аспирант
Белгород, Белгородская область, Россия
ГРНТИ 55.22 Отделка поверхностей и нанесение покрытий
ББК 34 Технология металлов. Машиностроение. Приборостроение
Представлены результаты экспериментальных исследований износостойкости твердо-сплавных пластин с многослойными износостойкими покрытиями, полученными разными технологическими способами: химическим парофазным осаждением и напылением конден-сацией из паровой (газовой) фазы при точении коррозионностойкой жаропрочной стали 08Х18Н10Т. Эксперимент проводился в условиях промышленного предприятия с использова-нием действующего оборудования, оснастки и инструмента. Износостойкость пластин ис-следовалась в экстремальных технологических условиях: точении с ударом и точении без охлаждения. Разработаны эмпирические модели износостойкости с использованием пла-нирования первого порядка методом полнофакторного эксперимента. Исследовалось влия-ние технологических параметров резания: подачи режущего инструмента, скорости реза-ния и глубины. Выявлены особенности износа, период стойкости разных марок твердосплав-ных пластин, установлено влияние исследуемых технологических режимов точения на про-цессы износа, выполнен анализ микроструктуры режущих пластин после воздействия теп-ловых, силовых и ударных нагрузок процесса резания. Разработанные эмпирические модели позволяют обеспечивать заданные параметры стойкости инструмента в различных техно-логических условиях на основе обоснованного назначения технологических режимов, прогно-зировать работоспособность инструмента, оптимизировать технологические параметры с целью повышения производительности, снижения себестоимости изготовления деталей.
эмпирическая модель износостойкости, точение коррозионностойкой жаропрочной стали, стойкость твёрдосплавного инструмента, планирование эксперимента, результаты мик-роисследования режущих пластин
Введение. Коррозионностойкие жаропрочные стали находят широкое применение в качестве конструкционных материалов изделий, работающих при высоких температурах и в агрессивных средах, таких как теплообменники, трубы, сварная аппаратура и другие детали [1]. В соответствии с физико-механическими свойствам эти стали относятся к труднообрабатываемым [2]. При механической обработке труднообрабатываемых материалов возникают проблемы, связанные с высокой температурой резания и интенсивным износом режущего инструмента [3], поэтому определение рациональных режимов резания, повышающих период стойкости металлорежущего инструмента является важной научной задачей.
Методика. При разработке эмпирических моделей применялась методика планирования полнофакторного эксперимента первого порядка [4]. В производственных условиях предприятия ОАО «Ракитянский Арматурный Завод» был выполнен эксперимент с использованием действующего оборудования, инструмента и технологической оснастки: токарного обрабатывающего центра для условий работы с ударными нагрузками модели PUMA480LM, токарного резца со сменной многогранной пластиной из твердого сплава, состоящий из державки PWLNR2020K08 и пластины со специальной геометрией стружколома, позволяющей исключить налипание металла на кромку инструмента и сохранить высокую износостойкость. Твердосплавные пластины имели покрытия, полученные разными технологическими способами: химическим парофазным осаждением ультра-мелкозернистого покрытия на прочную градиентную основу и напылением конденсацией из паровой (газовой) фазы:
- пластина WNMG080408-MMKMM253 с покрытием CVD (Chemical Vapor Deposition)
(рис. 1),
- пластина WNMG080408-MMKMG203 с покрытием PVD (Physical Vapour Deposition) [5–6].
Рис. 1. Внешний вид пластины WNMG080408-MM
В качестве измерительного инструмента применялась лупа измерительная ГОСТ 25706-83. В качестве критического значения принято 0,3 мм износа по задней поверхности. Измерение износа производилось после каждого прохода [7].
Основная часть. При планировании принят полнофакторный эксперимент. В качестве исследуемых технологических параметров приняты подача режущего инструмента, скорость резания и глубина. Уровни и интервалы варьирования факторов, матрица эксперимента представлены в табл. 1 [8]. Эксперимент проводился для двух технологических условий: точение с ударом и охлаждением, точение без удара и без охлаждения [9].
Таблица 1
План эксперимента и результаты опытов
|
№ опыта |
Варьируемые факторы |
Стойкость при точении с ударом, мин |
Стойкость при точении без удара, мин |
||||
|
Скорость резания Vc, м/мин |
Подача fn мм/об |
Глубина резания ap мм |
Сплав KMM253 |
Сплав KMG203 |
Сплав KMM253 |
Сплав KMG203 |
|
|
1 |
30 |
0,06 |
1 |
80 |
200 |
48 |
34 |
|
2 |
90 |
0,06 |
1 |
57 |
57 |
24 |
16 |
|
3 |
30 |
0,16 |
1 |
13 |
53 |
32 |
26 |
|
4 |
90 |
0,16 |
1 |
6 |
14 |
16 |
10 |
|
5 |
30 |
0,06 |
2 |
62 |
153 |
37 |
26 |
|
6 |
90 |
0,06 |
2 |
44 |
41 |
18 |
12 |
|
7 |
30 |
0,16 |
2 |
10 |
39 |
24 |
20 |
|
8 |
90 |
0,16 |
2 |
5 |
10 |
12 |
8 |
Эмпирическую модель стойкости запишем в виде уравнения регрессии [10–11]:
. (1)
Коэффициенты уравнения регрессии в соответствии с принятым планом эксперимента представлены в табл. 2, 3.
Таблица 2
Значения коэффициентов уравнения регрессии для точения с ударом
|
Коэффициент
Сплав |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
KMM253 |
3,054 |
-0,285 |
-1,03 |
-0,124 |
-0.115 |
0.0102 |
0.004 |
0.011 |
|
KMG203 |
3.832 |
-0.658 |
-0.688 |
-0.155 |
-0.015 |
-0.012 |
-0.006 |
0.004 |
Таблица 3
Значения коэффициентов уравнения регрессии для точения без удара
|
Коэффициент
Сплав |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
KMM253 |
3.174 |
-0.356 |
-0.211 |
-0.137 |
-0.0004 |
-0.0027 |
0.0004 |
-0.0004 |
|
KMG203 |
2.836 |
-0.426 |
-0.177 |
-0.129 |
-0.042 |
0.0015 |
0.0078 |
0.0082 |
Получаем эмпирические модели износостойкости в зависимости от скорости, подачи и глубины резания с натуральными значениями факторов: выражение (2) – точение с ударом для сплава KMM253, выражение (3) – точение с ударом для сплава KMG203:
, (2)
. (3)
На рис. 2 представлены зависимости стойкости инструмента от технологических параметров при точении с ударом коррозионностойкой жаропрочной стали сплавом режущей пластины KMM253, а на рис. 3 аналогичные зависимости при точении сплавом KMG203.
а б
Рис. 2. Влияние технологических режимов на стойкость инструмента из сплава KMM253 при точении с ударом: а – зависимость от скорости резания при подачах 0,06 мм/об, 0,09 мм/об, 0,12 мм/об, 0,16 мм/об;
б – зависимость от подачи при скорости 30 м/мин, 50 м/мин, 70 м/мин, 90 м/мин
а б
Рис. 3.Влияние технологических режимов на стойкость инструмента из сплава KMG203 при точении
с ударом [12] : а – зависимость от скорости резания при подачах 0,06 мм/об, 0,09 мм/об, 0,12 мм/об, 0,16 мм/об; б – зависимость от подачи при скорости 30 м/мин, 50 м/мин, 70 м/мин, 90 м/мин
Выражения (4) и (5) характеризуют стойкость при точении без удара и без охлаждения соответственно пластинами из сплава KMM253 и сплава KMG203:
, (4)
. (5)
На рис. 4 и 5 представлены зависимости стойкости инструмента от скорости и подачи при точении без удара соответственно сплавом режущей пластины KMM253 и сплавом KMG203.
а б
Рис. 4. Влияние технологических режимов на стойкость инструмента из сплава KMM253 при точении без
удара: а – зависимость от скорости резания при подачах 0,06 мм/об, 0,09 мм/об, 0,12 мм/об, 0,16 мм/об;
б – зависимость от подачи при скорости 30 м/мин, 50 м/мин, 70 м/мин, 90 м/мин
а б
Рис. 5. Влияние технологических режимов на стойкость инструмента из сплава KMG203 при точении без удара: а – зависимость от скорости резания при подачах 0,06 мм/об, 0,09 мм/об, 0,12 мм/об, 0,16 мм/об;
б – зависимость от подачи при скорости 30 м/мин, 50 м/мин, 70 м/мин, 90 м/мин
а б
в г
Рис. 6. Характер износа режущей пластины: а – точение с ударом сплавомKMM253
с покрытием CVD; б– точение с ударом сплавомKMG203 с покрытием PVD;
в – точение без удара сплавомKMM253 с покрытием CVD;г – точение без удара
сплавомKMG203 с покрытием PVD
Для исследования микроструктуры и структурных изменений под действием тепловых и ударных нагрузок были использованы функции электронного микроскопа, позволяющие получить увеличенное изображение с ценой деления 0,2 мкм. Данное увеличение позволяет исследовать слои поверхностного слоя и адгезию между ними (рис. 7, 8).
а б в
Рис. 7. Износ покрытия из сплава KMM253 с технологией CVD, точение с ударом:
а – увеличение до цены деления 20 мкм; б – увеличение до цены деления 2 мкм,
в – увеличение до цены деления 0,2 мкм
а б в
Рис. 8. Износа покрытия из сплава KMM253 с технологией CVD,точение без удара:
а – увеличение до цены деления 20 мкм; б – увеличение до цены деления 2 мкм,
в – увеличение до цены деления 0,2 мкм
На рис. 7 при увеличении до 0,2 мкм в структуре покрытия KMM253 с технологией CVDярко выражены границы слоёв, верхний AL2O3и нижний TiN слои покрытия имеют различную характерную структуру, наблюдается нарушение адгезиис основным материалом пластины. В условиях продольного точения без ударных нагрузок (рис. 8) в зоне износа наблюдаются два слоя, нарушение адгезии отсутствует.
Выводы. Разработанные эмпирические модели стойкости инструмента при точении сплавами KMM253 и KMG203 в различных условиях технологических условиях обработки позволяют обеспечивать заданные параметры стойкости на основе обоснованного назначения технологических режимов, прогнозировать работоспособность инструмента, оптимизировать технологические параметры с целью повышения производительности, снижения себестоимости изготовления деталей. Микроскопическим исследованием было доказано влияние ударных нагрузок на адгезию защитного покрытия твердосплавных пластин.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ
1. Сорокин В.Г., Волосникова А.В., Вят-кин С.А. Марочник сталей и сплавов. М.: Ма-шиностроение, 1989. 640 с.
2. ГОСТ 5632-72 Стали высоколегиро-ванные и сплавы коррозионно-стойкие, жаро-стойкие и жаропрочные Марки. М.: ИПК Из-дательство стандартов, 1997. 64 с.
3. Дуюн T.A., Гринек А.В., Сахаров Д.В. Управление тепловыми параметрами процес-са механической обработки с использованием численного моделирования их тепловых зави-симостей // Промышленные контроллеры АСУ. 2015. №10. С. 43–50.
4. Спиридонов А.А. Планирование экспе-римента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. 184 с.
5. Anurag Srivastava, Bhoopendra Dhar Diwan, Structural and elastic properties of ZrN and HfN: ab initio study // Canadian journal of Physics. 2014. Vol. 92. Pp. 1058–1061.
6. Youming Liu, Liuhe Li, Xun Cai, Qiulong Chen, Ming Xu, Yawei Hu, Tik-Lam Cheung, Shek C.,Paul K. Chu. Effects of pre-treatment by ionimplantation and interlayer on adhesion betweenaluminum substrate and TiN film // Thin Solid Films. 2005. Vol. 493. Iss 1-2. P. 152–159.
7. Нарцев В.М., Зайцев С.В., Прохорен-ков Д.С., Евтушенко Е.И., Ващилин В.С. За-висимость структуры ALN-покрытий от кон-цетрации азота при осаждении на сапфир магнетронным методом // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. №1. С. 144–149.
8. Шпур Г., Штеферле Т. Справочник по технологии резания материалов. М.: Машино-строение, 1985. 616 с.
9. Stroiber W. Comminution Technology and Energy consumption. Part 1 // Cement Inter-rational. 2003. №2.
10. Пчёлкин В.М. Особенности из-носа твердосплавных пластин при высокоско-ростной обработке // Образование, наука, производство. 2015. Т.1. БГТУ им. В.Г. Шу-хова. C.1703–1707.
11. Реброва И.А. Планирование эксперимента. Омск: СибАДИ, 2010. 105 с.
12. Бойко А.Ф., Воронкова М.Н. Теория планирования и организация много-факторных экспериментов. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2013. 73 с.
13. Рубанов В.Г. Бушуев Д.А. Мо-делирование экстремальных систем управле-ния в среде Matlab и Simulink, как средство анализа динамики // Научные ведомости Бел-ГУ. Серия: История. Политология. Экономи-ка. Информатика. 2012. №19 (138), вып. 24/1. С. 169–175.
14. Дуюн Т.А. Бешевли О.Б. Влия-ние технологических параметров на темпера-турный режим и получаемое качество по-верхности при фрезеровании баббита // Вест-ник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2015. №2. С. 112–117.
15. Пчёлкин В.М., Дуюн Т.А.. Стойкость упрочняющих покрытий металло-режущего инструмента в условиях ударных нагрузок // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. №6. С. 128–134.
