Komsomolsk-upon-Amur, Khabarovsk, Russian Federation
Komsomolsk-upon-Amur, Khabarovsk, Russian Federation
Komsomolsk-upon-Amur, Khabarovsk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Vladivostok, Vladivostok, Russian Federation
UDK 621.9 Обработка резанием (снятием стружки).Резка (разделительные операции без образования стружки).Дробление и измельчение.Обработка листового материала.Изготовление резьбы и т.д. Способы (технология), инструменты, машины и приспособления
The work objective. To increase by 2-3 times the life of replaceable carbide inserts when turning specialized hard-to-machine stainless steels, The problem to which the paper is devoted. To identify some of the most rational new coatings for carbide tools designed for turning specialized stainless steels. Research methods. The method of simulation modelling is applied for predictive design of a carbide tool with coatings. The novelty of the work. The scientific novelty of the research consists in the development of scientific principles and innovative technologies based on plasma coating processes by condensation with ion bombardment (CIB) with the prediction of adaptive response to external influences for the purpose of application in treatment of hard-to-machine stainless steels. The results of the study. A sequence of actions (methodology) is developed to design coatings for turning tools under the specified conditions of their operation. A number of coatings are proposed that provide an increase in the tool life by two times or more to wear 0.5 mm on the back surface of the tool. Regression (polynomial) equations are developed that characterize the dependence of the wear value of the tool on the time of its operation when turning these stainless steels. Conclusion. Scientific principles and innovative technologies are developed based on plasma coating processes by condensation with ion bombardment (CIB) with prediction of adaptive response to external influences for the purpose of application in treatment of hard-to-machine stainless steels. This made it possible to develop recommendations that ensure an increase in the performance of domestic standard carbide tools by 2-4 times over the period of operation up to 0.5 mm wear, the possibility of choosing the most rational tool materials for the specified or expected conditions of their operation, optimizing the parameters of the cutting mode, increasing treatment productivity without reducing the quality of the treated surface, the possibility to order the necessary cutting tool reasonably. Methods for designing new tools for the specified or desired conditions of their operation are developed. They provide to control the tool operability to ensure its necessary level, desired quality of the treated surface and the necessary treatment performance.
turning of stainless steel 09X17N7YU, increasing the turning tool life, simulation modelling of coatings
Введение
Нержавеющая специализированная коррозионностойкая сталь марки 09Х17Н7Ю уникальна по своим эксплуатационным свойствам, поэтому применяется в ряде отраслей народного хозяйства. Её механическая обработка затруднена из-за значительного содержания в ней хрома и никеля. В ряде случаев периода стойкости режущего инструмента недостаточно для обработки поверхности заготовки детали, выполненной из этой стали, без смены режущей пластины. Необходимы меры по повышению эффективности токарной обработки таких заготовок. В данной статье приведены некоторые результаты исследования для ряда отечественных и зарубежных сменных твёрдосплавных режущих пластин токарных резцов. Для повышения их периода стойкости использованы новые разработанные покрытия применительно к твёрдосплавной пластине марки ВК8. Для сопоставления эффективности разработанных инструментов рассмотрены случаи обработки заготовок деталей, выполненных из других труднообрабатываемых нержавеющих сталей, в частности для сталей марок 12Х18Н10Т и 13Х15Н5 АМ-3.
Материалы, модели, эксперименты и методы
Обрабатываемыми материалами выбраны специализированные труднообрабатываемые нержавеющие стали марок 09Х17Н7Ю, 12Х18Н10Т и 13Х15Н5 АМ-3. Наиболее труднообрабатываемой из них является сталь марки 09Х17Н7Ю, зарубежных аналогов её нет. Наиболее просто обрабатываемой из них является сталь марки 13Х15Н5 АМ-3.
Рассмотрены результаты применения твёрдосплавных металлорежущих инструментов, выполненных из отечественного твёрдого сплава марки ВК8, а также инструментальные материалы ведущих в мире инструментальных фирм, например, Sandvik coromant, Mitsubishi, Corloy.
В основу исследования положено имитационное компьютерное моделирование как метод проектирования металлорежущего инструмента в программной среде Deform 3D.
Экспериментальные исследования выполнены путём изготовления инструментов, показавших при имитационном моделировании наиболее рациональные результаты по периоду стойкости, и испытания их при резании без снижения производительности обработки и качества обработанной поверхности.
В основе исследований использована методология, заключающаяся в том, что наиболее просто повышение периода стойкости инструмента должно быть получено за счёт применения новых композиционных многослойных наноструктурированных покрытий на типовой твёрдосплавной основе (субстрате).
Результаты
В данной работе приведены отдельные сведения, подводящие определённые итоги исследования. Расширенная информация приведена в работах [1, 2, 3]. В работе выполнено имитационное моделирование в программной среде Deform прогнозируемых покрытий, часть из этих покрытий нанесена на твёрдый сплав марки ВК8, такие инструменты испытаны в реальных условиях резания с оценкой периода стойкости инструмента и качества обработанной поверхности заготовки. Результаты, полученные в ходе натурных испытаний инструмента, и результаты, прогнозируемые по Deform, отличаются на 3–7 %, что находится в пределах погрешностей измерений. Этим подтверждена правомерность принятого подхода и методологии исследования.
Методологический принцип проектирования покрытий в виде схемы показан на рис. 1. Исходные (задаваемые) условия показаны на этом рисунке слева, управляемые (выходные) критерии показаны справа. Установлено, что для решения поставленной задачи достаточно ввести величину h1 допускаемого износа, допускаемую силу F1 резания, допускаемую температуру 0C1 в инструментальном материале и предпочтительную архитектуру А покрытия.
Рис.1. Условная схема проектирования покрытий в программной среде Deform
Fig. 1. Conditional scheme for designing coatings in the Deform software environment
Под архитектурой покрытия здесь понимается конструкция покрытия, состав и количество слоёв покрытия, толщина каждого слоя, метод нанесения покрытия и т.д. Установлено, что для оценки рациональности проектируемых покрытий достаточно ограничится следующими критериями: расчётная (прогнозируемая по Deform) величина h2 износа пластины, прогнозируемая сила F2 резания, прогнозируемая температура 0C2 и параметры, характеризующие сложно-напряжённое состояние инструментального материала (напряжения в инструментальном материала, величина деформации инструментального материала и скорость этой деформации).
На рис. 2 показаны частные примеры архитектуры покрытий. На рис. 2а показан пример одной из архитектур покрытия, где обозначено: Ме1, Ме2, Ме3 – слои покрытия, выполненные из материалов Ме1, Ме2, Ме3; Ме1С – слой покрытия, выполненный из карбида материала Ме1; Ме3N – слой покрытия, выполненный из нитрида материала Ме3; t1, t2, t3, а, в – толщины слоёв в покрытии.
а) 
б) 
Рис. 2. Схема (а) одного из используемых покрытий; фото (б) разрушения покрытия
Fig. 2. Scheme (a) of one of the used coatings; photo (б) of the coating destruction
Известно [6 - 9], что применение покрытий повышает работоспособность металлорежущего инструмента, но для данной обрабатываемой стали применительно к разработанным покрытиям это показано впервые.
По результатам имитационного моделирования выявлены прогнозные величины износа инструмента при обработке указанных нержавеющих сталей. В условных единицах (износ инструмента ВК8 без покрытия принят за 100%) износа это иллюстрировано на рис. 3, где 1 - ВК8+TiCN(5мкм) + (TiAl)N(3мкм) + Аl2O3(5мкм) + TiС(5мкм); 2 - ВК8+Аl2O3(2мкм) + (Ti)CN(5мкм) + (TiAl)N(3мкм) + TiN(3мкм); 3 - ВК8 + (TiAl)N(3мкм) + Al2O3(3мкм) + (TiAl)N(3мкм) + Al2O3(3мкм); 4 - ВК8 + TiN(3мкм) + TiC(3мкм) + TiN(3мкм) + TiC(3мкм); 5 - ВК8+TiC(3мкм) + TiN(3мкм) + (TiAl)N(2мкм); 6 - ВК8 + TiCN(2мкм) + TiC(3мкм) + TiN(1,5мкм); 7 - ВК8 + TiC(1,5 мкм) + TiN(3мкм); 8 - ВК8 + TiN(2мкм) + TiC(5мкм); 9 - ВК8 + TiCN(0,5мкм) + TiN(1мкм); 10 - ВК8 + TiN(0,5мкм) + TiC(1мкм); 11 – ВК8 без покрытия. Исследования выполнены для стали 09Х17Н7Ю: точение при скорости резания 50 м/мин, подаче 0,21 мм/об. заготовки, глубине резания 1 мм).
Рис. 3. Результаты имитационного моделирования величины износа
(по вертикали приведено как 100%) для разных разработанных инструментов
Fig. 3. Results of simulation of the amount of wear
(vertical is given as 100%) for different developed instruments
Эти результаты прогнозного моделирования подтверждены экспериментально непосредственно при точении этой и других рассматриваемых сталей.
Сравнение с инструментами, разработанными ведущими в мире инструментальными фирмами, показало, что их инструмент не применим для обработки стали 09Х17Н7Ю, отказ происходит на первых минутах резания.
Возможности программной среды Deform использованы для того, чтобы выполнить визуализацию результатов исследования. Так, в нижней части справа на рис. 1 условно показано лишь три управляемых параметра, а именно напряжения, величина деформации и скорость деформации. Зачастую этих трёх недостаточно для понимания происходящих эффектов в инструментальном материале. На рис. 4 показано соотношение (в безмасштабном изображении) большего количества параметров (критериев), исследуемых в начальный период резания, обозначено 1 - величина износа инструмента (в %); 2 – температура в зоне резания (в оС); 3 – эквивалентные напряжения в инструментальном материале (в МПа); 4 – величина деформации инструментального материала (в мкм); 5 – максимальная составляющая силы резания (в Н). Рис. 4 показывает (прогнозирует) ожидаемые величины указанных критериев для имитационного моделирования процесса токарной обработки (скорость резания 50 м/мин, глубина резания 1 мм, подача 0,21 мм/оборот заготовки) нержавеющей стали марки 09Х17Н7Ю типовой сменной токарной пластинкой, выполненной из инструментального твёрдого слава марки ВК8.
|
|
Рис. 5. Номограммы изменения во времени разных критериев исследования
при точении инструментом ВК8+TiCN(5 мкм) + (TiAl)N(3 мкм) + Аl2O3(5 мкм) + TiС(5 мкм)
(числа в скобках показывают толщину слоя покрытия в микронах)
Fig. 5. Nomograms of the change in time of different research criteria when turning with
the VK8+TiCN(5microns) + (TiAl)N(3microns) + Аl2O3(5microns) + TiС(5microns) tool.
(The numbers in brackets show the thickness of the coating layer in microns)
Сравнение данных, приведённых на номограммах рис. 3 и 4 показывает, что применение покрытия TiCN(5мкм) + (TiAl)N(3мкм) + Аl2O3(5мкм) + TiС(5мкм) позволяет прогнозировать снижение силы резания (ряд 5) до 2400 Н (при инструменте ВК8 без покрытия сила резания прогнозировалась на уровне 5000 Н). Такое снижение силы резания почти в 2 раза прогнозирует снижение эквивалентных напряжений (ряд 3) в инструментальном материале, снижение величины деформации (ряд 4) инструментального материала, снижение температуры (ряд 2) в зоне резания, что совокупно приводит к снижению величины износа (ряд 1) инструмента.
Построение подобных номограмм для различных вариантов проектируемых инструментальных материалов показало, что каждый инструментальный материал позволяет прогнозировать индивидуальные выходные критерии. Это использовано для того, чтобы выбрать наиболее эффективные инструментальные материалы для разных условий резания. Эти разные условия резания рассмотрены при изменении параметров режима резания (скорость резания, глубина резания, величина подачи), при изменении геометрии инструмента (трёхгранные, квадратные и пятигранные сменные пластины) и при изменении обрабатываемого материала (кроме стали 09Х17Н7Ю рассмотрены также труднообрабатываемые нержавеющие стали марок 12Х18Н10Т и 13Х15Н5 АМ-3). Отдельные примеры такого исследования показаны на рис. 6, где отражены прогнозируемые темпы прироста величины износа инструмента ВК8 без покрытия и инструмента с покрытием ВК8 + Ti + TiN + (TIAl)N при точении разных нержавеющих сталей.
Данные рис. 6 прогнозируют повышение (в сравнении c ВК8) периода стойкости с 120 минут до 150 минут при обработке стали 13Х15Н5 АМ-3, а при обработке стали 12Х18Н10Т - с 90 минут до 140 минут.
Необходимо отметить, что полученные имитационным моделированием результаты проектирования эффективных режущих инструментов получили [1 - 3] надёжное экспериментальное подтверждение. Полученные результаты не противоречат сложившимся представлениям и тенденциям [10 – 20] в вопросах проектирования покрытий для металлорежущего инструмента.
а) б)
Рис. 6. Сопоставление прогнозируемых периодов стойкости инструмента ВК8
без покрытия(а) и ВК8+Ti + TiN + (TiAl)N (б) при точении разных нержавеющих сталей
Fig. 6. The periods of service life (up to 0.5 mm of wear) of the VK8 tool (a) and the tool,
containing one of the developed (б) coatings, when turning different steels
Заключение
1. В мировой практике отсутствует системный подход к решению указанной проблемы обеспечения эффективным токарным инструментом современного станочного оборудования для обработки указанных сталей. Нет конкретных рекомендаций ни по выбору твёрдосплавных сменных токарных пластин, ни по рациональным параметрам режима резания, ни по времени работы пластин до допустимой величины износа. В результате имеем следующее:
а) темпы роста требований к физико-механическим характеристикам коррозионностойких нержавеющих сталей превышают темпы создания новых инструментальных материалов, с помощью которых можно эффективно обрабатывать такие стали;
б) создание новых эффективных инструментальных материалов может осуществляться по разным направлениям, в том числе, за счёт нанесения функциональных покрытий на твёрдосплавную инструментальную основу (субстрат);
в) имеется широкий выбор инструментальных материалов ведущих в мире инструментальных производителей, но они дороги чрезвычайно, рекомендации по их применению и режимы резания не применимы для отечественных материалов;
г) необходима разработка новых инструментальных материалов и рекомендаций по их применению;
д) только экспериментальным методом такие инструментальные материалы нельзя разработать, необходимо иметь научно обоснованную методологию управления работоспособностью инструмента под конкретные или планируемые условия его эксплуатации;
е) в основу разработки такой методологии может быть положены имеющиеся в мире достижения в вопросах робастного проектирования и виртуального компьютерного имитационного моделирования в той или иной программной среде, это обеспечит возможность разработки новых рациональных инструментальных материалов по схеме «твёрдый сплав + покрытие с заданным градиентом свойств», что создаст в инструментальном материале благоприятное сложно-напряженное состояние и приведёт к существенному росту работоспособности инструмента без снижения производительности обработки и качества обработанной поверхности.
2. Разработаны, изготовлены и испытаны инструменты, имеющие разные покрытия. В порядке убывания периода стойкости при равных условиях эксплуатации они расположились в следующей последовательности:
1. ВК8+TiCN(5мкм) + (TiAl)N(3мкм) + Аl2O3(5мкм) + TiС(5мкм);
2. ВК8+Аl2O3(2мкм) + (Ti)CN(5мкм) + (TiAl)N(3мкм) + TiN(3мкм);
3. ВК8 + (TiAL)N(3мкм) +Al2O3(3мкм) + (TiAl)N(3мкм) + Al2O3(3мкм);
4. ВК8 + TiN(3мкм) + TiC(3мкм) + TiN(3мкм) + TiC(3мкм);
5. ВК8+TiC(3мкм) + TiN(3мкм) + (TiAl)N(2мкм);
6. ВК8 + TiCN(2мкм) + TiC(3мкм) + TiN(1,5мкм);
7. ВК8 + TiC(1,5 мкм) + TiN(3мкм);
8. ВК8 + TiN(2мкм) + TiC(5мкм);
9. ВК8 + TiCN(0,5мкм) + TiN(1мкм);
10. ВК8 + TiN(0,5мкм) + TiC(1мкм).
1. Vereschaka A.A., Grigoriev S.N., Sitnikov N.N., Bataka A. Delamination and Iongitudinal cracking in multi-layered composite nano-structured coating and their influence on cutting tool life // Wear. 2017. Vol. 390-391. P.209-219. doi:https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.07.021.
2. Li X., Bashkov O.V., Bao F., Zhou C., Shakirova O.G. The research of the features destruction of the of oxide coatings on aluminum alloy by using the method of acoustic emission // Journal of Physics. Conference Series. 2019. 1281(1). doi:https://doi.org/10.1088/1742-6596/1281/1/012050.
3. Tabakov V.P., Chihranov A.V. Povyshenie rabotosposobnosti tverdosplavnogo instrumenta putem napravlennogo vybora racional'nyh parametrov sostava iznosostoykogo pokrytiya //Stanki i instrument. 2016. № 3. S. 14-18.
4. Tabakov V.P., Smirnov M.Yu., Cirkin A.V., Chihranov A.V. Matematicheskoe opisanie processov treschinoobrazovaniya v iznosostoykih pokrytiyah rezhuschego instrumenta // Uprochnyayuschie tehnologii i pokrytiya. 2007. № 6. S. 48-51.
5. Colding B. War characteristics of coated carbide //International Cutting Tool Bay Sandviken, Lecture. 11980. - 1969. - №. 5. - S. 1.
6. Horlin H.A. TiC coated cemented carbides - their introduction and impact on metal cutting // Product Engineering. 1971. V. 50. № 4,5. P. 153-159. doi:https://doi.org/10.1049/tpe:19710023.
7. Andreev G.S. Povyshenie proizvoditel'nosti obrabotki detaley v usloviyah periodicheskogo preryvistogo rezaniya // Vestnik mashinostroeniya. 1978. № 12. C.48-52.
8. Ostaf'ev V.A. Uchet prochnosti instrumenta pri ego proektirovanii i ekspluatacii // Stanki i instrument. 1983. № 7. S. 19-20.
9. Kabaldin Yu.G., Shpilev A.M. Povyshenie nadezhnosti processov mehanoobrabotki v avtomatizirovannom proizvodstve. Vladivostok: Dal'nauka, 1996. 264 s.
10. Lin Z., Wang L., Zhan J., Mao H.K., Zhao Y. Nanocrustalline tungsten carbide: As incompressible as diamond // Applied Physics Letters. 2009. 95. 211906.
11. Novikov N.V., Lysenko O.G., Devin L.N. AE diagnostics of polycrystalline superhard materials ruptures // Sverhtverdye materialy. 1991. №4. S. 33-36.
