автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Влияние внутренних напряжений в инструментальных твердых сплавах на работоспособность сборных инструментов

На правах рукописи

Чуйков Сергей Сергеевич

ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВАХ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ СБОРНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

Специальность 05.02.07 — Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 г ДЕК 2013

Тюмень - 2013

005543820

005543820

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Артамонов Евгений Владимирович

Официальные оппоненты

Жуков Юрий Николаевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», профессор кафедры электронного машиностроения

Моховиков Алексей Александрович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский

политехнический

университет», заведующий кафедрой технологии машиностроения

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» (г. Омск)

Защита состоится « 24 » декабря 2013 г. в 16-00 час. на заседании диссертационного совета Д212.273.09 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, зал им. А.Н. Косухина.

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

Автореферат разослан « 22 » ноября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета И.А. Бенедиктова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Общеизвестно, что развитие отечественного и мирового машиностроительного производства во многом определяется использованием высокоэффективного металлорежущего оборудования и инструмента. При этом на современном этапе применение прогрессивного металлорежущего инструмента дает более быстрый экономический эффект, что в условиях рыночного производства является актуальным. Практика показывает, что для механической обработки резанием более эффективными являются сборные инструменты, оснащенные сменными многогранными пластинами (СМП) из инструментальных твердых сплавов (ИТС). Однако надежность таких инструментов недостаточно высока.

По статистическим данным большая часть отказов (70-75%) инструмента с СМП связана с разрушением пластин. Существует множество факторов, влияющих на работоспособность сборных инструментов с СМП из ИТС. Известно, что и в состоянии поставки изделия из твердых сплавов группы ВК зачастую имеют внутренние напряжения, близкие по величине к ов. Эти напряжения возникают в процессе изготовления при спекании пластин и их последующего охлаждения. Причиной возникновения напряжений является разница коэффициентов линейного расширения в кобальтовой связке, и карбидов вольфрама. Твердые сплавы группы ТК обладают более высокой хрупкостью по сравнению со сплавами группы ВК. Поэтому исследование внутренних напряжений в инструментальных твердых сплавах группы ТК, снижение их величины, изучение их влияния на работоспособность сборных инструментов является актуальной проблемой для машиностроения.

Целью диссертационной работы является повышение работоспособности сборного инструмента на основе снятия внутренних напряжений в инструментальных твердых сплавах группы ТК.

Задачи исследований:

1. Определить зависимости внутренних напряжений в СМП из ИТС группы ТК от температуры.

2. Определить возможность применения математической модели, разработанной научным руководителем, для расчета внутренних напряжений в СМП из твердых сплавов группы ВК для режущих элементов из ИТС группы ТК.

3. Предложить новое техническое решение по реализации метода предварительного нагрева СМП перед непосредственным процессом резания, обеспечивающее снятие внутренних напряжений в ИТС группы ТК.

4. Разработать новые технические и технологические решения, обеспечивающие повышение работоспособности сборных инструментов с СМП из ИТС группы ТК.

5. Установить зависимость работоспособности режущего инструмента с СМП из ИТС группы ТК от внутренних напряжений.

Методы исследования. Для проведения экспериментальных исследований по определению зависимости внутренних напряжений в СМП в твердых сплавах группы ТК от температуры был использован метод рент-геноструктурного анализа на дифрактометре XRD 7000 Shimadzu Maxima с высокотемпературной приставкой. Показатели работоспособности режущих инструментов определялись в лабораторных и производственных условиях по стандартным методикам с применением аттестованного оборудования.

Достоверность результатов работы. Сформулированные в диссертационной работе основные научные положения и выводы о влиянии внутренних напряжений в ИТС группы ТК на их работоспособность и возможности их снятия путем предварительного нагрева подтверждены результатами экспериментов проведенных на сертифицированном оборудовании в аккредитованном центре ЦКП «Урал-

М» Института металлургии УрО РАН. Предложенные математическая и физическая модели предварительного нагрева СМП, параметры и технологические режимы, конструкции сборного резца и сборной фрезы с предварительным нагревом СМП из твердого сплава Т15К6 были подтверждены экспериментально в процессе заводских испытаний.

Научная новизна.

1. Доказано экспериментально рентгенографическим методом влияние температуры на изменение внутренних напряжений в ИТС группы ТК, которые при комнатной температуре (20 °С) могут достигать значений, близких к предельным <тв, а при увеличении температуры путем нагрева пластин до 700 °С уменьшаются практически до нуля.

2. Подтверждена экспериментально возможность применения математической модели, разработанной научным руководителем, для расчета внутренних напряжений в СМП из твердых сплавов группы ВК для режущих элементов из ИТС группы ТК.

3. Предложено новое техническое решение по реализации метода предварительного нагрева СМП, позволившее на основе использования эффекта Пельтье путем изменения процентного содержания компонентов состава связующего слоя между СМП и титановой подложкой, состоящего из жидкого стекла и дисульфида молибдена, повысить температуру нагрева до 700 °С.

4. Установлено, что снятие внутренних напряжений второго рода в СМП из ИТС группы ТК путем их предварительного нагрева повышает работоспособность режущего инструмента.

Практическая значимость.

1. Разработано и запатентовано устройство для регулируемого нагрева твердосплавных режущих пластин (полож. реш. о выдаче патента на полезную модель по заявке №2013113465 МПК В23 В 27/16 (2006.01) от 15.08.13 г.), обеспечивающее путем снятия внутренних напряжений

повышение работоспособности СМП из ИТС группы ТК.

2. Проведены заводские испытания опытных образцов сборного резца и сборной фрезы с предварительным нагревом СМП из твердого сплава Т15К6, которые показали возможность повышения работоспособности инструментов на 30%. Разработанные инструменты переданы для внедрения в Общество с ограниченной ответственностью «Сибстроймаш», Открытое акционерное общество «ГРОМ» и в Закрытое акционерное общество «Тюменский машиностроительный завод».

3. Руководящие технические материалы по способу снятия внутренних напряжений в инструментальных твердых сплавах группы ТК переданы для внедрения в Общество с ограниченной ответственностью «Сибстроймаш», Открытое акционерное общество «ГРОМ» и в Закрытое акционерное общество «Тюменский машиностроительный завод». Ожидаемый совокупный экономический эффект в расчете на год составляет по данным предприятиям 420 тыс. рублей.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на IV международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (г.Тюмень, 2008 г.) и на двух региональных научно-практических конференциях молодых ученых «Новые технологии нефтегазовому региону»-( г.Тюмень, 2010 г.).

По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, среди них 3 в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Основной текст содержит 141 страницу, 78 рисунков, 20 таблиц, список литературы, включающий 117 наименований источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований.

В первой главе дан подробный обзор основных причин, приводящих к разрушению режущей части инструментов из инструментальных твердых сплавов (ИТС) групп вольфрамокобальтовой и титановольфрамо-кобальтовой. Показано, как механические характеристики ИТС и темпера-турно-силовое воздействие в зоне резания влияют на работоспособность режущих инструментов. Проанализированы источники, сформулирована цель и поставлены задачи для дальнейших исследований.

Проблемой работоспособности режущего инструмента занимались ученые: Верещака A.C., Розенберг A.M., Грановский Г.И., Кабалдин Ю.Г., Безъязычный В.Ф., Петрушин С.И., Мухин B.C., Андреев B.C., Мелихов В.В, Балакшин Б.С., Бетанели А.И., Резников А.Н.,Бобров В.Ф., Васин С.А., Гречишников В .А., Жуков Ю.Н, Зорев H.H., Кирсанов C.B., Кушнер B.C., Лолад-зе Т.Н., Макаров А.Д., Мирнов И.Я., Остафьев В.А., Подураев В.Н., Полетика М.Ф., Промптов А.И., Прибылов Б.П., Романов В.Ф., Подпоркин В.Г., Рыку-нов Н.С., Розенберг Ю.А., Силин С.С., Старков В.К., Талантов Н.В., Третьяков И.П., Хает Г.Л., Хворостухин Л.А., Шаламов В.Г. и М.Х. Утешев.

Из обзора вытекает необходимость дальнейшего развития теории Шпета о влиянии внутренних напряжений (напряжений второго рода), возникающих в инструментальных твердых сплавах после спекания, на работоспособность режущих инструментов. Это предполагается сделать на основе гипотезы профессора Артамонова Е.В., из которой следует, что внутренние напряжения можно снять, используя предварительный нагрев СМП до температуры, меньшей, чем температура спекания. Обоснованность данной гипотезы была ранее подтверждена исследованиями, проведенными на инструментальных твердых сплавах группы ВК, но не рассматривалась применительно к группе ТК.

Во второй главе представлен анализ существующих физических и ма-

тематических моделей определения внутренних напряжений в инструментальных твердых сплавах и возможности их применения для сплавов группы ТК.

Известна механическая модель, которую разработал Шпет. Однако, по мнению ученых А.Е. Ковальского, Г.С. Креймера, Д.М. Васильева она может быть применима только для расчета внутренних напряжений в ИТ С с плосконапряженным состоянием поверхности. Однако для микронапряжений, возникающих в ИТС, характерно сложное объемнонапряженное состояние поверхности. Поэтому, для определения внутренних напряжений второго рода была поставлена задача: использовать возможность применения модели профессора Артамонова Е.В., как показано на рисунке 1.

Исходное состояние модели соответствует условиям спекания СМП, где температура твердого сплава равна температуре спекания Т0, что полностью исключает внутренние напряжения второго рода. В дальнейшем

при уменьшении температуры на ве-Рисунок 1 - Схема трехмерной модели личину дг начинают возникаТь Внут-

внутренних напряжений ренние напряжения вследствие раз-

ности коэффициентов линейного расширения кобальтовой связки и зерен (Т1,\У)С. При этом температурное поле ИТС условно принимается однородным, а материал кобальтовой связки и зерен (Т1,\¥)С считаются упругими элементами. Обозначения для модуля упругости, коэффициента Пуассона и коэффициента линейного расширения карбидных включений принимают равными - -Е,, V,,а,, а для кобальтовой связки соответственно - Е2,у2,а2. В данной модели исключена зависимость параметров от температуры.

Для заявленных условий решается центрально — симметричная задача.

Центр карбидного зерна является началом сферической системы координат с параметрами г,<р,в.

Из-за симметрии перемещений справедливо равенство: =°в =0. сг,. = сг,. (г).

На основании уравнений деформаций, напряжений и равновесия, полученных для этой модели, в рамках данной исследовательской работы были уточнены её параметры для сплавов группы ТК: - во включении с радиусом г0 ("П, \\')С

о-О) О) о>=__Г1 + у)с(|)__Л-Г (\ \

(2)

где с'11)=^- + а2АТ-,

го

для группы ТК: Е1=350ГПа; а1=8,15 1(Г6 —; у,=0,32;

°К

- в среде(Со)

,2) _ 2 .

1+у2 г(;

Р г< 2) и <р ~ и в ~ , ' 3 '

1 + у2 г0

(2) (3)

с22' _ (а, ~ «■> )АТ ГД6 I Е2 2(1-2^)'

для Со: Е2215 ГПа; а2=14,2-10 6-^-; у2=0,32;

к

Таким образом, выбранная и адаптированная для группы ТК математическая модель расчета внутренних напряжений в ИТС в зависимости от температуры СМП позволила рассчитать и построить соответствующую кривую зависимости из которой видно, что при нагреве твердосплавных пластин из ИТС группы ТК до 700 °С внутренние напряжения уменьшаться практически до нуля.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований рентгенографическим методом влияния температуры на внутрен-

ние напряжения второго рода в ИТС группы ТК.

Для проведения этих исследований образцами являлись стандартные СМП из твердых сплавов Т30К4, Т15К6 и Т5К10. Рентгенографические исследования проводились на автоматизированном дифрактометре XRD 7000 Shimadzu Maxima при температурах от 20 °С до 700 °С, их результаты показаны на рисунке 2. Качественный анализ дифрактограмм показал, что с увеличением температуры нагрева твердосплавного образца ширина дифракционной линии уменьшается для всех сплавов группы ТК, что свидетельствует о снижении внутренних напряжений. В результате расшифровки дифрактограмм методом аппроксимации были построены графики зависимостей внутренних напряжений от температуры для разных твердых сплавов группы ТК с применением компьютерной программы обработки экспериментальных данных рентгенографических исследований «OriginPro», как показано на рисунке 3.

а - Т30К4, б - Т15К6, в - Т5К10 1 - при 100 °С, 2 - при 300 °С, 3 -при 700 °С

Рисунок 2 - Дифрактограммы для сплавов ТК при разных температурах

з л лав<* • в ванн-с ¡.I

■V - ! = КВО>

I, ИМП

5000

4000 3000 2000 1000

75,0 75,5 76,0 76,5 77,0 77,5 78,0 *

Таким образом, в результате экспериментальных исследований установлено влияние температуры на изменение внутренних напряжений в ИТС группы ТК, которые, как показано на рисунке 4, при комнатной температуре (20 °С) могут достигать значений близких к

Рисунок 3 - Окно дифрактограммы для сплава Т30К4

предельным ов. При увеличении температуры ИТС путем нагрева пластин до 700°С внутренние напряжения снимаются практически до нуля. Эти результаты подтверждают применимость математической модели, разработанной научным руководителем для внутренних напряжений второго рода в ИТС группы ТК.

аМПА

1

-Л 2\ -ч

\

1 - Т30К4, 2 - Т15К6, 3 - Т5К10, 4 - по математической модели научного руководителя Рисунок 4 - Зависимость влияния температуры на внутренние напряжения сплавов группы ТК

0 100 200 300 100 500 600 700в X

В четвертой главе предложено новое техническое решение по реализации метода предварительного нагрева СМП, позволяющее повысить температуру нагрева до 700 °С за счет изменения состава связующего слоя между СМП и титановой подложкой, состоящего из дисульфида молибдена с жидким стеклом, перед непосредственным процессом резания, что позволяет обеспечить снятие внутренних напряжений второго рода в СМП из

ИТС группы ТК практически до нуля. За основу была взята физическая модель, основанная на эффекте Пельтье. Известно, что в соответствии с эффектом Пельтье, если через пограничную область между двумя соприкасающимися различными металлами (в данном случае СМП из твердого сплава и титановой подложкой), пропустить электрический ток, то электроны, проходя через эту область, будут в зависимости от направления тока, либо ускоряться контактным полем в пограничной области (в области воздушного зазора между твердосплавной пластиной и подложкой), либо тормозиться, как показано на рисунке 5. В первом случае, как показано на рисунке 5 (а), СМП нагревается, а титановая подложка охлаждается, а во втором случае, как показано на рисунке 5 (б), — происходит все в точности наоборот.

твердосплавной пластины согласно эффекта Пельтье Однако описанные в литературе примеры применения эффекта Пельтье для нагрева режущих пластин имели ограничения по максимальной температуре нагрева. Известен способ, в котором для интенсификации теплообмена, между СМП и титановой подложкой вводили связующий слой, содержащий дисульфид молибдена и жидкое стекло, который позволил поднять температуру нагрева твердосплавной пластины до 600 °С. В данном случае, опираясь на экспериментальные данные влияния температуры на внутренние напряжения в ИТС группы ТК, было установлено, что

при увеличении температуры путем нагрева пластин до 700 °С внутренние напряжения в ИТС можно уменьшить практически до нуля. Поэтому, данная модель была доработана за счет изменения процентного содержания компонентов состава связующего слоя, что позволило интенсифицировать процесс теплообмена между пластинами, как показано на рисунке 6.

смп ШШ<р,/А

дена с жидким стек/юм \ 165%т-На№35%1 /I

Рисунок 6 - Схема тепловых потоков при *Ей: »+1.0, предварительном нагреве СМП из ИТС _0 _ группы ТК

Согласно предложенной физической модели процесса нагрева СМП из ИТС группы ТК на основе эффекта Пельтье количество теплоты, выделяющееся в СМП из ИТС группы ТК можно определить из выражения:

(4)

где О, — количество теплоты в СМП; I — сила тока; А^з — разность потенциалов между пластинами, которая определяется из выражения А (р = (/р, - ср2); А г - промежуток времени.

Количество теплоты, которое необходимо для того чтобы нагреть пластину на величину Д Т можно найти из формулы

^<2?=АТ-С, (5)

где А Т- температура; С - теплоемкость сменной многогранной пластины, которая равна С = т с, где т — масса СМП; с - удельная теплоемкость.

Если учесть, что теплоотвод от СМП группы ТК в воздух незначителен, то можно считать

2Ж=2Ж (6)

Преобразуя формулы (4), (5), (6) получаем выражение для физической модели, которое позволяет определить изменение температуры

AT СМП при установленном значении силы тока Г.

AT= (7)

С v '

Для определения силы тока в окончательном варианте может быть использована формула

r AT С

Вышеизложенные математические зависимости легли в основу при разработке алгоритма программы «Определение параметров предварительного нагрева твердых сплавов СМП для снятия внутренних напряжений» на ПЭВМ и руководящих технических материалов «Способ снятия внутренних напряжений в инструментальных твердых сплавах группы ТК»

В пятой главе показана практическая реализация результатов работы по применению нового технического решения для использования метода предварительного нагрева СМП из ИТС группы ТК с целью повышения их работоспособности на примере сборного резца и сборной фрезы с СМП из сплава Т15К6.

Для практической реализации выше указанного метода была разработана и запатентована конструкция сборного токарного резца с предварительным нагревом СМП (патент 2254211. Металлорежущий инструмент), в которой при пропускании постоянного электрического тока через связующий слой между СМП из ИТС группы ТК и титановой подложкой происходит нагрев СМП до температуры 700 °С, что обеспечивает снятие в них внутренних напряжений и, соответственно, увеличивает стойкость сборного режущего инструмента.

Результаты исследования зависимостей поверхностного относительного износа hon , температуры резания Q , пути резания L от скорости резания V, полученных при производственных испытаниях опытного образца сборного токарного резца с предварительным нагревом

мкм/'10!см! 12

О 40

240 V, м/мин

1 - без нагрева, 2-е предварительным нагревом СМП (• - путь резания; о - поверхностный относительный износ; ■ - температура резания)

Рисунок 7 - Зависимость поверхностного относительного износа, температуры резания, пути резания от скорости резания при точении детали из сплава 20Х17Н2 резцом с СМП из Т15К6 (S=0,3 мм/об, t=0,5 мм, VMH-240 м/мин)

четырехгранной СМП из сплава Т15К6, показали, что предварительный нагрев СМП до 700 °С повышает работоспособность на 30 - 35 %, измеряемую путем резания, как показано на рисунке 7.

Кроме того в рамках применения вышеуказанного метода была разработана конструкция сборной фрезы с предварительным нагревом СМП из твердого сплава группы ТК. Данная конструкция запатентована (полож. реш. о выдаче патента на полезную модель по заявке №2013113465 МПК В23 В 27/16 (2006.01) от 15.08.13 г.) и представляет собой, как показано на рисунке 8, сборную фрезу с СМП из твердого сплава группы ТК, нагревательную электрическую цепь с регулируемым нагревом, которая через графитовые щетки и токоподводящее кольцо соединена с твердосплавными режущими пластинами посредством токоподводящих изолированных от корпуса титановых пластин и связующего слоя, состоящего из смеси дисульфида молибдена с жидким стеклом.

Работа устройства по предварительному нагреву СМП сборной фрезы аналогична работе устройства для токарного сборного резца.

При этом экспериментально установлено, для того чтобы нагреть режущую пластину до 700 °С, достаточно силы тока 150 А, как показано на рисунке 9.

1 - Корпус, 2 - кольцо, 3 -токоподводящее кольцо, 4 -токоподводящая пластина, 5 - текстолитовая прокладка,

6 — изолирующая прокладка,

7 - полупроводниковый слой, 8 - тяга, 9 - крепежный штифт, 10 - гайка, 11 -режущая пластина, 12 -проволока, 13 — трубка из кварцевого стекла, 14 -шайба, 15 — графитовые щетки, 16 -нагревательная электрическая цепь, 17 -устройство для регулируемого нагрева

Рисунок 8 - Электромеханическая схема устройства для регулируемого нагрева СМП из ИТС группы ТК

1 — по теоретическому расчету,

2 - по эксперименту Рисунок 9 - Зависимость температуры предварительного нагрева СМП из ИТС группы ТК от силы тока

20 W 60 30 100 120 ПО 160 180 JA

Результаты исследования зависимости влияния скорости резания V на путь резания L, температуру резания в и поверхностный относительный износ hon, полученных при производственных испытаниях опытного образца разработанной сборной фрезы с СМП из ИТС сплава Т15К6, показали, что предварительный нагрев СМП до температуры 700 °С перед непосредственным процессом обработки заготовки значительно повышает работоспособность инструмента, а именно путь резания увеличивается на

30-40% и обеспечивает в интервале скоростей 90-4 10 м/мин зону стабильного минимального износа, как показано на рисунке 10.

1 - без нагрева, 2 — с предварительным нагревом СМП (• - путь резания; о - поверхностный относительный износ; ■ - температура резания) Рисунок 10 - Зависимость влияния скорости резания на путь резания, температуру резания и поверхностный относительный износ при фрезеровании детали из сплава 5ХГМ; фреза с СМП из Т15К6 ^=0,1 мм/зуб, 1=1 мм, \MK160 м/мин)

На основании проведенных исследований была разработана компьютеризированная методика определения температуры и времени предварительного нагрева с целью обеспечения максимальной работоспособности СМП из ИТС группы ТК, которая реализована для пользователей в виде программы "Определение параметров предварительного нагрева твердых сплавов СМП для снятия внутренних напряжений" на ПЭВМ. Эта методика была положена в основу руководящих технических материалов по повышению работоспособности СМП путем предварительного их нагрева.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Доказано экспериментально рентгенографическим методом влияние температуры на изменение внутренних напряжений в ИТС группы ТК, которые при комнатной температуре (20 °С) могут достигать значений, близких к предельным ств, а при увеличении температуры путем нагрева пластин до 700 °С уменьшаются практически до нуля.

2. Подтверждена экспериментально возможность применения математической модели, разработанной научным руководителем, для расчета

внутренних напряжений в СМП из твердых сплавов группы ВК для режущих элементов из ИТС группы ТК.

3. Предложено новое техническое решение по реализации метода предварительного нагрева СМП, позволившее на основе использования эффекта Пельтье путем изменения процентного содержания компонентов состава связующего слоя между СМП и титановой подложкой, состоящего из жидкого стекла и дисульфида молибдена, повысить температуру нагрева до 700 °С.

4. Установлено, что снятие внутренних напряжений второго рода в СМП из ИТС группы ТК путем их предварительного нагрева повышает работоспособность режущего инструмента на 30-40%.

5. Разработано и запатентовано устройство для регулируемого нагрева твердосплавных режущих пластин (полож. реш. о выдаче патента на полезную модель по заявке №2013113465 МПК В23 В 27/16 (2006.01) от 15.08.13 г.), обеспечивающее повышение работоспособности СМП из ИТС группы ТК.

6. Разработана компьютеризированная методика определения температуры и времени предварительного нагрева с целью обеспечения максимальной работоспособности СМП из ИТС группы ТК, которая реализована для пользователей в виде программы "Определение параметров предварительного нагрева твердых сплавов СМП для снятия внутренних напряжений" на ПЭВМ.

7. Разработанные руководящие технические материалы «Способ снятия внутренних напряжений в инструментальных твердых сплавах группы ТК» переданы для внедрения в Общество с ограниченной ответственностью «Сибстроймаш», Открытое акционерное общество «ГРОМ» и в Закрытое акционерное общество «Тюменский машиностроительный завод». Ожидаемый совокупный экономический эффект в расчете на год составляет по данным предприятиям 420 тыс. рублей.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК:

1. Чуйков, С.С. Металлорежущий инструмент с предварительным подогревом сменных твердосплавных пластин / Е.В. Артамонов, С.С. Чуйков // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. - 2010. - № 1(87). - С. 24-26.

2. Чуйков, С.С. Повышение работоспособности сменных твердосплавных пластин путем снятия внутренних напряжений / Е.В. Артамонов, С.С. Чуйков // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. - 2010. - № 2(90). - С. 42-44.

3. Чуйков, С.С. Повышение работоспособности сборного металлорежущего инструмента путем снятия внутренних напряжений сменных твердосплавных пластин / С.С. Чуйков // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ - 2013. -№5. - С. 121-124.

В других научных изданиях:

4. Артамонов, Е.В. Экспериментальное определение внутренних напряжений в инструментальных твердых сплавах / Е.В. Артамонов, P.C. Чуйков, С.С. Чуйков // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении. В 2 т. Том 2: материалы IV международной научно-технической конференции. - Тюмень: Изд-во «ВекторБук», 2008. - С. 26-28.

5. Артамонов, Е.В. Установка для подогрева твердосплавных образцов во время испытаний / Е.В. Артамонов, P.C. Чуйков, С.С. Чуйков // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении. В 2 т. Том 2: Материалы IV международной научно-технической конференции. - Тюмень: Изд-во «ВекторБук», 2008. - С. 67-70.

6. Артамонов, Е.В. Повышение работоспособности режущих твердосплавных элементов / Е.В. Артамонов, P.C. Чуйков, С.С. Чуйков // Новые технологии - нефтегазовому региону: материалы Всероссийской

научно-практической конференции. Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - С. 104-107.

7. Артамонов, Е.В. Металлорежущий инструмент с предварительным подогревом сменных твердосплавных пластин / Е.В. Артамонов, P.C. Чуйков, С.С. Чуйков // Новые технологии - нефтегазовому региону: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - С. 33-37.

8. Артамонов, Е.В. Повышение работоспособности сменных твердосплавных пластин / Е.В. Артамонов, P.C. Чуйков, С.С. Чуйков // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы V научно-технической интернет-конференции с международным участием 23-26 ноября 2010г. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. -С. 3-10.

9. Артамонов, Е.В. Установка для регулируемого подогрева твердосплавной режущей пластины / Е.В. Артамонов, P.C. Чуйков, С.С. Чуйков // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы VI научно-технической интернет-конференции с международным участием. Тюмень: ТюмГНГУ, 2012.-С. 77-79.

Подписано в печать 20.11.2013 Формат 60*90 1/16 Усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1978 Библиотечно-издательский комплекс федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38 Типография библиотечно-издательского комплекса. 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.

Тюменский государственный нефтегазовый университет

На правах рукописи

04201453 ЪОЦ

ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВАХ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ СБОРНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

Специальность: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Артамонов Е.В.

ЧУЙКОВ Сергей Сергеевич

Тюмень - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ИЗУЧЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Определение понятия «работоспособность режущих инструментов»

1.2. Работоспособность режущих элементов из твердых сплавов

1.3. Основные физико-механические свойства ИТС групп ВК и ТК

33

1.4. Выводы по результатам анализа литературных источников. Постановка цели и задач исследования 42

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВНУТРЕННИХ

НАПРЯЖЕНИЙ В ИТС ГРУППЫ ТК 46

2.1. Анализ существующих моделей определения внутренних напряжений в ИТС и возможности их применения

для сплавов группы ТК 46

2.2. Расчет внутренних напряжений второго рода в ИТС

группы ТК в соответствии с математической моделью 52

2.3. Выводы 59 ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ ВТОРОГО РОДА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ В ИТС ГРУППЫ ТК 61

3.1. Разработка методики проведения исследований зависимости внутренних напряжений второго рода от температуры в ИТС группы ТК 61

3.2. Методика определения внутренних напряжений второго рода в ИТС группы ТК с использованием метода аппроксимации . 61

3.3. Определение внутренних напряжений второго рода с использованием рентгенографического анализа 69

3.4. Обработка результатов экспериментальных исследований с целью определения температуры минимальных значений внутренних напряжений 83

3.5. Выводы 88 ГЛАВА 4. НОВОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ПО РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАГРЕВА СМП ИЗ ИТС ГРУППЫ ТК 89

4.1. Известные способы предварительного нагрева заготовки

и режущего инструмента 89

4.2. Разработка физической модели предварительного нагрева РИ с использованием эффекта Пельтье и связующего

слоя 94

4.3. Выводы 98 ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО

НАГРЕВА СМП ИЗ ИТС ГРУППЫ ТК НА ПРОИЗВОДСТВЕ 99

5.1. Компьютеризированная методика расчета параметров для устройства по снятию внутренних напряжений в СМП из ИТС группы ТК 99

5.2. Металлорежущий инструмент для снятия внутренних напряжений 105

5.3. Практическая реализация технологических решений для применения метода предварительного нагрева при точении стали 20X17Н2 сборным резцом с СМП из твердого сплава Т15К6 108

5.4. Металлорежущий инструмент с устройством для снятия внутренних напряжений с регулируемым предварительным нагревом режущих пластин из ИТС группы ТК 113

5.5. Практическая реализация технологических решений для применения метода предварительного регулируемого нагрева при фрезеровании стали 5ХГМ сборной фрезой с СМП из твердого сплава Т15 Кб 117

5.6. Практическая реализация результатов исследования 122

5.7. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Общеизвестно, что развитие отечественного и мирового машиностроительного производства во многом определяется использованием высокоэффективного металлорежущего оборудования и инструмента. При этом на современном этапе применение прогрессивного металлорежущего инструмента дает более быстрый экономический эффект, что в условиях рыночного производства является актуальным. Практика показывает, что для механической обработки резанием более эффективными являются сборные инструменты, оснащенные сменными многогранными пластинами (СМП) из инструментальных твердых сплавов (ИТС). Однако надежность таких инструментов недостаточно высока.

По статистическим данным, большая часть отказов (70-75%) инструмента с СМП связана с разрушением пластин. Существует множество факторов, влияющих на работоспособность сборных инструментов с СМП из ИТС. Известно, что и в состоянии поставки изделия из твердых сплавов группы ВК зачастую имеют внутренние напряжения, близкие по величине к ав. Эти напряжения возникают в процессе изготовления при спекании пластин и их последующего охлаждения. Причиной возникновения напряжений является разница коэффициентов линейного расширения в кобальтовой связке и карбидов вольфрама. Твердые сплавы группы ТК обладают более высокой хрупкостью по сравнению со сплавами группы ВК, поэтому исследование внутренних напряжений в инструментальных твердых сплавах группы ТК, снижение их величины, изучение их влияния на работоспособность сборных инструментов является актуальной проблемой для машиностроения.

Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору Артамонову Евгению Владимировичу и коллективу кафедры «Станки и инструменты» Тюменского государственного нефтегазового университета.

ГЛАВА 1. ИЗУЧЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ

В этой главе рассмотрены такие понятия, как работоспособность режущих инструментов и стойкость режущих инструментов. Дан подробный обзор основных причин, приводящих к разрушению режущей части инструментов из инструментальных твердых сплавов (ИТС) групп вольфрамокобальтовой и титановоль-фрамокобальтовой. Показано, как механические характеристики ИТС и темпера-турно силовое воздействие в зоне резания влияют на работоспособность режущих инструментов. Предлагается дальнейшее развитие теории, выдвинутой Шпетом, о влиянии внутренних напряжений (напряжений II рода), возникающих в инструментальных твердых сплавах после спекания на работоспособность режущих инструментов, на основе гипотезы выдвинутой профессором Артамоновым Е.В., что их можно снять используя предварительный нагрев СМП до температуры меньшей чем температура спекания. Данная гипотеза была ранее подтверждена на инструментальных твердых сплавах группы ВК, а влияние напряжений II рода на показатели работоспособности сменных многогранных пластин группы ТК не исследовалось. Проанализированы рассмотренные работы, сформулирована цель и поставлены задачи для дальнейших исследований.

1.1. Определение понятия «работоспособность режущих инструментов»

Проблемой повышения работоспособности режущего инструмента (РИ) в последнее время занимались ряд ведущих отечественных и зарубежных ученых. Само понятие «работоспособность РИ» за эти годы претерпело существенное изменение, так профессор A.C. Верещака в одной из своих работ [1-2] определил понятие «работоспособность РИ» через его способность выполнять свои функции с износом режущей части меньшим, чем установленные значения. Он установил и систематизировал основные факторы, влияющие на параметры работоспособно-

сти РИ. При этом одним из наиболее значимым фактором он выделил свойства инструментальных материалов РИ.

Ряд ученых из свердловской школы резалыциковтаких, как Л.Г. Куклин, В.И. Сагалов, В.Б. Серебровский и С.П. Шабашов подтвердили в своих работах [3], что на прочность и износостойкость РИ большое влияние оказывают основные характеристики ИТС - прочность и износостойкость. Они установили, что при определении работоспособности РИ в процессе прерывистого резания она должна быть рассмотрена не только с позиции предела прочности при изгибе, но и с позиции вязкости ИТС.

В ряде работ [4] ученых О.Б. Арбузова, Ю.Л. Боровой, Г.Н. Сахарова, было уточнено понятие «работоспособность РИ» через определение понятия «работоспособное состояние инструмента», где требуемая форма, размеры и качество обработанных поверхностей деталей в процессе обработки резанием обеспечивается РИ при максимальной производительности и при минимальных затратах.

Автор Г.Л. Хает в своей работе [5] сужает понятие работоспособности РИ и определяет его как возможность обеспечить заданную производительность и качество процесса механической обработки. При этом дает определение отказа РИ через нарушение его работоспособности. Его классификация отказов имеет два вида: полный отказ - когда процесс резания прекращается в обязательном порядке; частичный отказ - частичная потеря работоспособности РИ, не требующая полного прекращения процесса резания. Среди основных видов разрушения РИ Г.Л. Хает выделил поломку, скалывание и выкрашивание.

В работе [6] дано дальнейшее развитие и конкретизация понятия «работоспособности РИ». Вводится определение запаса работоспособности РИ через термин «достаточная безотказность РИ». Здесь РИ считается безотказным, если он сохраняет свою работоспособность в течение установленного промежутка времени или до установленного значения наработки. Количественная оценка работоспособности РИ, характеризующая продолжительность или объем его работы, выражается через наработку в часах, циклах нагружения или через пробег вершины РИ в километрах. Кроме того, для количественной оценки РИ могут использо-

ваться другие величины и единицы величин.

Обобщая все рассмотренные источники, можно сформулировать определение работоспособности РИ через его способность обеспечивать механическую обработку резанием детали заданной формы при условии обеспечения необходимой геометрической точности и шероховатости обрабатываемой поверхности и заданной производительности обработки. При этом наиболее важным критерием работоспособности РИ может являться стойкость режущего инструмента, которая соответствует понятию «наработка на отказ», используемому для технических объектов. Среди факторов, влияющих на стойкость РИ, можно выделить следующие: поломка, скалывание, выкрашивание и собственный износ. При этом повышение работоспособности РИ обычно достигается посредством уменьшения доли вероятности полных отказов за счет его разрушения, т.е. поломки, скалывания или выкрашивания и путем уменьшения скорости износа режущей части посредством минимизации количества микровыкрашиваний за единицу времени, т.е. собственно износ.

1.2. Работоспособность режущих инструментов из ИТС

Проблема повышения работоспособности режущих инструментов в научной литературе отражена достаточно широко. Большинство ведущих отечественных и зарубежных ученых путем экспериментальных исследований занимались получением стойкостных зависимостей РИ от свойств ИТС [7-12]. При этом в процессе этих исследований основным объектом являлась задняя поверхность

I

режущей части инструментов, т.к. износ по ней являлся определяющим при количественной оценке работоспособности РИ.

Большой вклад в теоретические исследования и практическую реализацию методологии и способов повышения работоспособности РИ внесли такие отечественные ученые, как A.A. Аваков [7], A.C. Верещака [1-2], Г.С. Креймер [13], Ю.Г. Кабалдин [14], Т.Н. Лоладзе [15], А.Д. Макаров [16], М.Ф. Полетика [17], А.М. Розенберг и А.Н. Еремин [18], Ю.А. Розенберг [19], С.С. Силин [20], А.И.

1

Бетанели [21] и др.

Так, A.C. Верещака [1-2] установил и систематизировал основные факторы, влияющие на параметры работоспособности РИ, где одним из наиболее значимых факторов он определил свойства инструментальных материалов РИ. Автор считает, что нанесение износостойкого покрытия на инструментальные материалы нужно рассматривать не как улучшение качественных показателей базового материала, а как новый материал композиционного типа, который дает оптимальное сочетание свойств, присущих для поверхностного слоя, а именно высокие значения микротвердости, инертность по отношению к обрабатываемым материалам, теплостойкость, красностойкость и др. и определяет свойства, которые обычно проявляются в объеме режущей части металлорежущего инструмента, связанные с прочностью, трещиностойкостью, ударной вязкостью и другими. В связи с чем основным направлением работы многих научных школ является изучение влияния таких показателей, как прочность, ударная вязкость и трещиностойкость на работоспособность РИ из ИТС.

Автор H.H. Зорев в своей работе [22] обобщил результаты экспериментальных исследований зависимости стойкости РИ от скорости резания при механической обработке деталей из молибденовых сплавов инструментом из ИТС и быстрорежущей стали. Условия проведения экспериментальных исследований предполагали изменения параметров резания в широком диапазоне с применением метода анализа стойкостных кривых, когда на них накладывались полученные температурные кривые и микрофотографии поверхности износа режущей части инструмента.

Полученные стойкостные кривые для режущих инструментов из ИТС и быстрорежущей стали укладываются в классические представления о зависимости стойкости РИ от скорости резания металлов с характерными «горбами» и «переломами». Из анализа полученных кривых, как показано на рисунке 1.1, видно, что стойкость РИ зависит в основном от свойств обрабатываемых и инструментальных материалов. Природа и интенсивность преобладающего вида износа режущего инструмента, напрямую связанная со свойствами обрабатываемых и ин-

струментальных материалов, во многом определяет характерные «горбы» и «переломы» на стойкостных кривых.

ДЧО" 6

-

о о ) -

Hl [А ВК8

о о 0 о о о о

}

Д ВК8

-

HRA 90

85

80 HV

220

200 180

100

200 300 400 500

600

700 800 900 0 С

Рисунок 1.1— Зависимости твердости и относительного износа режущих инструментов из ИТС группы ВК8 и быстрорежущей стали от температуры при токарной обработке молибденового сплава (t=10" м, S=0,1 • 10"3 м/об) [22]

Зависимость износа и стойкости РИ от температуры в зоне резания можно проследить, если построить графики зависимостей, на которых износ режущей части металлорежущего инструмента зависит от средневзвешенной контактной температуры РИ и обрабатываемого материала (см. рисунок 1.1). На рисунке 1.1 показаны кривые зависимостей твердости молибденового сплава марки ВМ1 и ИТС марки ВК8 от температуры РИ. Из анализа экспериментальных кривых (см. рисунок 1.1) становится ясно, что до температур ИТС от 100 °С до 500 °С наблюдается «полка» постоянного относительного износа, соответствующая равномерному износу РИ, при этом относительный линейный износ определялся отношением радиального износа вершины РИ к единице его пройденного пути. Постоянство относительного линейного износа РИ объясняется, скорее всего, незначительным влиянием повышения температуры в диапазоне от 100 °С до 500 °С на прочность и микротвердость быстрорежущей стали и ИТС. Данный диапазон температур является недостаточным для запуска процессов диффузионного обме-

на на границе ИТС-обрабатываемый материал (диффузионного износа), следовательно, основная роль здесь принадлежит адгезионному износу, который, судя по значительным вырывам ИТС с поверхности режущей части РИ, как показано на микрофотографиях (см. рисунок 1.2), протекает весьма интенсивно [22]. При этом интенсивность линейного износа режущих инструментов из ИТС в диапазоне температур от 100 °С до 500 °С значительно больше, чем из быстрорежущей стали (см. рисунок 1.1). Это обстоятельство, по мнению автора [22], можно объяснить тем, что быстрорежущие стали значительно прочнее, чем ИТС.

Из рисунка 1.1 видно, что дальнейшее увеличение температуры РИ в диапазоне более 500 °С приводит к снижению микротвердости ИТС группы ВК8 следовательно, к повышению его пластичности. Все это повышает в значительной степени его сопротивляемость к циклическим микроконтактным нагрузкам и, соответственно, снижает интенсивность адгезионного износа, за счет миминизации адгезионных вырывов (см. рисунок 1.2, б). Этим самым можно объяснить снижение относительного линейного износа А при повышении температуры до 800 °С, как показано на рисунке 1.1.

Дальнейшее повышение температуры в диапазоне от 800 °С до 950 °С приводит к увеличению интенсивности адгезионного износа РИ (см. рисунок 1.1), что, по мнению автора [22], связано с уменьшением численного отношения прочности ИТС к напряжениям в зоне контакта РИ и обрабатываемого материала. Кроме того, в диапазоне температур свыше 800 °С автором отмечено появление диффузионного износа (см. рисунок 1.2, г), что приводит к увеличению суммарного износа (см. рисунок 1.1).

Ряд ведущих ученых [23] в своих работах отразили результаты исследования зависимости коэффициента трения стружки о переднюю грань резца от температуры в зоне контакта РИ и обрабатываемого материала, что позволило выявить новые пути повышения работоспособности РИ. A.M. Розенберг и А.Н. Еремин в своей монографии [18] опубликовали результаты экспериментальных исследований по измерению контактных температур на передней поверхности РИ с

а) б) в) г)

а - V = 0,67 м с; 6 < 460 °С; интенсивный адгезионный износ; б - Y = 1,08 м/с; 460 °С < 6 < 800 °С; умеренный адгезионный износ; в - Y = 1.66 м/с; Э « 800 °С; слабый адгезионный и начинают?шея

диффузионный износ; г - Y = 2 м с; 6 > 800 °С; слабый адгезионный и диффузный iвносы Рисунок 1.2 - Микрофот�