CC BY
28
s
0} Машиноведение
■ На основании численных и экспериментальных результатов исследования выявлено, что прессовые соединения, собираемые комбинированным термическим способом при наличии «термического удара» имеют предрасположенность к образованию микротрещин, которые при эксплуатации оборудования могут объединяться в магистральную трещину и служить источником усталостного разрушения детали.
Библиографический список
1. Алабужев П.М. Теории подобия и размерностей. Моделирование / ГШ. Алабужев, 8.В, Геронимус, ЛМ, Минкевич, Б.А. Ше-ховцов. - М,: Высшая школа, 1968. - 208 с.
2. Вигак ВМ Управление температурными напряжениями и перемещениями. - Киев: Наук, думка, 1988. - 312 с,
3. Трощенко В.Т., Сосновский ЛА. Сопротивление усталости металлов и сплавов. В 2 т. - Киев: Наук. Думка, 1987, - Т. 1. - 512
с.
4. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC.Nastran for Windows. - М.: ДМК Пресс, 2001. - 448 с,
5. Шимкович Д.Г. Расчет тепловых воздействий в MSC.Nastran for Windows. - М.: MSC.Software corporation, 2002. - 78 с.
6. ibid. ANSYS Analysis help.
О. M. Балла
Влияние эксплуатационных и конструктивных параметров инструмента на расход вольфра^осодержащих элементов
Вольфрам является одним из наиболее важных компонентов инструментальных материалов. С учетом дефицита вольфрама в природе и все возрастающим его потреблением вопросы реальной экономии вольф-рамосодержащих элементов являются актуальными. В общем случае, при прочих равных условиях, расход инструментальных материалов на машиностроительных предприятиях определяется:
• структурой применяемых инструментальных материалов;
■ расходом инструментальных материалов на единицу инструмента;
■ эксплуатационными характеристиками применяемого инструмента;
■ объемами работ по восстановлению инструмента путем переделки инструмента из быстрорежущих сталей на меньший типоразмер, перепайки пластин твердого сплава и т.д.;
■ применением там, где это необходимо, физико-химических методов упрочнения режущего инструмента;
■ потерями инструмента при хранении на ЦИС, ИРК и внутризаводской транспортировке;
■ условиями эксплуатации инструмента;
■ техническим состоянием применяемого оборудования.
Наиболее весомым фактором снижения расхода вольфрамосодержащих элементов является структура применяемых инструментальных материалов (рис. 1).
В 1кг твердого сплава, в зависимости от марки, содержится 700...850 г вольфрама, а в быстрорежущей стали типа Р9М4К8 - 90 г. 8 реальных конструкциях инструмента наблюдается противоположная картина (рис. 2).
□ твердый сплав
Ш быстрорежущая сталь Р9М4К8 Рис.1. Расход вольфрама на единицу массы инструментальных материалов
□ 1-170гр. W
Ш 2- 198гр. \Л/
Рис. 2. Расход вольфрама на единицу на изготовление концевых фрез диаметром 50мм и длиной режущей части 90мм: 1 - фреза с напайными пластинками твердого сплава формы 36; 2 - фреза из быстрорежущей стали Р9М4К8
Машиноведение
тштш
□ вкюом
ШР9М4К8
Рис. 3. Раскол вольфрама для изготовления монолитных конструкций фрез лиаметром 20мм
Рассмотрим это на примерах концевых фрез диаметрами 20 и 50мм, с длиной режущей части соответственно 30 и 90мм и числом зубьев 1=4.
Для монолитных твердосплавных фрез картина меняется. Ввиду того, что монолитный инструмент из твердого сплава выпускается меньших размеров рассмотрим расход вольфрама для фрез диаметром 20мм соответственно из быстрорежущей стали и твердого сплава (рис. 3).
При этом необходимо учитывать, что правильно спроектированный и эксплуатируемый, твердосплавный инструмент обеспечивает повышение производительности труда в 1,5.. .3 раза. Следовательно, для типовых конструкций инструмента правомерен вывод о том, что увеличение объемов применения твердосплавного инструмента наряду с повышением эффективности механо-обрабатывающих производств обеспечивает снижение расхода вольфрамосодержащих материалов на единицу продукции. Применение монолитных конструкций инструмента в общем случае не способствует сокращению расхода вольфрама, необходимость их применения должна быть обоснована технологическими факторами, а именно повышения точности обработки, формированием лучшего микрорельефа обработанной поверхности, невозможностью изготовления или низкой работоспособностью фрез с напайными пластинками твердого сплава и т.д.
Сформировавшаяся в СССР, а тем более в настоящее время в России структура расхода инструментальных материалов с преимущественным использованием инструмента из быстрорежущих сталей нормальной производительности (практически все инструментальные заводы выпускают инструмент из быстрорежущей стали Р6М5) дает возможность значительно улучшить использование вольфрама в инструментальных материалах путем увеличения объемов применения твердосплавного инструмента. Структура расхода инструментальных материалов (в %), сформировавшаяся на машиностроительных производствах ряда стран по данным [1, 4], приведена в табл. 1.
Приведенная информация показала, что объемы применения твердого сплава в СССР, а тем более в России, по сравнению с другими странами малы, что косвенно свидетельствует об относительно низком уровне производительности труда в машиностроительных отраслях. Необходимо так же отметить, что отечественная промышленность характеризовалась недостаточными темпами увеличения объемов применения
Таблица 1
Структура расхода инструментальных материалов
Страна Твердый сплав Быстрорежущая сталь Инструментальные стали Керамика иСТМ
СССР: 19 - - 1
подотрасль 16,3 75,1 8 0,53 |
Западная Ев-
ропа в целом 45..,50 40 - 5
США 57 38 - 5
Швейцария 47 47 - 6 1
твердого сплава, так за рассмотренный период объемы применения твердого сплава в Японии увеличивались на 0,9% ежегодно [4,5], а в СССР только на 4% за 10 лет [1]. Все это в какой-то степени являлось следствием строгого фондирования министерствами инструментальных материалов (твердого сплава и быстрорежущей стали) независимо друг от друга, а не суммарного эквивалентного расхода вольфрама. В настоящее время структура применяемых инструментальных материалов зависит только от технико-организационного уровня производств и технической грамотности инженерно-технических работников,
Приведенный расход вольфрама зависит от эксплуатационных характеристик инструмента и его необходимо определять по формуле (кг):
СР
д =-------, (1)
Кпр К т
где С - коэффициент, зависящий от применяемых инструментальных материалов (для быстрорежущих сталей и дисперсионно-твердеющих инструментальных сталей он равен процентному содержанию вольфрама, разделенному на 100, для твердого сплава может быть принят 0,7,,,0,85 [1]); Р - масса инструментальных материалов, необходимых для изготовления инструмента, кг; Кпр -коэффициент производительности, характеризующий относительный уровень производительности данного инструментального материала по сравнению с эталонным или ранее применяемым, численно он равен отношению минутных подач; Кт - коэффициент стойкости, характеризующий износостойкость рассматриваемого инструментального материала по сравнению с эталонным или ранее применяемым.
Машиноведение
W -л
Расход вольфрама на единицу массы инструментальных материалов с учетом эксплуатационных характеристик приведен в табл. 2.
Данные, приведенные 8 таблице, показывают, что даже при обработке деталей из конструкционных и легированных сталей направление «экономии» вольфрама путем применения маловольфрамовых сталей с низкими эксплуатационными характеристиками не эффективно. Действительное сокращение расхода вольфрама можно определить только при учете эксплуатационных характеристик, так применение стали Р9М4К8, взамен Р18 при обработке конструкционных сталей обеспечивает снижение расхода вольфрама в 5 раз, а стали Р6М5 - только в 3 раза, причем без учета трудозатрат на изготовление инструмента. Расход инструмента из стали Р6М5 по сравнению с расходом инструмента из стали Р9М4К8 будет в 2,5 раза выше. При снижении обрабатываемости ситуации ухудшается: для данные показатели соответственно равны 6 и 2,5, а для труднообрабатываемых материалов - 6 и 1,8 (при исходном отношении вольфрама для рассматриваемых быстрорежущих сталей: 2 для Р18/Р9М4К8 и 3 для Р18/Р6М5).
Из изложенного следует, что направления работ по сокращению расхода вольфрамосодержащих элементов за счет снижения его содержания в инструментальных материалах без учета эксплуатационных характеристик не обоснованы. Результаты расчета подтвер-
ждают высокую эффективность применения дисперси-онно-твердеющих сплавов с точки зрения снижения расхода вольфрама, несмотря на его высокое содержание в сплаве. Незначительные объемы их применения объясняются высокой стоимостью и рядом трудностей технологического характера при изготовлении инструмента традиционных конструкций. Расход вольфрама на единицу массы для твердосплавного инструмента превышает его расход для инструмента из быстрорежущих сталей (см. табл, 2) , но при этом необходимо учитывать, что норма расхода твердого сплава на единицу инструмента с напайными пластинками значительно ниже, чем расход быстрорежущей стали. Для получения сопоставимых величин необходимо учитывать нормы расхода инструментальных материалов. Рассмотрим это на примере применения концевых фрез диаметром 50мм с длиной режущей части 90мм и числом зубьев 4. Результаты расчета приведены в табл, 3.
Анализ результатов, приведенных в табл. 3, показал, что оптимизация применяемых инструментальных материалов является действенным фактором снижения расхода вольфрама в процессе эксплуатации режущего инструмента, Так, замена маловольфрамовой стали Р6М5 на режущий материал типа Р9М4К8, при кажущемся увеличении расхода вольфрама в 1,5 раза обеспечивает снижение его расхода при обработке деталей из конструкционных сталей в 1,7 раза, из легированных сталей в 2,5 раза и труднообрабатываемых
Таблица 2
Расход вольфрама на единицу массы инструментальных материалов с учетом эксплуатационных характеристик
1 Инструментальный материал Коэффици работке [6 энты стойкости Кт при об- ! Коэффициент производительности Кпр, Расход вольфрама при обработке, кг
конструкционных сталей легированных сталей ........—■ — труднообрабатываемых сталей и сплавов i 1 конструкционных сталей легированных сталей —! труднообрабатываемых сталей и сплавов
Быстрорежущая сталь: PI 8 Р9М4К8 Р6М5К5 Р6М5 Р18К5Ф2 1,0 2,5 1, 5 1,0 1,5 1,0 3,0 1,2 0,8 1,5 1,0 3,0 2,0 0,6 1,7 1,0 0,180 0,036 0,040 0,060 0,120 0,180 0,030 0,050 0,075 0,120 0,180 0,030 0,030 0,100 0,106
Дисперсионно-твердеющая сталь 3820К20Х4Ф 7,0 1,3 0,022
Твердый сплав: ВК8 вкюхом ВП322 - - 2,0 2,5 3 2,0 3..0 3 - 0,250 0,133 0,111
Ш Машиноведение
Таблица 3
Приведенный расход вольфрама для концевых фрез
Приведенный расход вольфрама при обработке деталей из, кг
Материал режущей части конструкционных сталей легированных сталей труднообрабатываемых сталей и сплавов
Быстрорежущая
сталь:
Р18 0,396 0,396 0,396
Р9М4К8 0,079 0,66 0,066
Р6М5К5 0,088 0,110 0,066
Р6М5 0,132 0,165 0,220
Р18К5Ф2 0,264 0,264 0,233
Дисперсионот-
вердеющая сталь ЗВ20К20Х4Ф - 0,048
Твердый сплав: * ВК8 - - i 0,050
вкюхом - - 0,027
ВП322 - 0,22
Для твердого сплава расчет выполнен для напойных пластин формы
36.
материалов в 3,3 раза. Еще более эффективно применение режущих материалов с высокими эксплуатационными характеристиками, таких как твердые сплавы и дисперсионно-твердеющие стали. Их применение для обработки материалов с особыми свойствами обеспечивает дальнейшее сокращение расхода вольфрама.
Не менее важны при решении вопросов экономии вольфрама и конструктивные решения, Конструкции концевых фрез приведены на рис. 4...9.
В табл. 4. показано влияние конструктивных особенностей тех же концевых фрез на расход вольфрама при обработке труднообрабатываемых сталей и сплавов.
Из данных, приведенных в табл. 4, следует, что особенно эффективно применение конструкций инструмента, оснащенного напайными (приварными) и не-перетачиваемыми пластинками из комплекснолегиро-ванных быстрорежущих сталей, дисперсионно-твердеющих сталей и твердых сплавов. Их применение позволит снизить расход вольфрама естественно без учета затрат на обработку деталей на металлорежущих станках (стоимости станко-часа).
Особое место занимает применение монолитного твердосплавного инструмента. Его показатели с точки зрения расхода вольфрама приведены в табл. 5.
Рис. 4. Концевая фреза с монолитной рабочей частью из быстрорежущей стали, хвостовик из конструкционной стали
#
Рис. 5. Монолитная концевая фреза из быстрорежущей стали
Рис. 6. Концевая фреза с монолитной рабочей частью из твердого сплава, хвостовик из конструкционной стали
Рис. 7. Монолитная концевая фреза из твердого сплава
Рис. 8. Концевые фрезы с напайными пластинками твердого сплава (быстрорежущей стали)
Рис. 9. Концевая фреза с неперетачиваемыми пластинками из быстрорежущей стали
Таблица 4
Влияние конструктивных особенностей концевых фрез на удельный расход вольфрама при обработке труднообрабатываемых сталей и сплавов
Норма расхода Расход вольфрама, кг Коэффициент
Концевая фреза инструментальных материалов, кг. абсолютный с учетом эксплуатационных характеристик расхода вольфрама
Из быстрорежущей стали: Р9М4К8 0,198 0,066 0,170
Р18 2,2 0,396 0,396 1,000
1Р6М5 0,132 0,220 0,560
Из дисперсионно-твердеющей
стали ЗВ20К20Х4Ф 2,2 0,400 0,048 0,120
С напайными пластинками из:
быстрорежущих сталей:
Р9М4К8 0,0171 0,0057 0,014
Р18 0,190 0,0342 0,0342 0,086
Р6М5 0,0114 0,0190 0,048
Дисперсионно-твердеющей
стали ЗВ20К20Х4Ф 0,190 0,0114 0,0042 0,011
твердого сплава:
ВК8 0,200 0,160 0,050 0,126
вкюхом 0,140 0,027 0,068
ВП322 0,140 0,023 0,056
С неперетачиваемыми
пластинками из:
быстрорежущих сталей:
Р9М4К8 0,0099 0,0033 0,008
Р18 0,110 0,0198 0,0198 0,050
Р6М5 0,0066 0,0110 0,028
Дисперсионно-твердеющей i
стали ЗВ20К20Х4Ф 0,110 0,0220 0,0024 0,006
твердого сплава:
ВК8 0,168 0.1344 0,0223* 0,056
ВКЮХОМ 0,1176 0,0104* 0,026
ВП322 0,1176 0,0087* 0,021
* С учетом коэффициента повышения стойкости для неперетачиваемых пластин.
fî-vl . mm
M Машиноведение _
Таблица 5
Расход вольфрама при применении монолитных конструкций концевых фрез
Концевая фреза диаметром 20мм Норма расхода инструментальных материалов, кг. Расход вольфрама, кг Коэффициент расхода вольфрама
абсолютный с учетом эксплуатационных характеристик
Из быстрорежущей стали: Р9М4К8 Р18 Р6М5 0,330 0,030 0,060 0,020 0,010 0,060 0,033 0,170 1,000 0,55
Твердого сплава ВКЮХОМ ВП322 0,55 0,470 0,062 1,033 0,051 0,086
Примечание. Расчеты выполнены для труднообрабатываемых материалов.
С точки зрения расхода вольфрама можно сказать, что применение монолитных конструкций инструмента без учета технологических факторов будет оправдано при выполнении условия:
Кпр • Кт
С учетом того, что стоимость прогрессивных инструментальных материалов значительно выше, чем у маловольфрамовых сталей или других инструментальных материалов низкой производительности допустимые затраты на новые инструментальные материалы необходимо определять так же с учетом эксплуатационных характеристик по формуле:
^ л Сбаз • Рбаз ■ Кпр ■ Кт
Сдоп <---------- --, (3)
Рноб • Ктр
где Сдоп - допустимая стоимость нового инструментального материала, руб.; Сбаз - стоимость ранее применяемого инструментального материала, руб.; Рбаз -масса ранее применяемого инструментального материала, кг; Рнов - масса нового инструментального материала, необходимого для нового инструмента, кг.; Ктр - коэффициент увеличения трудоемкости изготовления инструмента из нового инструментального материала.
При применении монолитных концевых фрез необходимо учитывать, что эффект от их использования заключается не только в повышении производительности и стойкости, но и что зачастую может оказаться более важным в повышении точности обработки и снижения высоты микронеровностей.
Из вышеизложенного материала следует, что реальными путями снижения расхода вольфрама при эксплуатации режущих инструментов являются:
1. Рационализация структуры расхода инструментальных материалов за счет увеличения объемов применения твердосплавного инструмента и других инструментальных материалов с высокими эксплуатационными характеристиками.
2. Повышения технического уровня инструмента, что особенно эффективно применение конструкций инструмента, оснащенного напайными (приварными) и неперетачиваемыми пластинками из комплекснолегиро-ванных быстрорежущих сталей и дисперсионно-твердеющих сталей и твердых сплавов. Их применение позволит снизить расход вольфрама, даже по сравнению с традиционными конструкциями инструмента в десятки раз.
3. Повышение технико-организационного уровня механообрабатывающих производств т.д
Библиографический список
1. Клячко ЛИ,, Кудря H.A., Самойлов Б,С, Основные направления экономии вольфрама при использовании твердых сплавов. - М,: Цветметинформация. 1976, - С,12-21.
2, Типаж металлорежущего инструмента на 1976-1980 г. - М.: НИИМАШ, 1976. - 424 с,
3. Балла О.М, Улучшение использования вольфрамосо-держащих материалов в режущем инструменте II Вестник машиностроения. - 1992. - № 1, - С, 44-46.
4, Unbeschicîete und beschichtete: Herausforderungen fur die Werkzeughersielier / Reiter Nobert II Schweiz Maschinenmarkt. 1990, №14, p,38-45,
5. Hart, rah undverschleibfest / Schrens Friedrich II Rept: Mag, Techn. Manag. 1988, №12, p,30-33.
6, Технологические рекомендации TPI 1295-75 Выбор и применение быстрорежущих сталей с пониженным содержанием вольфрама при обработке резанием труднообрабатываемых материалов, - М,: НИАТ, 1976. - 40 с.
