CC BY
37
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
УДК 621.941.025.7
Влияние износостойких покрытий режущего инструмента на тепловые процессы при механической обработке серых чугунов СЧ20/25
Ю. А. Гришин, В. В. Куранов, М. В. Малых, Н. В. Горбоконин
Объект исследования — построение теоретических и практических зависимостей температур в зоне резания чугунов СЧ20/25 от материалов покрытий, нанесенных на металлорежущий инструмент. В работе представлены результаты экспериментов по определению значений температур резания методом двухрезцовой естественной термопары при точении заготовок из чугунов СЧ20/25 с использованием резцов с покрытиями TiN, ZrN, ZrTiN и без покрытия. В программном комплексе Deform, МКЭ выполнены расчеты значений температур резания при точении фрагмента заготовки из чугунов СЧ20/25. Полученные расчетные значения температур резания соотнесены с результатами, полученными экспериментально. Результаты исследований показали, что применение в качестве материалов покрытий режущего инструмента TiN и ZrN позволяет уменьшить температуру в зоне резания чугунов СЧ20/25 (и близких ему по свойствам материалов) в сравнении с инструментом без покрытия и с комбинированным покрытием ZrTiN.
Ключевые слова: твердосплавный резец, точение, двухрезцовая естественная термопара, серый чугун, покрытие нитридом титана, покрытие нитридом циркония, моделирование, Deform.
Введение
Одним из перспективных, активно развивающихся направлений в области оптимизации параметров резания является применение режущего инструмента с покрытием. Покрытие следует рассматривать как своеобразную «среду», которая, с одной стороны, может заметно изменять поверхностные свойства инструментального материала, с другой — влиять на контактные процессы, деформации, силы и температуры резания, направленность тепловых потоков, термодинамическое напряженное состояние режущей части инструмента и т. д. Задавая свойства материала покрытия путем варьирования его химического состава и строения, можно изменять основные характеристики резания и в конечном итоге управлять их важнейшими выходными параметрами.
Серые чугуны СЧ20/25 ГОСТ 1412-85 [1] являются труднообрабатываемыми материалами, поэтому используются в качестве имитатора подобных материалов при разработке технологий изготовления деталей. Один из определяющих параметров обработки резанием — допускаемая максимальная температура резания Ттах. От этого параметра во многом зависят точность и качество обработки, стойкость режущего инструмента и другие технологические и конструкционные факторы. Контроль этого параметра является важной задачей при разработке технологий изготовления деталей из труднообрабатываемых материалов.
Целью работы являются теоретические и практические исследования зависимостей температур в зоне резания чугунов СЧ20/25 от материалов покрытий, нанесенных на металлорежущий инструмент.
МЕТ АЛЛ 00 БРАУТКА
Методика проведения исследований
Экспериментальные значения температур резания получали прямыми измерениями методом двухрезцовой естественной термопары, т. е. термопарой являлись два инструмента (резца), изготовленные из различных инструментальных материалов и работающие одновременно при одном и том же режиме [2]. При проведении экспериментов варьируемыми параметрами выбраны скорость резания V и подача инструмента 5.
Для экспериментов были изготовлены четыре двухрезцовые естественные термопары № 1-4 (рис. 1) из твердых сплавов Т15К6 и ВК6 ГОСТ 3882-74 [3]. На резцы трех термопар ионно-плазменным методом (методом катодно-ионной бомбардировки КИБ) наносили покрытия толщиной 5-10 мкм: нитрид титана Т1Ы (термопара № 1), нитрид циркония ZrN (термопара № 2), нитрид циркония-титана ZrTiN (термопара № 3); резцы одной термопары не покрывали.
Схема исследований по определению температур в зоне резания представлена на рис. 2.
Покрываемые поверхности
Рис. 1. Покрываемые поверхности резцов
3 — многофункциональный измерительный комплекс
Значения термоЭДС измеряли с помощью специального многофункционального программно-измерительного комплекса собственной разработки через цифровой аналоговый модуль Adam 4018.
Расчетные зависимости получали моделированием резания чугунов методом конечных элементов (МКЭ) в программно-вычислительном комплексе Deform, предназначенном для анализа трехмерного течения материала при различных процессах обработки материалов давлением, резанием, а также для моделирования технологических процессов термообработки [4].
Для моделирования поперечного точения серых чугунов использовали специализированное приложение к модулю Deform-2D-Machining-2D, предназначенное для моделирования обработки материалов резанием.
Поскольку в стандартной библиотеке материалов Deform отсутствуют серые чугуны, физико-механические и тепловые свойства чугу-нов марок СЧ20/25 вводили в модель по литературным источникам [5-7].
При составлении расчетных моделей изменяли варьируемые параметры резания v и S, основные неизменяемые параметры моделей приведены ниже:
Начальная температура, °С .......................... 20
Коэффициент трения.................................... 0,6
Коэффициент теплообмена, Н/(с • мм • °С)........ 45
Материал резца......................Твердый сплав ВК
Толщина покрытия TiN, мкм......................... 8
Для отслеживания износа резцов применяли модель Усуи
w = J apve~ bTdt, (1)
где p — контактное давление, мПа; v — скорость скольжения, м/мин; t — температура поверхности, °С; a, b — расчетные коэффициенты.
Результаты исследований и их обсуждение
На рис. 3-6 приведены графические зависимости температур резания от изменения v и S.
100 90 80 70
60 50 40 30 20 10 0
0,070
0,097
0,110
8, мм/об
Рис. 3. Зависимость Ттах от в при V = 2,51 м/мин: 1 — термопара 1; 2 — термопара 2; 3 — термопара 3
250
200
150
100
50
0,070
0,097
0,110
8, мм/об
Рис. 5. Зависимость Ттах от в при V = 17,71 м/мин: 1 — термопара 1; 2 — термопара 2; 3 — термопара 3; 4 — термопара без покрытия
140
120
100
80
60
40
20
0,070
0,097
0,110
в, мм/об
Рис. 4. Зависимость Ттах от в при V = 8,03 м/мин: 1 — термопара 1; 2 — термопара 2; 3 — термопара 3
350 300 250 200 150 100 50
"ИЛ
0,070
0,097
-о-
0,110
в, мм/об
Рис. 6. Зависимость Ттах от в при V = 26,30 м/мин: 1 — термопара 1; 2 — термопара 2; 3 — термопара 3; 4 — термопара без покрытия
Т (
1 тах> ^
Т С
тах
0
Т (
тах
Т (
тах
2
1
1
0
0
Результаты экспериментов показали, что применение в качестве материалов покрытий режущего инструмента Т1Ы и ZrN позволяет минимизировать температуру в зоне резания чугунов СЧ20/25 (и близких по свойствам им материалов) в сравнении с инструментом без покрытия и с комбинированным покрытием ZrTiN.
На рис. 7-10 приведены расчетные зависимости значений температур резания от V при в = 0,11 мм/об для термопары с резцами, покрытыми ^^
Расхождения значений, полученных расчетным путем, и эмпирических значений сведены в таблицу.
МЕТАЛЛ00 БРАБОТКА
т, °с
55,7
48,6
41,4
34,3
27,1
20
0,2 0,4 0,6 0,
Рис. 7. Изменение температуры резания Т при V = 2,51 м/мин
т, °с 118
98,3
78,7
59,1
39,6
20
115,2
-------7.2... \-------------
/ -
-
0,2
0,4
0,6
0,8
т, °с
203
166
130
93,1
56,6
20
198,05
I
/
/
0,2 0,4 0,6 0,8
Время, с
Время, с
Рис. 9. Изменение температуры резания Т при V = = 17,71 м/мин
т, °с
253
206
160
113
66,6
20
240,26
;
/ -
-
■ / -
-
Время, с
0,2
0,4
0,6
0,8
Время, с
Рис. 8. Изменение температуры резания Т при V = = 8,03 м/мин
Рис. 10. Изменение температуры резания Т при V = = 26,30 м/мин
Расхождения (Д) расчетных (Грасч) и эмпирических (Тэксп) значений температур резания °С, %
Таблица
V, м/мин 5, мм/об Т °С 2 расч» ^ Т °С 2 эксп» ^ д = т — Т °С ^ 2 расч 2 эксп» ^ Д, %
2,51 0,07 50,30 50,20 0,10 0,20
0,11 54,01 54,87 0,86 1,57
8,03 0,07 108,01 91,89 16,12 14,92
0,11 115,2 98,21 16,99 14,75
17,71 0,07 193,91 174,55 19,36 9,98
0,11 198,05 205,29 7,24 3,53
26,30 0,07 230,15 214,02 16,13 7,01
0,11 240,26 238,59 1,67 0,70
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
МЕ^П00|(РАШК)
По результатам физических экспериментов и расчетных исследований износ инструмента и нанесенного на резцы покрытия не выявлен.
Как следует из данных таблицы, расхождение между расчетными и эмпирическими значениями температур резания — от 0,10 до 19,36 °С (0,2-14,92 %).
3. В программном комплексе Deform, МКЭ рассчитаны значения температур резания при точении фрагмента заготовки из чугунов СЧ20/25. Полученные расчетные значения температур резания соотнесены с результатами, полученными экспериментально. Установлено, что расхождение расчетных значений с экспериментальными не более 15 %.
Выводы
1. Реализована схема измерений значений термоЭДС методом двухрезцовой естественной термопары, проведены эксперименты по определению температур резания при точении заготовок из чугунов СЧ20/25 с использованием резцов с покрытиями ^^ ZrN, ZrTiN и без покрытия.
2. Результаты исследований показали, что применение в качестве материалов покрытий режущего инструмента TiN и ZrN позволяет уменьшить температуру в зоне резания чугунов СЧ20/25 (и близких ему по свойствам материалов) в сравнении с инструментом без покрытия и с комбинированным покрытием ZrTiN.
Литература
1. ГОСТ 1412—85. Чугун с пластинчатым графитом для отливок.
2. Васин С. А., Верещака А. С., Кушнер В. С. Резание материалов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001, 448 с.
3. ГОСТ 3882-74. Твердые сплавы.
4. Практическое руководство по Deform-3D / В. С. Паршин, А. П. Карамышев, И. И. Некрасов [и др.] Екатеринбург: УрФУ, 2010. 266 с.
5. Антонишин Ю. Т. Пластическая деформация чугуна. Минск: Наука и техника, 1991. 120 с.
6. Гиршович Н. Г. Справочник по чугунному литью. Л.: МС, 1978. 760 с.
7. Энциклопедический справочник. Машиностроение. Т. 4. Материалы в машиностроении / Под. ред. Е. А. Чудакова. М.: МС, 1947. 429 с.
р Л
Уважаемые авторы!
Для полноценной работы ссылок в Научной Электронной Библиотеке (НЭБ) просим вас предоставлять в статьях точные библиографические сведения об источниках цитирования.
Ссылки должны быть составлены согласно ГОСТ 7.0.5.-2008. Особое внимание просим уделять написанию названий издательств и журналов. Предпочтение отдается полной форме. В случае сокращенного написания, пожалуйста, сверяйтесь с принятой формой сокращения наименования данного журнала или издательства в НЭБ (в случае, если они зарегистрированы). В противном случае НЭБ не сможет идентифицировать ссылку. Ответственность за предоставляемую информацию несет автор.
С уважением, редакция журнала «Металлообработка»
