СОВОКУПНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЁМОВ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТВЁРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА ПУТЁМ УПРОЧНЕНИЯ ОСНОВЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА

Швецов И.В.¹, Желнов Д.В.², Мокрицкий Б.Я.³

¹ORCID: 0000-0003-3668-307Х, доктор технических наук, профессор;²аспирант, ³ORCID 0000-0003-4727-9873, доктор технических наук, профессор, ^1,2Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, ³Комсомольск-на-Амуре государственный технический университет

СОВОКУПНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЁМОВ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТВЁРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА ПУТЁМ УПРОЧНЕНИЯ ОСНОВЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА

Аннотация

Рассмотрены технологические приёмы повышения работоспособности металлорежущего инструмента из твердого сплава. Приведены данные эффективности упрочнения инструмента алмазной термозаточкой. Сравнительные испытания инструмента, подвергнутого различным видам упрочняющей термопластической обработки, показывают на относительное повышение его работоспособности. В работе имеется сравнительная оценка трещиностойкости твёрдых сплавов и их покрытий. Внимание уделено технологическому управлению работоспособностью твёрдосплавного инструмента за счёт нанесения покрытий. Конструктивные особенности управления работоспособностью рассмотрены на примере составных концевых твёрдосплавных фрез и тангенциальных пластин для восстановительной колёсотокарной обработки.

Ключевые слова: износ, резание, инструмент, твердый сплав, материал, покрытие, технологический процесс, поверхностное упрочнение.

Shvetsov I.V.¹, Zhelnov D.V.², Mokritsky B.Ya.³

¹ORCID: 0000-0003-3668-307Х, PhD in Engineering, Professor; ²Postgraduate student, ³ORCID 0000-0003-4727-9873, PhD in Engineering, Professor, ^1,2Yaroslav-the-Wise Novgorod State University, ³Komsomolsk-na-Amure State Technical University

COMPATIBILITY OF TECHNOLOGICAL APPROACHES TO INCREASE THE WORKING EFFICIENCY OF THE IRON-FUEL TOOL BY WAYS OF STRENGTHENING THE BASIS OF THE INSTRUMENT MATERIAL

Abstract

Technological methods of increasing the working capacity of metal-cutting tools from hard alloy are considered. The data of the tool hardening efficiency with a diamond thermal grinder are given. Comparative tests of the tool subjected to various types of strengthening thermoplastic processing show a relative increase in its performance. In this paper, there is a comparative evaluation of the fracture toughness of hard alloys and their coatings. Attention is paid to the technological control of the working capacity of the carbide tool by coating. The structural features of working capacity control are considered on the example of composite carbide cutters and tangential plates for restoring wheel-rolling processing.

Keywords: wear, cutting, tool, hard alloy, material, coating, technological process, surface hardening.

Приводимая совокупность технологических приёмов может рассматриваться в виде самостоятельных технологических процессов изготовления инструмента или как часть технологических процессов, предусматривающих нанесение покрытий [1, С. 320], [2, С. 38] на твёрдосплавную основу [3, С. 264], [4, С. 194]. Во втором случае приёмы следует рассматривать как процесс подготовки основы под нанесение (архитектурирование) и упрочнение покрытия, т.е. как варианты упрочняющих воздействий на этапе упрочнения основы инструментального материала.

Рост сопротивляемости разрушению связано с повышением однородности структуры в поверхностных слоях и формированием термодинамически устойчивой дислокационной структуры. Исследование и описание основных закономерностей [5, С.28] протекания всевозможных процессов позволяет объяснить массоперенос. Исследование процессов деформирования и разрушения материалов, с одной стороны, позволяет рассматривать динамику изменения состояния вещества на субструктурном и атомарном уровнях, а с другой стороны, разработать новые физические основы интенсификации методов, мониторинг процесса и диагностирование оборудования. На основе всестороннего изучения взаимосвязи деформационных, последеформационных процессов и процессов разрушения материалов, структурных изменений возможен научно обоснованный подход к использованию полученных результатов при создании новых методов контроля [6, С. 14], [7, С. 91].

Строение кристаллической решетки сталей и чугунов связано с их химическим составом, наличием примесей, которые в разной степени оказывают влияние на пластическое деформирование и разрушение срезаемого слоя при превращении его в стружку. Процесс снятия стружки как при обработке лезвийным инструментом, так и абразивным можно характеризовать как формирование новой поверхности заготовки с затратой определенного количества энергии, а стружкооброзование как пластический сдвиг, представляющий не что иное как вязкое разрушение, связанное с явлением пластической деформации [8, С. 27].

Образование микротрещин, действующих в ферритной матрице сталей и ряде чугунов, как концентратор напряжений создает зародыши уже при 1% деформации, что намного меньше, чем при пластическом деформировании и разрушении стружки. Поэтому микроскопический анализ поведения вещества может быть выполнен лишь на основе моделирования методом молекулярной динамики процессов [9, С. 64.].

Типовая технология спекания инструмента из твердого сплава, его алмазная заточка, виброабразивная обработка не могут обеспечить необходимой термической устойчивости сформировавшихся структур в связи с тем, что достаточно более высокие температуры эксплуатации инструмента вынужденно приводят к изменению достигнутого при его изготовлении состояния.

Для стабилизации структур в поверхностном слое и интенсификации диффузионных процессов в объемном теле пластины из твердого сплава наряду с выравниванием уровня напряжений представлен [10, С. 1] метод термомеханического упрочнения твердосплавного инструмента, представляющего собой упрочняющую термопластическую обработку. Он основан на комплексном силовом и тепловом воздействии на инструмент.

Процесс упрочнения реализуется алмазной заточкой (допустимо применение других видов механического воздействия без осуществления процесса резания) инструмента, находящегося в нагретом состоянии. Оптимальная температура нагрева для сплавов группы ВК около 773К, для сплавов группы ТК - около 873 К. Более высокие температуры нагрева инициируют развитие процессов ползучести и снижают эффективность упрочнения.

Реализация УТПО возможна на заточном или шлифовальном станке с применением специальной оснастки для нагрева и крепления инструмента, желательно, сменных многогранных пластин.

По анализу микрофотографий видно, что поверхность при алмазной термозаточке более стабильная, нет явно выраженных борозд (следов воздействия алмазного круга), меньше вырывов зерен и связки, нет сдвигов группы зерен и их раскола. Более тщательные электронно-фрактографические исследования показывают, что при термозаточке происходит залечивание дефектов (вырывов, микротрещин) алмазной заточки, формируется текстура, на поверхности формируются энергоемкие окислы TiO₂, WO₃. Исследование процесса развития трещин показывает, что доля хрупкого разрушения (от зерна к зерну) уменьшается, а доля вязкого (по связке) разрушения возрастает. Это и наличие текстуры ведет к многократному изменению направления роста трещины, что в целом снижает ее скорость роста.

Поверхностное упрочнение проявляется в существенном приросте микротвердости. Объемное упрочнение заметно при оценке вязкости разрушения, т.е. происходит рост сопротивляемости трещинообразованию. Влияние температурного режима и режимов алмазной заточки на работоспособность инструмента оценивалось методом экзоэлектронной эмиссии и испытаниями на износостойкость, что позволило определить оптимальные режимы. Эффективность упрочнения инструмента алмазной термозаточкой подтверждается данными таблицы 1.

 

Таблица 1 – Величины износа, мм, по задней грани твердосплавного инструмента ВК8 при различных условиях упрочнения за равный период работы

Обрабатываемый материал	Алмазная заточка	Алмазная термозаточка по разработанному технологическому приёму
Сталь 45 ВТ - 3 ВТ - 20	0,5 0,65 0,72	0,23 0,38 0,30

Примечание: значения приведены как среднее по 5 результатам с коэффициентом вариации 0,25-0,3.  

Предложенный метод требует специального оборудования или оснастки. В условиях промышленного предприятия для этих целей могут быть применены заточные или шлифовальные станки.

Комбинированный метод упрочняющей термопластической обработки реализован на основе совмещения термопластической и химико-термической обработки твердых сплавов. Суть способа в том, что термозаточка реализуется в специальной (азотосодержащей) газовой среде, призванной обеспечить дополнительную стабилизацию дислокационных структур в процессе УТПО и нейтрализовать (снизить) протекание окислительных разрушающих воздействий окружающей среды на формируемые при термозаточке поверхности инструмента. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 2. Данные приведены для случая токарной обработки в жёстких условиях (при прерывистом точении  специализированной стали АК-32ПК при скорости резания 80 м/мин, подаче 0,2 мм/об и глубине 1,5 мм, поверхность получена методом свободной ковки с большими колебаниями припуска).

 

Таблица 2 – Сравнительные испытания работоспособности инструмента, подвергнутого различным видам упрочняющей термопластической обработки

Вид упрочнения	T15K6 в состоянии поставки	T15K6 + термозаточка	T15K6 + термозаточка в азотосодержащей среде	T15K6+ TiN
Количество обработанных деталей	26	3941	6069	3240
Относительное повышение работоспособности	1,0	1,5	2,7	1,4

Примечание: значения приведены как среднее по 5 результатам с коэффициентом вариации 0,25-0,3.  

Специальный метод термопластического упрочнения реализован для твердосплавного инструмента с покрытием. Необходимость упрочняющего воздействия на покрытие связана тем, что трещиностойкость покрытий существенно ниже трещиностойкости твердого сплава, что представлено в таблице 3.

 

Таблица 3 – Сравнительная оценка трещиностойкости твёрдых сплавов и их покрытий

Вязкость разрушения	ВК6	ВК8	Т15К6	ТТ10К8Б	ТiC	ТiN
К1с, Мпа √м	10,4	11,4	7,2	8,6	1, 85	1, 89

Примечание: 1. Значения для ВК6, ВК8, Т15К6 и ТТ10К8Б приведены как среднее по 5 экспериментам с коэффициентом вариации 0,25-0,3. 2. Значения для TiC и TiN определены расчётным путём по методике Кабалдина Ю.Г.  

В разработанном решении повышение энергоемкости и термодинамической устойчивости достигается путем вибрационно-ударного воздействия на нагретый инструмент. Нагрев происходит по аналогии к термозаточке, т.е. путем подвода тепла от термоэлементов. Вибрационно-ударное воздействие осуществляется посредством упругих элементов вращающейся металличеcкой щетки (принцип решения состоит в замене заточного круга на металлическую щетку). Повышение работоспособности инструмента достигается за счет:

снижения уровня напряжений на границе раздела покрытие-основа;

интенсификации диффузионного взаимодействия покрытия и основы;

выравнивания энергетического состояния микрообъемов покрытия;

заделки (залечивания) дефектов (типа пор) покрытия материалом щетки.

Варьирование материала щетки не выявило существенного влияния на работоспособность, т.е. роль твердой смазки материала щетки на инструменте незначительна. Варьирование режимами такого термопластического упрочнения позволило выявить оптимальные условия упрочнения. Для нитридных покрытий это: температура около 673-773К, число оборотов щетки n = 1200-1600 об/мин, подача S = 80-100 мм/мин, число проходов i = 2-3, усилие прижима щетки Q = 60-100 Н.

Для случая чернового точения титанового сплава ВТ-3-1 с подачей S = 0,21 мм/об, t = глубиной 5 мм и скоростью резания V = 0,9 м/с данный метод термопластического упрочнения инструмента с покрытием обеспечивает повышение работоспособности свыше 20 раз.

Полученные сведения показывают, что:

технологический приём термомеханического воздействия (алмазная термозаточка и алмазная термозаточка в азотосодержащей среде) обеспечивает повышение работоспособности твёрдосплавного инструмента без покрытия;

технологический приём термопластического воздействия (виброударное воздействие проволоками металлической щётки) обеспечивает повышение работоспособности твёрдосплавного инструмента с покрытиями;

основным механизмом повышения работоспособности в этих технологических приёмах является повышение трещиностойкости (коэффициента вязкости разрушения) инструментального материала и термическая стабилизация внутренних напряжений.

Ведутся исследования возможности выбора эффективного процесса упрочнения металлорежущего инструмента за счёт применения моделирования процесса резания, в том числе при фрезеровании составными концевыми фрезами.

Список литературы / References

1. Grigoriev S.N. Cutting tools made of layered composite ceramics with nano-scale multilayered coatings. / Grigoriev S.N., Vereschaka A.A. , Vereschaka A.S, . Kutin A.A. Procedia CIRP Vol 1. – 2012. - P. 320.
2. Волосова М.А. Технологические принципы осаждения износостойких нанопокрытий для применения в инструментальном производстве / Волосова М.А., Григорьев С.Н. //Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. – № 6. – С. 38.
3. Якубов Ф.Я. Структурно-энергетические аспекты упрочнения и повышения стойкости режущего инструмента / Якубов Ф.Я., Ким В.А. – Симферополь: Крымское учебно-педагогическое государственное издательство. - 2005. – С. 264.
4. Верещака А.С. Тенденции совершенствования и методология создания функциональных покрытий для режущего инструмента. Современные технологии в машиностроении / Верещака А.С., Верещака А.А. // Сб. научн. статей / Под редакцией А.И.Грабченко. – Харьков: НТУ «ХПИ». - 2007. – С. 194.
5. Сотова Е.С. Керамические режущие инструменты / Сотова Е.С., Верещака А.А., Верещака А.С. - М.; изд-во ФГБОУ ВПО «МГТУ Станкин», 2013. – С. 28.
6. Мокрицкий Б.Я. Управление эффективностью применения металлорежущего инструмента: монография / Мокрицкий Б.Я., Усова Т.И., Конюхова Я. В. Комсомольск-на-Амуре, ФГБОУ ВО «КнАГТУ». - 2017. – С. 14.
7. Бансявичус Р.Ю. Контроль износа сверл в процессе резания по параметрам акустической эмиссии / Бансявичус Р.Ю., Лазаревичюс П.П., Пуоджюкайтис С.Б. // Новые методы обработки резанием конструкционных материалов и эксплуатация режущих инструментов: Материалы семинара. – М. - 1988. – С. 91.
8. Армарего И. Дж. А., Браун Р. Х. Обработка металлов резанием. Пер. с англ. В. А. Пастунова. – М.: Машиностроение, 1977. – С. 27.
9. Верещака А.С., Касьянов С.В. Работоспособность и эксплуатационная надежность быстрорежущего инструмента при нанесении износостойких покрытий. Обработка материалов резанием. – М.: МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского. - 1977. – С. 64.
10. А.с. СССР № 1639087 МПК С23С 14/32. Способ изготовления инструмента из режущей керамики / Ю.Г. Кабалдин, Б.Я. Мокрицкий, А.С. Верещака, В.Н. Аникин, О.Б. Ковалёв, С.Н. Григорьев. Опубл. 10.04.2010. Бюл. №10. – С. 1.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Grigoriev S.N. Rezhushie instrumenti izgotovlennie iz mnogosloinoi kompozitnoi keramiki s nanorazmernimi mnogosloinimi pokritiymi [Cutting tools made of layered composite ceramics with nano-scale multilayered coatings]. / Grigoriev S. N., Vereschaka A.A., Vereschaka A.S., Kutin A.A. Procedia CIRP Vol 1. – 2012. - P. 320. [in Russian]
2. Volosova M. A. Tehnologicheskie principy osazhdenija iznosostojkih nanopokrytij dlja primenenija v instrumental'nom proizvodstve [Technological principles of deposition of wear-resistant nano-coating for use in tool production] / Volosova M.A., Grigoriev S.N. // Uprochnjajushhie tehnologii i pokrytija [Hardening technology and coatings]. – 2010. – No. 6. – P. 37. [in Russian]
3. Yakubov F. Y. Strukturno-jenergeticheskie aspekty uprochnenija i povyshenija stojkosti rezhushhego instrumenta [Structure-energy aspects of hardening and increasing the resistance of the cutting tool] / Yakubov F.Y., Kim V.A. – Simferopol: Crimean pedagogical state publishing house. - 2005. – 300c. [in Russian]
4. Vereshchaka A.S. Tendencii sovershenstvovanija i metodologija sozdanija funkcional'nyh pokrytij dlja rezhushhego instrumenta. Sovremennye tehnologii v mashinostroenii [Trends in improvement and methodology for the creation of functional coatings for the cutting tool. Modern technologies in mechanical engineering] / Vereshchaka A.S., Vereshchaka A.A. //Proc. scientific. articles /edited by A. I. Grabchenko. – Kharkiv: NTU "KPI", 2007. – P 192-235. [in Russian]
5. Cell E.C. Keramicheskie rezhushhie instrumenty [Ceramic cutting tools] / Cell E.C., Vereshchaka A.A., Vereshchaka A.S. - M.; Publishing house FGBOU VPO "MGTU Stankin". - 2013., - P. 148. [in Russian]
6. Mokritsky B.Y. Upravlenie jeffektivnost'ju primenenija metallorezhushhego instrumenta: monografija [Management of efficiency of cutting tools: monograph] / Mokritsky B.Y., Usov T.I., Konyukhov Y.V. Komsomolsk-on-Amur, of the "KnAGTU", 2017. – S. 14. [in Russian]
7. Bansevicius R. Y. Kontrol' iznosa sverl v processe rezanija po parametram akusticheskoj jemissii [Control of wear of the drill during the cutting process on the acoustic emission parameters] / Banevicius R.J., Lazarewicz P.P., Boogybytes S.B. // Novye metody obrabotki rezaniem konstrukcionnyh materialov i jekspluatacija rezhushhih instrumentov: Materialy seminara [New methods of machining of constructional materials and operation of cutting tools: Materials of the workshop]. – M., 1988. – S. 91 – 94. [in Russian]
8. Armarego Ij.A., Brown R.H. Obrabotka metallov rezaniem [Processing of metals by cutting]. Per. from English. V.A. Pestunova. – M.: Mashinostroenie, 1977. – S. 27. [in Russian]
9. Vereshchaka A.S. Rabotosposobnost' i jekspluatacionnaja nadezhnost' bystrorezhushhego instrumenta pri nanesenii iznosostojkih pokrytij. Obrabotka materialov rezaniem [The efficiency and the operational reliability of the high speed of the tool when the wear-resistant coatings. Processing of materials by cutting] / Vereshchaka A.S., Kasyanov S.V. – M.: MDNTP them. F. E. Dzerzhinsky. - 1977. – P. 64. [in Russian]
10. A.S. USSR № 1639087 IPC С23С 14/32. Sposob izgotovlenija instrumenta iz rezhushhej keramiki [Method of manufacturing a tool from cutting ceramics] / Kabaldin Y.G., Mokritsky B.Y., Vereshchaka A.S., Anikin V.N., Kovalev O.B., Grigoriev S.N.. Publ. 10.04.2010, Bull. №10. – P.1.