CC BY
261
УДК 621.91.01
УПРОЧНЕНИЕ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ РЕЗЦОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА МЕТОДАМИ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ
Н.А. Лалазарова, доцент, к.т.н., ХНАДУ, Л.И. Путятина, доцент, к.т.н., УкрГАЖТ, А.В. Щукин, студент, ХНАДУ
Аннотация. Предложены методы упрочнения твердосплавных инструментов для обработки деталей из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом виброабразивной и дробеструйной обработкой
Ключевые слова: высокопрочный чугун с шаровидным графитом, виброабразивная обработка, дробеструйная обработка.
Введение
Для изготовления деталей двигателей комбайнов, автомобилей, тракторов всё более широкое применение находит высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) [1]. Детали из ВЧШГ хорошо работают в условиях циклических нагрузок, на трение и изнашивание, в коррозионных средах. Высокий уровень механических свойств, который получают при помощи различных режимов термической обработки, и структурная неоднородность способствуют интенсификации износа инструмента, выкрашиванию режущей кромки и ухудшению обрабатываемости чугунов [2].
Анализ публикаций
Одним из методов улучшения обрабатываемости является повышение надёжности режущего инструмента упрочнением поверхностным пластическим деформированием (ППД). ППД применяется, если велик процент отказов инструментов в связи с выкрашиванием. Наиболее отработанными методами упрочнения ППД для твердосплавного инструмента являются виброабразивное и дробеструйное упрочнение. Технология упрочнения поверхностным пластическим деформированием основана на влиянии ППД на структуру и свойства твёрдого сплава, а также на микрорельеф поверхности и радиус округления режущей кромки [3].
Цель и постановка задачи
Таким образом, целью работы является выбор оптимального метода упрочнения поверхностным пластическим деформированием твердосплавного инструмента, который применяется при обра-
ботке деталей из высокопрочного чугунка с шаровидным графитом.
Упрочнение твердосплавных резцов виброабразивной и дробеструйной обработкой
Высокопрочные чугуны отличаются значительной неоднородностью структуры, что и приводит к снижению обрабатываемости [2].
При обработке всех чугунов наблюдаются следующие формы износа резцов из твёрдых сплавов: износ по задней поверхности, небольшая лунка износа по передней поверхности, опускание вершины, размерный износ.
В литом состоянии ВЧШГ отличается большой неоднородностью как по структуре, так и по химическому составу, что способствует интенсификации усталостного изнашивания твёрдых сплавов, например, ВК8. Твёрдая металлическая матрица пронизана мягкими включениями графита различных размеров; наблюдается неравномерное распределение феррита, который сосредоточен в основном в околографитной зоне и ликвация химических элементов в основном кремния. При обработке чугуна имеет место выкрашивание режущей кромки. Циклические нагрузки способствуют периодическому изменению на контактных поверхностях режущего инструмента касательных и нормальных напряжений. Эти напряжения неодинаково воздействуют на неоднородную структуру твёрдого сплава вследствие различия в свойствах фаз связки и карбидов. Изнашивание твёрдого сплава в области больших стойкостей происходит или в результате усталостного разрушения зёрен карбидов, с изнашиваемой поверхности которых удаляются мелкие частицы, или за
счёт удаления зёрен карбидов в результате усталостного разрушения связки.
В литературе имеются сведения об эффективном использовании виброабразивного и дробеструйного упрочнения инструмента для точения и фрезерования сталей, титановых сплавов, серого чугуна. Сведений об использовании этих видов упрочнения инструмента для обработки ВЧШГ в литературе нет.
В связи с этим исследовали точение ВЧШГ после виброабразивной и дробеструйной обработки. Резцы с механическим креплением пятигранных пластин из ВК8 имели следующие геометрические параметры: ф=60°, ф1=10°, т=-8°, а=8°. Пластины доводили по передним и опорным поверхностям порошком карбида бора, задние поверхности находились в состоянии поставки (после спекания), радиус округления кромок 8-10 мкм.
Исследовали чугун следующего химического состава: 3,3-3,8 % С; 2,4-3,2 % Si; С+1^=4,25-4,35 %; 0,004-0,007 % S; 0,5-0,9 % Мп; 0,045-0,008 % Р; 0,05-0,1 % Сг; 0,1-0,15 % №; 0,04-0,09 % Mg. Отливки ВЧШГ диаметром 100 мм и длиной 400 мм подвергали нормализации из МКИ по режиму: нагрев до 860 °С, выдержка 1,5 часа. Получена твёрдость 280 НВ, структура перлит + феррит (рис. 1).
Рис. 1. Структура ВЧШГ после нормализации из МКИ, х 270
Виброабаразивное упрочнение является результатом ударов частиц наполнителя по инструменту, засыпанному вместе с наполнителем в вибрирующий контейнер. 15-20 % объёма контейнера загружают инструментом, 70-75 % - наполнителем (бой абразивных кругов). Свойства инструмента при виброабразивном упрочнении повышаются за счёт оптимального радиуса округления режущих кромок и вершин, малой шероховатости режущих поверхностей и кромок, благоприятного рельефа поверхности, а также наклёпа, аллотропических превращений и остаточных напряжений в поверхностном слое на глубине до 0,01 мм [4].
Виброабразивную обработку проводили на специальной виброабразивной установке ВМ40С, с
камерой объёмом 40 л, предназначенной для упрочнения твердосплавных пластин, напайных резцов и ножей фрез. Установки отличаются производительностью, низким уровнем шума, удобством обслуживания, отсутствием вредных экологических воздействий. Пластины упрочняли в среде боя абразивных кругов грануляции 10-20 мм массой 60 кг, с частотой 46 Гц, амплитудой 0,6 мм. Все пластины упрочняли одновременно с непрерывной промывкой содовым раствором. При контроле на микроскопе МИС-11 отклонения радиуса не превышали 10%, выкрашивание и другие дефекты отсутствовали, шероховатость режущих кромок и поверхностей значительно улучшилась, поверхность после упрочнения - матовая.
Дробеструйное упрочнение основано на воздействии струи стальной или чугунной дроби на режущие поверхности инструмента. Прочность инструмента после дробеструйной обработки повышается за счёт остаточных напряжений сжатия на глубине до 0,3 мм. Меньшую роль играет наклёп, аллотропическое превращение кобальта, удаление дефектного поверхностного слоя, небольшое округление кромок и вершин, релаксация межфазных напряжений [5].
Дробеструйное упрочнение проводили на специальной инструментальной установке с дробемёт-ным колесом диаметром 350 мм с частотой вращения 3600 мин -1. Одновременно упрочняли 6 пластин, закреплённых на крышке установки в специальном приспособлении дробью ДЧК-0,3 без СОТС.
В качестве характеристики обрабатываемости использовали стойкость инструмента Т (мин). Режим резания: г = 0,4 мм; £ = 0,07 мм/об; К=5,2 м/с. Параметры износа измеряли на инструментальном микроскопе с точностью 0,01 мм. Критерий износа (0,6 мм), величина стойкости (7-20 мин) и уровень режимов резания были близки к применяемым на производстве. Для сокращения трудоёмкости экспериментов скорость резания была несколько форсирована, каждый опыт повторяли 4 раза.
Пластины испытывали на станке 16К625 при продольном точении без СОТС. Испытания на прочность осуществляли ступенчатым увеличением подачи до разрушения пластины - 5р (мм/об). При глубине резания 2,5 мм и скорости резания 0,32 м/с подачу повышали от 0,78 мм/об согласно ряду подач станка, каждый опыт повторяли 10 раз. Размеры и рельеф разрушений были близкими к полученным при точении серого чугуна.
Зависимость периода стойкости инструмента, подвергнутого виброабразивной обработке, от радиуса округления лезвия имела характер параболы с максимумом р = 20 мкм (рис. 1). Увеличение
округления до 30-40 мкм немного снижает стойкость, а при р=70 мкм стойкость снижается в 1,9 раз. Такое влияние радиуса округления режущей кромки объясняется тем, что площадь контакта при резании чугуна значительно меньше, чем у стали. Округление приводит к дальнейшему уменьшению площади контакта, увеличению кон-
тактных нагрузок.
Т,
15 10
S„.
Т
Мм/об
1,5 1,0
0,5
0
20
40
60 р, мкм
Рис. 1. Влияние округления режущей кромки на-стойкость и прочность инструмента
В результате испытаний на разрушающую подачу также была получена параболическая зависимость от радиуса округления с максимумом прочности инструмента при р = 20 мкм. Округление 40 мкм снижает разрушающую подачу незначительно, а 70 мкм - в 1,5 раза. Это объясняется, видимо, большим отношением радиальной составляющей силы резания к тангенциальной при точении чугуна по сравнению со сталью. Округление, как известно, ещё более увеличивает это отношение, отрицательно сказываясь на прочности инструмента.
Т, мийL
15
s;
мм/об
10
50
100
150
тгс
Рис. 2. Влияние времени обработки дробью на стойкость и прочность инструмента
Зависимость разрушающей подачи от режимов упрочнения дробью, как и в предыдущем случае, описывали параболой. Максимум при продолжительности 80 с соответствовал увеличению прочности в 1,4 раза. Это связано с возникновением остаточных напряжений сжатия, повышающих прочность твёрдого сплава, и, соответственно, разрушающую подачу (рис. 3). Дробеструйное упрочнение твёрдосплавного инструмента является эффективным средством улучшения обрабатываемости деталей из ВЧШГ за счёт небольшого округления режущих кромок и создания остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое. Уровень сжимающих остаточных напряжений в
поверхностном фазы 1200 МПа, МПа.
s,
МПа
-100
-500
-900
1300 0
слое достигает для карбидной а для кобальтовой фазы - 400
мм
Рис. 3. Распределение остаточных макронапряжений s по глубине поверхностного слоя h твёрдого сплава ВК8 после дробеструйной обработки: 1 - карбид вольфрама; 2 - кобальтовая фаза
Выводы
Для твердосплавного инструмента при обработке ВЧШГ характерно усталостное выкрашивание режущей кромки. Виброабразивное упрочнение твердого сплава приводит к повышению стойкости и прочности инструмента, если величина радиуса округления режущих кромок не превышает 15-20 мкм.
Дробеструйное упрочнение твердосплавного инструмента является эффективным средством повышения его надёжности за счёт небольшого округления режущих кромок и остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое.
Литература
1. Солнцев Л.А., Зайденберг А.М., Малый А.Ф.
Получение чугунов повышенной прочности.
- Харьков: Изд-во при Харьк. ун-те, 1986. -152 с.
2. Лалазарова Н.А. Влияние неоднородности высо-
копрочного чугуна на его обрабатываемость резанием // Вестник ХГАДТУ. - 2000. - № 12-13. - С. 86-87.
3. Хает Г.Л. и др. Сборный твердосплавный
инструмент. - М.: Машиностроение, 1989. -256 с.
4. Гах В.М. Повышение режущих свойств твердо-
сплавного инструмента путём виброабразивной обработки / Автореф. дис... на соканд. техн. наук. - Ростов-на-Дону: РИСХМ, 1990.
- 24 с.
5. Хает Л.Г., Гах В.М., Левин В.Л. Упрочнение
твердосплавного инструмента поверхностным деформированием. - М.: НИИмаш, 1981. - 54 с.
Рецензент: С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н. ХНА-
ДУ.
5
5
0
Статья поступила в редакцию 5 июня 2006 г.
