Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
GRNTI 55.22 Отделка поверхностей и нанесение покрытий
BBK 34 Технология металлов. Машиностроение. Приборостроение
The results of experimental studies of the wear resistance of carbide-tipped plates with multi-layer wear-resistant coatings obtained by various technological methods are presented: chemical vapor deposition and vapor deposition from the vapor (gas) phase by the ingress of corrosion-resistant high-temperature steel 08Kh18N10T. The experiment was carried out in the conditions of an industrial enterprise using the existing equipment, rigging and tools. The wear resistance of the plates was investigated in extreme technological conditions: turning with impact and turning without cooling. Empirical models of wear resistance with the use of first-order planning by the method of full-factor experiment have been developed. The influence of technological parameters of cutting was studied: feed of the cutting tool, cutting speed and depth. The features of wear, the period of firmness of different grades of hard alloy plates are revealed, the effect of the technological modes of turning on the wear processes is determined, the microstructure of the cutting inserts is analyzed after the thermal, force and impact loads of the cutting process are affected. The developed empirical models allow to provide the given parameters of the tool life in various technological conditions on the basis of the justified designation of technological regimes, to predict the tool's efficiency, to optimize the technological parameters in order to increase productivity and reduce the production cost of parts.
empirical model of wear resistance, turning corrosion-resistant heat-resistant steel, firmness of hard alloy tool, experiment planning, results of micro-study of cutting inserts
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. Sorokin V.G., Volosnikova A.V., Vyat-kin S.A. Marochnik staley i splavov. M.: Ma-shinostroenie, 1989. 640 s.
2. GOST 5632-72 Stali vysokolegiro-vannye i splavy korrozionno-stoykie, zharo-stoykie i zharoprochnye Marki. M.: IPK Iz-datel'stvo standartov, 1997. 64 s.
3. Duyun T.A., Grinek A.V., Saharov D.V. Upravlenie teplovymi parametrami proces-sa mehanicheskoy obrabotki s ispol'zovaniem chislennogo modelirovaniya ih teplovyh zavi-simostey // Promyshlennye kontrollery ASU. 2015. №10. S. 43-50.
4. Spiridonov A.A. Planirovanie ekspe-rimenta pri issledovanii tehnologicheskih processov. M.: Mashinostroenie, 1981. 184 s.
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. Narcev V.M., Zaycev S.V., Prohoren-kov D.S., Evtushenko E.I., Vaschilin V.S. Za-visimost' struktury ALN-pokrytiy ot kon-cetracii azota pri osazhdenii na sapfir magnetronnym metodom // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2016. №1. S. 144-149.
8. Shpur G., Shteferle T. Spravochnik po tehnologii rezaniya materialov. M.: Mashino-stroenie, 1985. 616 s.
9. Stroiber W. Comminution Technology and Energy consumption. Part 1 // Cement Inter-rational. 2003. №2.
10. Pchelkin V.M. Osobennosti iz-nosa tverdosplavnyh plastin pri vysokosko-rostnoy obrabotke // Obrazovanie, nauka, proizvodstvo. 2015. T.1. BGTU im. V.G. Shu-hova. C.1703-1707.
11. Rebrova I.A. Planirovanie eksperimenta. Omsk: SibADI, 2010. 105 s.
12. Boyko A.F., Voronkova M.N. Teoriya planirovaniya i organizaciya mnogo-faktornyh eksperimentov. Belgorod: Izd-vo BGTU im. V.G. Shuhova, 2013. 73 s.
13. Rubanov V.G. Bushuev D.A. Mo-delirovanie ekstremal'nyh sistem upravle-niya v srede Matlab i Simulink, kak sredstvo analiza dinamiki // Nauchnye vedomosti Bel-GU. Seriya: Istoriya. Politologiya. Ekonomi-ka. Informatika. 2012. №19 (138), vyp. 24/1. S. 169-175.
14. Duyun T.A. Beshevli O.B. Vliya-nie tehnologicheskih parametrov na tempera-turnyy rezhim i poluchaemoe kachestvo po-verhnosti pri frezerovanii babbita // Vest-nik BGTU im. V.G. Shuhova. 2015. №2. S. 112-117.
15. Pchelkin V.M., Duyun T.A.. Stoykost' uprochnyayuschih pokrytiy metallo-rezhuschego instrumenta v usloviyah udarnyh nagruzok // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2017. №6. S. 128-134.
