов с повышенным содержанием Со и оснорой из сарбидов тантала;

- применение безвольфрамовых твердых сплавов;

- применение синтетических твердых и сверхтвердых материалов;

- применение оксидно-карбидной керамики;

- применение биметаллических заготовок;

- получение заготовок порошковой металлургией;

- упрочнение инструмента лазером, нанесение износостойких покрытий и др.

Одним из основных факторов, определяющих выбор метода изготоалення

аготовки инструмента, является форма сечения, размер и состояние поставляемой шструментальной стали. Стержневой инструмент диаметром более 10 ыи ккомендуется изготавливать сварным, при этом до 030 мм применяют орячекатанный прокат, свыше и50 мм - поковхи. Стержневой инструмент (иаметром менее 10-12 мм изготавливают цельным из горячекатаннсго проката. 1асадной цельный инструмент диаметром до 50 мм изготавливают из штучной орячекатанной заготовки. Инструмент диаметром 0олее 50 мм изготавливают из юховки. В крупносерийном производстве заготовки дискового инструмента «комендуется штамповать, а заготовки концевого инструмента получать [рессованием или гидродинамическим выдавливанием.

Заготовки корпусов сборных инструментов изготавливают нз орячекатанного сортового проката конструкциогшой стали. Основными ехнологнческими методами изготовления сборного инструмента являются:

- приваривание пластин из быстрорежущей стали на державки (корпуса) из инструкционной стали;

- припаивание термически обработанных пластин к корпусу или державке;

- наплавление режущих частей инструмента;

- припаивание пластин из твердых сплавов;

- клеевые соединения инструментов;

- закрепление кристаллов из сверхтвердыхматериалов в державке и др.

Одним из наиболее перспективных способов получения сборного

иметаллического инструмента является наплавление. Способ имеет следующие остоинства по сравнению с литыми или коваными заготовками из ыстрорежущей стали:

- наплавленный инструмент имеет повышенную стойкость;

-прочность наплавленного инструмента поЬуиена за счет конструкционной [арки стали корпуса;

- брак заготовки наплавленного инструмента исключен;

- за счет регулирования процесса наплавки специальными присадками можно олучить наплавляемый металл с более высокими режущими свойствами.

На машиностроительных предприятиях при изготовлени; специализированного режущего инструмента применяется ручна« механизированная и автоматизированная наплавка плавящимся электродом механизированная и автоматизированная наплавка под флюсом; аргонно-дугова наплавка неплавящимся электродом в защитной среде; электроконтактна наплавка и плазменная вакуумно-дуговая наплавка.

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том, что наиболе перспективным способом изготовления наплавляемого инструмента являете способ электродуговой наплавки в вакууме полым катодом. Однако-преимуществ данного способа могут быть реализованы только при дальнейшем исследовани условий получения качественного соединения наплавляемого металла с основнык разработке технологии и внедрении оборудования, которые обеспечат высоку) стабильность свойств наплавленного металла.

Основные показатели качества режущего инструмента - это: твердостг красностойкость, износостойкость, прочность, вязкость и экономичное!! Повышение того или иного показателя достигается путем изменения химическог состава стали, изменением режимов термообработки, а также нанесение! различных покрытий. При этом увеличение одного часто сопровождаете снижением других показателей.

Механические свойства наплавленного в вакууме слоя близки ил превосходят свойства стандартного металла из проката того же состава. Поскольк толщина наплавляемого слоя небольшая, то кристаллизация происходи ускоренно, и получаемая микроструктура слоя более мелкозернистая однородная, чем у литых инструментов. Поэтому наплавка позволяет получат более высокую прочность и вязкость, чем у обычной литой стали, и в некоторы случаях можно отказаться от последующей термообработки инструмента.

Анализ способов получения прогрессивного режущего инструмента показа что одним нз наиболее перспективных экономически является способ наплавки вакууме быстрорежущей стали на заготовку из конструкционной стали. Одна* приводимые в литературе рекомендации по узким частным вопросам наплавки отсутствие единой методики не могут быть использованы в полной мере пр разработке научно-технических основ создания промышленного оборудования ресурсосберегающей технологии изготовления биметаллическо1 металлорежущего инструмента методом вакуумно-плазменной наплавк Необходимо провести комплекс теоретических и экспериментальнь исследований, результаты которых позволят на научной основе созда' промышленное оборудование и ресурсосберегающую технологию изготовлен! инструмента из быстрорежущей стали методом наплавки в вакууме.

На основании вышеизложенного анализа в диссертации определены основнь цель и задачи исследования, а также пути их реализации.

Во второй главе представлены конструктивно-технологические осное разработки промышленного оборудования для изготовления инструмента методе наплавки в вакууме. Приведена конструкция опытной установки для получен!

аготовок инструмента методом наплавки в вакууме, даны рекомендации «о 1ыбору геометрической формы и размеров основных конструктивных элементов 'становки, представлены методика и результаты теоретических исследований тпряженно-деформированного состояния корпуса вакуумной камеры установки -1аиболее ответственного элемента конструкции, изложены основы комплексной ехнологии изготовления инструмента из быстрорежущей стали наплавленной в акууме на режущие кромки инструмента.

Установка состоит из вакуумной камеры с магазином заготовок, механизма 1ля вращения и перемещения заготовок, механизма подачи присадочной |роволоки, горелок для нагрева и наплавки заготовок, вакуумной системы, истемы охлаждения, пневмосистемы, системы подготовки подачи аргона, истемы смазки и системы управления на базе УЧПУ "Маяк-42-1". Все механизмы 1еремешений снабжаются дистанционным управлением и приводами с широким [ианазоном регулирования.

Установка работает в следующих режимах: ручной режим, установка нуля, вюматический режим управления процессами, выход в исходную точку, азгерметизация камеры.

Для реализации метода наплавки в вакууме быстрорежущей стали азработаны принципиальные схемы устройств -. кристаллизаторов некоторых азновидностей металлорежущего инструмента.

Наиболее ответственным и нагруженным элементом конструкции установки влястся корпус вакуумной камеры, обеспечивающий протекание ехнологического процесса наплавки с заданной точностью позиционирования онструкгивных элементов кинематической схемы. С целью определения рочности, жесткости и экономичности корпуса камеры были проведены еоретические исследования напряженно-деформированного состояния стенок и орпуса с помощью математического моделирования комбинированным методом. I процессе исследования были решены следующие задачи:

- определены критические нагрузки из условий устойчивости стенок камеры од действием сжимающих нагрузок;

- определено напряженно-деформированное состояние камеры;

- проведен анализ влияния некоторых конструктивных параметров вакуумной амеры на прочность и жесткость;

- разработаны рекомендации для конструкторов по выбору основных онструктивных параметров создаваемых вакуумных камер.

Представляя стенки корпуса камеры в виде однослойной пластины, уравнения згиба стенок корпуса записывается в виде:

<3с2 &

D =

EH

гяе 12(1- v2)

- цилиндрическая жесткость;

IV - нормальное перемещение точек корпуса д - погонные нагрузки вдоль осей х и у;

х у

- нормальное давление. Решение уравнение (1) ищется в виде:

£ . тлэс' . птсу'

ХСтп-Ът-БИТ

/и,/7=1,3 °

Ь '

(2)

где Стп - неопределенные коэфициенты.

Раскладывая правую часть уравнения (1) в ряд Фурье, получаем формулу для определения Стп '■

'ШП

16q0/

xbDmrt

\а

2 + l2

1

я D

а2

/J

(3)

где Я.-Я0-Const.

Представляя стенки корпуса в виде трехслойных пластин, уравнения их изгиба можно записать в виде:

~ ~ д2™ d2w Соответственно

значение Стп для этого случая определяется как:

■16V'

x'mri

ч^МтгМтТ-

дхп?л2 Чу^я2 о2 + #

SJ

(5)

Формула (3) позволяет оценить влияние сжимающих напряжений I срединной плоскости на велиину прогибов стенки.

Для расчета напряженно-деформированного состояния камеры использовала вариационный метод Ритца, требующий проведения минимизации функционал: полной внутренней энергии исследуемой системы:

7 7

/ = £ П к + X А к, (6)

А-1

где п* - потенциональная энергия деформации «-го элемента;

А к - работа внешних сил для к-го элемента. Так как стенки камеры представляют собой прямоугольные пластины, то ражение для П и А имеют вид:

(з)

д и> о ск2 + Ф2;

+ 2(1-V)

д2-» Аду.

\2

д2\у д2\у

а?' г?

(7)

А=

(5)

где Б - область пространства, занимаемая пластиной; О - цилиндрическая жесткость;

- прогиб точек срединной плоскости; q - внешняя нагрузка. Так как стенки камеры имеют ребра жесткости, то / содержит члены:

(8)

п2и

2 2(.) Г 12

\2

1 Я

П3 = -1С--.

2(*) *

\2

(9)

(Ю)

где 5",- паРаметРы> характеризующие поперечное сечение стенки камеры

г] = шах(5,/72), г2 = тт(5,Л2), б = 0,5£(1+н),

ч

1-0,63^+0,052

(II]

Отсюда / стенки камеры имеет вид:

где У - коэффициент, отражающий степень влияния крутильной жесткости

стержней на жесткость стенки. В конечном итоге функционал (6) принимает вид:

2 к к где Ок(ик,Ук\Ьк(ук). соответственно билинейная и лине!

форма от перемещения точек к-го элемен Дискретизация / осуществляется путем разложения в ряд искомых функц

/ 1 где (X ¡к - неизвестные коэффициенты;

ф базисные функции, удовлетворяющие фаничным условиям. Подставляя (13) в (12), получаем I в виде функции переменных

/ = Акуа&а ^-Т^^ВиОл,

2 к к I

(I

где

Лку = ак{<р,,(р^ (|5); Вк1 = Ък{<р),

В качестве базисных функций взята функция При этом соотношение (14) принимает вид:

/ = £ А кутп О- ¡/к ку а ¡у, (

к ¡,),т,п к /,у

где Акутп и Вц • вычисляются по аналогии с (15) и (16).

В дискретной форме условия сопряжения стенок корпуса вакуумной кaмej принимает вид:

где К - количество участков сопряжения стенок камеры;

(г) коэффициенты, учитывающие уменьшение числа ограничь м/ " участкам сопряжений. Для минимизации функционала (18) с учетом ограничений (19) был приме» метод проекций градиента. В результате итерационный процесс поиска решен записывается следующим образом .

- выбор начального приближения СС0\

- установление номера итерационного шага, ка1;

- определение градиента V I функционала 1

\ = ~^Ацахаг%Вха1У (20)

и «

(л)

(У/)4 = ЕАк|аГ-Вк, (21)

- определение проекции градиента на систему ограничений (19):

Т= У/-Х8г.(*г,У/), (22)

р система ортонормированных векторов, определяемых соотношением г " (19);

- определение текущего приближения решения

Л" * /5" (АМ) , т

= +//7*. (23)

и

Тц - компоненты вектора, задаваемые формулой (17); - проверка близости вектора текущего решения к точному

|л/|

ж"- <И)

/, Д/ - функционал и его приращение на к-м шаге минимизации;

£ - некоторая наперед заданная величина, характеризующая точность процесса минимизации. Предложенная методика была реализована в виде программ для ПЭВМ на

ке ФОРТР/11. Выходная информация содержит: параметры Стп правой части мулы (2), распределение прогибов иг, изгибающих моментов МХ»МУ и

у, максимальных напряжений СГх,(Ху и Тху и эквивалентных напряжений

дм „ (тк\ (тлх'Л . ГляуЛ

ъ /

(

(

(

(

•Я; (

(

В результате проведенных расчетов были определены оснопн геометрические размеры стенок и параметры корпуса вакуумной камеры, а так установлено, что потери устойчивости стенок вакуумной камеры при длительн производственном процессе не происходит, эквивалентные напряжения в корп) вакуумной камеры не превышают 60 МПа, что обеспечивает работу материал; упругой области ([<т]=200 МПа).

В главе даны основы комплексной технологии изготовления инструмента быстрорежущей стали методом наплавки. В предлагаемом способе изготовлен режущего инструмента наплавка производится полым катодом дуговым разряд в вакууме 1,33+0,133 МПа в канавки, выполненные на заготовке инструмента повторяющие форму и размер режущей кромки зуба, причем поверхнос заготовки инструмента перед наплавкой нагревается выше критической точ (АС]) перехода металла заготовки в аустенит, но не более 1100°С, а затем, ( оплавления материала заготовки, канавки заполняются быстрорежущей сталь при этом поддерживается капельный перенос присадочного материала просола в канавку. Благодаря регламентации расхода присадочного материала и нанесен! . его в виде капель на нагретую заготовку инструмента в вакууме получаем прочное качественное соединение наплавляемого металла с основным металл заготовки без перемешивания.

Основными параметрами режима при наплавке инструмента являют температура предварительного подогрева заготовки, сварочный ток и напряжен дуги, размеры и формы зоны нагрева, длина дугового промежутка н скоро< наплавки. Существенное влияние на наплавку оказывают диаметры полого кате и присадочной проволоки, размер выходного отверстия для плазмы

M

>мирователя, скорость подачи проволоки, размеры и масса заготовки для лавки.

Таким образом созданная конструкция камеры сочетает оптимальные аметры жесткости, прочности и экономичности. Комплексная технология этовления режущего инструмента обеспечивает экономию до 85 % трорежущей стали.

В третьей главе приведены методика и результаты сравнительных териментальных исследований по комплексному изучению параметров вшивания быстрорежущего инструмента из обычной кованой стали и ученного различными режимами наплавки в вакуум, а также статических и амических характеристик контактного взаимодействия в процессе резания. Изучалась величина интенсивности изнашивания по задней поверхности ущего инструмента. Необходимые измерения проводились . на грументальном микросколе МБИ. Для измерения и регистрации статических жтеристик процесса контактного взаимодействия использовалась специальная грительная установка. Установка позволяла измерять составляющие сил

1ния и регистрировать постоянную {Е)и переменную {Ё) составляющие «о-ЭДС естественной термопары деталь-инструмеит.

Сравнительные исследования изнашивания производились на инструменте стандартной кованой быстрорежущей стали PI8; наплавленной Р18 ¡менным методом в молибденовый кристаллизатор; наплавленной в вакууме плазменным методом в охлаждаемый проточной водой медный ггаллизатор и наплавленной в вакууме плазменным методом Р18 при ¡одном формировании слоя.

Среднее значение износа и среднеквадратичное отклонение S определялись звестным формулам

(35)

2

По критерию Û) Н.В.Смирнова проверялась ределении износа

Н.В.Смирнова проверялась гипотеза о нормальном

(36)

P(h3)

п - объем выборки;

[Иг) функция распределения износа,

п -

s

где Ф0 - нормированная функция Лапласа.

Сравнительный анализ результатов исследований режущих свой« быстрорежущей стали при точении стали 45 в традиционных системах коордм "нзкос задней поверхности инструмента - время" и "стойкость - скорость резан! позволяет утверждать, что повышение износостойкости наплавленной ст£ составляет в среднем 20-50 %, особенно стали, полученной наплавкой в ваку> в охлажденный катализатор.

Для »следования влияния режимов резания на статические и динамичен характеристики процесса контактного взаимодействия была проведена cej экспериментов по измерению составляющих сил резания и термо-ЭДС г точении стали 45 и 12Х18Н10Т

Анализ результатов эксперимента показал, что при резании стали значимых различий в составляющих сил резания Рх%Ру и Рг для исследуем быстрорежущих сталей, нет. Однако при резанйи стали 12Х18Н10Т инструмент Р18, полученный вакуумным наплавом, обеспечивает устойчивую тенденции снижению составляющих сил резания Рх, Ру и Рг по сравнению с кова» быстрорежущей сталью. Это указывает на то, что наплавленная сталь PI8 сравнению с кованой имеет имеет лучшие фрикционные характерней скольжения аружки.

Анализ среднеквадратичных значений вибраций характеризует рост » компонентов виброхаракТеристик с увеличением скорости резания. Одн; быстрорежущие стали, полученные ныкуумным переплавом, уменьшают величи вибраций по о-равнению с кованой Р18 в среднем на 15-60%. Это говорит о т что контактные процессы, протекающие на флуктуационном ypot характеризуются для наплавленных сталей не только меньшей адгезиош активностью к обрабатываемому материалу, но и меньшими значенш мощности теплового источника от флуктуатацни скоростей.

Результаты экспериментальных исследований среднеквадратичен значений переменной составляющей термо-ЭДС (е) позволяет утверждать, инструмент, изготовленный из Р18 методом вакуумной наплавки, обеспечив более низкий, на 20-35%, уровень диссипнруемой тепловой энергии в з резания по сравнению с кованой быстрорежущей сталью.

Анализ результатов проведенных исследований позволяет сделать вывод, деформационные процессы и процессы трения для инструмента из стали F наплавленной в вакууме, протекают на более высоком структурном уро металлов при меньших энергетических затратах, приводящих к снижен изнашивания по сравнению с инструментом из кованой стали Р18. При у стойкость увеличивается в 1,4-1,7 раза, износ уменьшается на 25*3 составляющие сил резания РХ,РУ и Р: значимых различий не име виброхарактеристики уменьшаются на 15+60 % в зависимости обрабатываемого металла.

Четвертая глава посвящена вопросам исследования структуры и свойств трорежущей стали, полученной методом наплавки в вакууме. Приведены /льтаты исследования и анализа химического состава различных образцов ггрорежущей стали, рассмотрены особенности ее макро- и микроструктуры, педованы возможность улучшения свойств наплавляемой быстрорежущей 1и путем изменения скорости кристаллизации и влияние термической аботки на ее структуру и свойства.

Исследование химического состава стали Р18 проводилось на спектографе дней дисперсии ИСП-30 с медным подставным электродом и комплектом юной стандартных образцов ВНИИСО-8ба. Кроме того, был проведен внительный контроль химического состава быстрорежущей стали на irei'OKCKOM многоканальном спектрометре СРМ-20М флюоресцентным тгеноспекгральным методом. Результаты исследований показывают,, что жческий состав наплавленной в вакууме быстрорежущей стали Р18 мало ичается от химического состава исходного наплавочного материала, [ержание основных легирующих элементов остаётся практически неизменным, жсходит испарение и окисление хрома н марганца.

Для исследования особенной макро- и микроструктуры наплавленной ¡трорежущей стали были наплавлены образцы.из стали 40Х прямоугольной >мы с полукруглыми канавками различной глубины. Наплавка проводилась на н, два и три прохода. После наплавки образцы прошли полный цикл мической обработки. Металлографические исследования этих образцов водились на микроскопах "Неофот-21" и "МИМ-8" непосредственно после лавки, отжига, закалки и отпусков - однократного, двухкратного и чкратного. Анализ полученных при исследовании результатов позволяет лагь вывод, что наилучшими характеристиками и микроструктурой обладают лавленные в вакууме быстрорежущие стали, закаленные и отпущенные по «дартным режимам термообработки для стали Р18.

Для проведения комплекса исследований по улучшению свойств трорежущей стали п>тем изменения скорости кристаллизации были лавлены образцы дуговым разрядом в вакууме при свободном формировании лавляемого слоя и при наплавке в охлажденный кристаллизатор; ручной сшо-дуговоь сваркой в камере с контролируемой атмосферой аргона, шнение проводили с образцами из копаной быстрорежущей стали. Изучение фоструктуры проводили на оптическом микроскопе МИМ-8. Измерение :ротвердости проводились на твердомере ПМТ-3. Определение равномерности пределения легирующих элементов по сечению ншлавленного <?лоя ществлялось на спектрографе ИСП-30 с генератором ст ктрального анализа 1И-2. Анализ полученных результатов свидетельствует о т< м, что применение аждаемого кристаллизатора при наплавке в вакууме привод тг к измельчению на и улучшению распределения эвтектических карбидов, вследствие чего растает микротвердость отдельных фаз структуры быстрорежущей стали, что, в ю очередь, влечет за собой изменение общей твердости наплаш: иного слоя. В

результате анализа .распределения легирующих элементов по сече наплавленного слол установлено, что наиболее равномерно легирующие элем£ (Y/,Cr,V и Со) распределяются в слое, наплавленном в кристаллизатор в ваку В целом содержание легирующих элементов в образцах вакуумной наши umus, чем при ручной дуговой п аргоне.

Длл изучения микроструктуры в различных состояниях термообраб* езрдзци свободной вакуумной наплавки и i ^плавки в кристаллизатор стали Р1 сталь 40Х • подвергали последовательно отжигу, закалке и отпуску. An полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что:

- твердость быстрорежущей стали, наплавленной в вакууме, закаленнс GTîïymeiiîioii ко стандартной технологии термообработки - максимальна: HRI -65:

- прочиссть наплавленного соединения в отожженном coctoj определяется прочностью стали.40Х, в закаленном и отпущенном - прочно« наплавки из стали Р18 и переходной зоны;

- красностойкость наплапленного слоя сохраняется до температуры 650°С

-твердость наплавки сохраняется высокой HRC 55-62 в интервале темпер

620- б50вС;

- однократный и двухкратный отпуск дает более высокую прочи наплавляемого соединения, чем трехкратный отпуск.

В пятой глпг.с представлены, результаты промышленных испытани ■внедрения оборудования с технологией изготовления инструмента быстрорежущей стали методом наплавки в вакууме, приЬеЭена методика рас экономической эффективности и результаты внедрения инструмента на машиностроительных предприятий.

Созданная и нзготоапенная опытная установка для изготовления инструм методом наплавки в вакууме позволяет выполнять значительный сп технологических операций и работает в ручном и автоматическом режимах.

Установка смонтирована н введена в эксплуагацию в опытном произвол Харьковского научно-исследовательского института технол машиностроения. В проведенной серии производственных испытаний опьг установки проверялась эффективность конструктивных и технологиче решений, принятых по результатам комплекса выполненных нсследова определялась работоспособность, параметричес^ и прочностная надежн установки, достоверность расчетов кинематической схемы, подтверж экспериментально высокое качество наплавки в вакууме быстрорежущей стал заготовки ::з конструкцнонноП стали. Испытания проводились на различных в инструмента при экстремальных режимах эксплуатации и максимаш яагрузках как самой установки, так и наплавленного на ней инструм! Результаты проведенных испытаний показали полное соответствие тсхниче< эксплуатационных и технологических характеристик установки ресурсосберегающей технологии изготовления инструмента из быстроредо

ли методом наплавки в вакууме исходным требованием, целям « задачам, эрмулированным в работе.

Различные виды специального инструмент» (резцы, фрезы, метчики в др.) из строрежущей стали, полученного методом наплавки в вакууме, внедрены и фективно эксплуатируются на Харьковском заводе транспортного эрудования, НПК "ФЭД", Харьковском заводе специальной технологической гастки, ЭП ХНИИТМа и других, имеют стойкость в 1,4+1,7 раза выше, чем у 1ндартного, экономия быстрорежущей стали на каждой единице инструмента :тавляет от 65 до 85%, что подтверждено проведенными испытаниями и :четами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предлагаемая технология и оборудование для изготовления металлического инструмента из быстрорежущей стали методом наплавки в сууме является эффективным способом получения экономичного сококачественного инструмента, позволяющего на 63+85% сократить расход {шцнтной быстрорежущей стали.

2. Разработана оригинальная конструкция установки для наплавки металлического инструмента из быстрорежущей стали в вакууме, позволяющая автоматизированном режиме реализовать технологическую схему наплавки с (дельным регулированием тепловложения в заготовку и присадочную оволоку.

3. Разработаны расчетные схемы и математические модели инженерных :четов наиболее ответственных элементов конструкции установок для наплавки струмента в вакууме.

4. В результате теоретического исследования напряженно-деформированного :тояния базового варианта корпуса установлены его прочностные и сткостные характеристики при обеспечении минимальной металлоемкости. При )м эквивалентные напряжения в корпусе вакуумной камеры не превышают 60 >1а, что обеспечивает работу материалов в упругой области.

5. В результате экспериментальных исследований технологических рактеристик инструмента, полученного методом наплавки в вакууме, в авнении со стандартным быстрорежущим инструментом из стали Р18 на ерациях тог.ения и фрезерования установлено:

- уменьшение износа на 25+35 %;

- повышение стойкости в 1,4+1,7 раза в зависимости от обрабатываемого

териала;

- величины сил резания Рх> Ру и Р3 изменяются незначительно, а гсичины виброхарактеристик уменьшаются на 15+60 %.

6. Экспериментально установленные величины постоянно!!(if) н переменной ') термо-ЭДС позволяют сделать вывод о том, что; тепловая энергия, щеляемая в зоне резания, уменьшается на 20+35 %, в резулыэте чего создается лее благоприятная энергетическая обстановка в зоне резания.

7. Спе:стральный анализ и металлографические исследования показали, ч при наплавке в вакууме переход от основного металла к наплавлешго! характеризуется резко выраженной и ровной границей сплавления со значитель: более мелкозернистой структурой.

8. Проведенный комплекс исследований . макро- и микроструктуры сопоставлении со стандартной, наплавленной в вакууме, быстрорежущей стол позволил установить, что размеры, форма л характер распределения карбида фазы в структуре оказывают существенное влияние на износостойкое инструмента. Более высокие режущие свойства наплавленной в вакууме ста обеспечиваются:

- сохранением исходного содержания легирующих элементов и бол равномерным их распределением в наплавленном слое;

- рафинированием быстрорежущих сталей при вакуумно-дуговом перепла за счет дегазации и испарения вредных включений;

- макрозернистой микроструктурой с характерным распределена эвтектических карбидов в виде тонкой разорванной сетки по границам зерен отсутствием перемешивания наплавляемого слоя с основной конструкцией» сталью.

Стойкость наплавленного в вакууме инструмента превышает на 40+45 % п; точении и на 60+70 % при фрезеровании конструкционных сталей, ста 12Х18Н1 ОТ и черных чугунов.

9. Применение в процессе наплавки различных конструкц кристаллизаторов позволяет улучшить качественные показатели наплавленного вахууме слоя быстрорежущей стали (по сравнению со свободным формировали! наплавляемого слоя) но 50+70 %.

10. Улучшение качественных показателей наплавленного слоя пут проведения различных видов термообработки, проведенные при эт< исследования позволяют сделать вывод о том, что:

- твердость наплавленной быстрорежущей стали, закаленной и отпущенн по стандартной технологии термообработки, максимальна и составляв HRC 62 66 единиц;

- прочность . наплавленного соединения в отожженном состоя» определяется прочностью материала корпуса, в закаленном и отпущенн состоянии - прочностью наплавленной быстрорежущей стали и переходной зонь

- красностойкость наплавленного слоя Р18 сохраняется до температу] 650°С;

- твердость наплавки сохраняется высокой HRC 55+62 в интерк температур 600+ 650°С;

- однократный и двухкратный отпуск дает более высокую прочное наплавленного соединения, чем трехкратный отпуск.

11. Основные результаты и практические рекомендации работы внедрень производство на Харьковском заводе транспортного оборудования, НПК "ФЭД*

>ков, Харьковском заводе специальной технологической оснастки, в ериментальном производстве ХНИИТМа, АО "Станкотехника" г. Тула, юмический эффект от внедрения результатов работы составил 158,2 тыс.руб. пах на 1.01.1991 г., что подтверждено соответствующими актами.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Бородинов В.А. Наплавка режущего инструмента и деталей машин дуговым разрядом в вакууме. // Вопросы оборонной техники- М.: ЦНИИинформации, серия 2. № 5, 1989, с.37-39.

Бородинов В.А., Иванов O.E., Колядинский A.B. Технология и оборудование для изготовления деталей из разнородных сплавов с особыми свойствами методом вакуумно-плазменной наплавки. // Вопросы оборонной техники - М.: ЦНИИинформации, серия 2, № 3, 1993, с.11-14.

Бородинов В.А. Исследование трибологических характеристик быстрорежущего инструмента при резании металлов. // Вопросы оборонной техники - М.: ЦНИИинформации, серия 2, № 4, 1993, с.53-55. Бородинов В.А., Нестеренко Н.Г., Будник В.Н. Особенности формирования наплавленного слоя в вакууме при наплавлении поверхностей деталей машин. // Оборонная техника - М.: ЦНИИинформации, № 12, 1994, с.28-32. Бородинов В.А., Лихтштейн В.И., Анфилов E.H. Комплексные показатели оценки технического и организационного уровня производства на предприятиях. //Вопросы оборонной техники - М.: ЦНИИинформации, серия 3, №2(179), 1985, с.26-32.

A.C. N° 1698001 (СССР). Способ наплавки и дуговой сварки металлов в вакууме. Бородинов В.А., Будник В.Н., Нестеренко Н.Г. и др. Опубл. 23.02.89. БИ 4654218.

Бородинов В.А., Днгтенко В.Г. Технологические методы повышения износостойкости инструмента для различных операций механообработки. // Вопросы оборонной Техники - М.: ЦНИИинформации, серия 2, Ks 3, 1991, с.35-37.

A.C. № 1543727 (СССР). Устройство для сварки в вакууме. Бородинов В.А., Нестеренкэ Н.Г., Будник В.Н., и др. Опубл. 30.05.88. БИ 4432293. Бородинов В.А., Лихтштейн В.И. Анализ состояния и пути совершенствования структуры парка металлорежущего оборудования предприятий спецстанкостроения. // Вопросы оборонной техники - М.: ЦНИИинформации, серия 3,№ 5 (182), 1985, с.12-13.

Бородинов В.А., Растворцев М.В. Опыт освоения серийного производства вспомогательного инструмента к станкам типа "ОЦ". // Вопросы оборонной техники - М.: ЦНИИинформации, серия 2, № 7,1987, с.34-36. Бородинов В. А., Нестеренко Н.Г., Ткач Ю.Ф. Технология наплавки металлорежущего инструмента в вакууме. // Вопросы оборонной гехники - М.: ЦНИИинформации, серия 2, № 2, 1991, с. 19-21.

12. Бородинов В.А., Будник В.Н. Наплавка металлорежущего инструмента. Тезисы докладов 4 Украинской республиканской научно-техинче конференции "Современные методы наплавки, упрочняющие защи-покрытия и используемые материалы".- Харьков, 1990. с.37-39.

13. Бородиной В.А. Исследование технологических характер!! быстрорежущего инструмента при резании металлов..// Тезисы докл научно-технического семинара "Презентация новых разработок ХНИИТК Харьков, 1992, с.74-82.

14. Бородинов В.А. Оборудование и технология для наплавки ииструмен вакууме. // Тезисы доклилои отраслевого семинара " Состояние , преснее развития и внедрения УСПО и инструмента на гтедприятиях отрасли"- / ЛОМЗ, 1990, с. 16-18

15. Бородинов В.А. Прогрессивное оборудование и технология иапл инструмента и деталей машин д>говым разрядом в вакууме. // Тс: до5шадо2 Всесоюзной конференции "Высокопроизводительное оборудов и прогрессивные технологии в машиностроении"- Красногорск: "Информтехника", 1991, с.28-30.

16. Бородинов В.А. Технология и оборудование для наплавхи ииструмен деталей машин в вакууме. // Тезисы докладов научно-техниче конференции "Техническое совершенствование производства на предпрня ГТУСО МОП"- Харьков: НИТИ "Прогресс", 1589, с.28-31.

17. Бородиной В.А. Наплавки металлов дуговым разрядом в вак) дгтонационно-газовое нанесение защитных покрытий на детали стан к инструмент. // Тезисы докладов отраслевого семинара "Организацио! структуры и прогрессивные процессы изготовления ироду; станкопроизсодстиамн отрасли"-Ижевск: НИТИ "Прогресс", 1988, с.21-24

Личный вклад аьтора: в работах 1,2,4,6,10,11,12,16 приведены техноло получения заготовок для специального режущего инструмента из быстрорежуи сталей методом наплавки в вакууме на корпус из конструкционных сталей, а та! методы улучшения структуры наплавленной стали и рекомендации по финиш! обработке инструмента, в разработке которых участвовал автор.

В работах 2,8,14,15 приведены конструктивные решения создан! вакуумной установки и даны рекомендации разработчикам вакуумной техш аналогичного назначения.

В работах 3,7,13 описаны проводимые исследования по изучению разлнч! ',лчест1,гшшх характеристик инструмента из быстрорежущей стали, получен! методом наплавки и вакууме и методы их улучшения.

В работах 5,9 приведен анализ состояния парка металлорежуш оборудования и состояние инструментального обеспечения производств отрас предложены пути совершенствования. Во всех этих работах автор прини; непосредственное участие.

Annotation

A. Borodinov. Elaboration And Introduction Of the Resource-saving Technology Of Maying an Instrument of High-Speed Steel By Method of Over-Melting in Vacuum.

Tie dissertation is presented for the Candidate degree in Engineering Sciences r 05.02.08 - The Technology of Mechanical Engineering, Kharkiv State nical University, Kharkiv, 1997.

ncludes the methods and the results of theoretical and experimental research, that s the scientific bases and some design and technological recommendation as to the echr.ology of manufacturing and introduction of equipment and resource-saving gy of an instrumentmaking of high-speed steel by method of over-melting in vacuum, mology and equipment for vacuum over-melting of an instrument have been :d at one of the Ukrainian industrial works. The instrument, produced using the •saving technology has been introduced at 4 engineering works in Ukraine.

AuoTauifl

одинов B.O. Розробка та впровадлення ресурсозбер!гаючоТ технологи внготовлення ¡нструменту з швидкор1жучоТ стал! методом наплавлення у вакуум!. Дисерташя на здобуття вченого ступеня кандидата техшчних наук за спешальжстю 05.02.08 - "Технолопя машинобудування", Харювський державний пол!техшчний утверситет, м. Харкш, 1997 р.

1стить методики та результати теорегичних та експериментальних дооиджень,

становлять собою пауков! засади та , конструкторсько-технололчш . омендаци щодо конструювання, технологи внготовлення та впровадження аднання та ресурсозбернаючоТ технологи внготовлення ¡нструменту з <дкор*1жучоТ crani методом наплавлення у вакуум!. Технологи i обладнання для лавлення ¡нструменту у вакуумi впроваджена на одному з п^дприемств >аши. Гнстру^ент, виготовлений з застосуванням ресурсозбер!гакзчоГ технолупТ, оваджено на чотирьох машинобуд!вннх тдприемствах УкраТни. ЕСлючов! слова: ресурсозбер1гаюча технолопя, швидкор1жуча сталь, вакуум, лавлення, ¡нструмент, структура, дослщження, ефектившсть, методика.

апрвпт ХНИИТМ Заказ № 95 . 1печ.лист. [писано к печати Об. о5. 1997 г. |*ж -100 экз.