Таганрог, Ростовская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
С целью повышения эффективности чистового точения деталей из железоуглеродистых сплавов разработан и описан метод обработки материалов с предварительным индукционным нагревом, позволяющий за счёт создания в материале поверхностного слоя волнового высокочастотного магнитного поля повысить стойкость инструмента и улучшить эксплуатационные показатели качества обработанной поверхности. Показана возможность формирования в поверхностном слое детали блочно-мозаичной структуры со слабыми граничными связями, обеспечивающей снижение потребной мощности резания.
индукционный нагрев, чистовое точение, железоуглеродистые сплавы, стойкость, шероховатость, поверхностный слой
В [1] показана высокая эффективность применения предварительного индукционного нагрева при механической обработке материалов и нанесении металлополимерных наноструктурированных слоёв на поверхности деталей. Однако в настоящее время недостаточно полно изучено влияние предварительного индукционного нагрева материала на эксплуатационные свойства обработанных деталей машин. При этом не решены вопросы выбора температуры и времени индукционного нагрева, их влияния на структуру материала поверхностного слоя деталей, изготовленных из высоколегированных хромоникелевых железоуглеродистых сплавов, широко используемых в двигателестроении. В связи с этим исследование влияния предварительного индукционного нагрева материала поверхностного слоя на эффективность чистового точения деталей из железоуглеродистых сплавов позволит выявить новые резервы в решении проблемы повышения стойкости используемого режущего инструмента и улучшения качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей.
Методика проведения исследований
Предварительный нагрев образцов осуществлялся на специально разработанном и изготовленном устройстве для индукционного нагрева деталей любой конфигурации [2]. Исследованиям подвергались цилиндрические образцы из железоуглеродистых сплавов марок 45Х25Н20С2 и ЖС6У-ВИ, имеющие после предварительной (черновой) токарной обработки диаметр
Выполнены исследования влияния температуры индукционного нагрева материала поверхностного слоя обрабатываемой детали на стойкость инструмента, которая определялась по интенсивности изнашивания его в течение 5 минут непрерывной работы. За критерий был принят износ режущего лезвия инструмента по задней поверхности, равный
Чистовая токарная обработка осуществлялась на токарно-револьверном станке модели 1А751ФЗ, имеющем два крестовых суппорта с горизонтальным и вертикальным перемещением и оснащённом многопозиционной револьверной головкой с горизонтальной осью вращения. Глубина резания t при чистовой обработке для всех экспериментов была принята равной
Обсуждение результатов исследований
Предварительные испытания показали, что при обработке деталей из сплава марки 45Х25Н20С2 без индукционного нагрева на указанных режимах резания стойкость резца составляет 8-10 мин, а при обработке сплава марки ЖС6У-ВИ – 5-7 мин. Выполненные исследования чистовой токарной обработки сплавов марок 45Х25Н20С и ЖС6У-ВИ показали, что предварительный индукционный нагрев обрабатываемого материала не только существенно повышает стойкость инструмента (рис. 1), но и изменяет характер износа резца как вдоль режущего лезвия (рис. 2), так и по его задней поверхности (рис. 3). При этом параметр шероховатости обработанной поверхности детали уменьшается с Ra = 4,85…6,80 мкм до Ra = 3,12…3,56 мкм, а профиль поверхности способствует увеличению её несущей способности (рис. 4). Одновременно было установлено, что предварительный индукционный нагрев обрабатываемого материала приводит к существенному изменению структуры материала поверхностного слоя детали после её обработки (рис. 5). Измельчение структуры (рис. 5б) и её слоистое строение способствуют повышению контактно-усталостной прочности материала поверхностного слоя [3]. При этом наилучшие результаты по эксплуатационным показателям качества поверхностного слоя деталей, прошедших чистовую токарную обработку с предварительным индукционным нагревом, достигаются при температурах нагрева 400…450 оС (рис. 6), обеспечивающих в материале поверхностного слоя оптимальные значения показателя дислокационной насыщенности Кρ (кривая 3).
Если в индукторе устройства индукционного нагрева для обработки поверхностей резанием установить профильные пластины из трансформаторного железа разной толщины, то можно получить волновое высокочастотное магнитное поле, позволяющее существенно изменить состояние материала поверхностного слоя детали. Так, исследования показали, что создание волнового высокочастотного магнитного поля в устройстве индукционного нагрева приводит к образованию в материале поверхностного слоя обрабатываемой детали особой блочно-мозаичной структуры со слабыми граничными связями (рис. 7). О таком строении материала поверхностного слоя также свидетельствуют результаты атомно-силовой микроскопии, выполненной на атомно-силовом микроскопе НТ-МДТ (рис. 8). Механическая обработка материала с такой структурой приводит к уменьшению силы резания (сила разрушения связей уменьшается) и, соответственно, мощности резания.
Выводы
1. Предварительный индукционный нагрев материала поверхностного слоя обрабатываемой детали до температуры 400…450 оС позволяет существенно повысить стойкость режущего инструмента при обработке хромоникелевых сталей и сплавов, изменив характер его износа вдоль режущей кромки и по задней поверхности.
2. Предварительный индукционный нагрев материала детали при её чистовой обработке обеспечивает снижение шероховатости поверхности по параметру Ra в 2-2,5 раза, уменьшает на 50-70 % толщину поверхностного слоя с изменёнными физико-механическими свойствами и существенно повышает его несущую способность.
3. Эффективность предварительного индукционного нагрева материала обрабатываемой детали повышается созданием волнового высокочастотного магнитного поля за счёт, например, установки в индукторе устройства индукционного нагрева для обработки поверхностей резанием профильных пластин из трансформаторного железа разной толщины.
1. Бутенко, В.И. Влияние температуры нагрева на улучшение обрабатываемости сталей / В.И. Бу-тенко, А.Н. Максимов // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектронике, материаловедении и мехатронике: материалы II междунар. науч.-техн. конф. - Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ (НПИ), 2003. - Ч. 1. - С. 18-20.
2. Пат. 2245927 Российская Федерация, МПК С21 D 1/42, В23 В 1/00. Устройство индукционного нагрева для обработки поверхностей резанием / В.И. Бутенко, Д.И. Диденко, А.Н. Максимов. – 2005. – Бюл. № 4.
3. Кайбышев, О.А. Сверхпластичность, изменение структуры и обработка труднодеформируемых сплавов / О.А. Кайбышев, Ф.З. Утяшев. – М.: Наука, 2002. – 438 с.
