МАГНІТНО-АБРАЗИВНА ОБРОБКА ТВЕРДОСПЛАВНОГО ІНСТРУМЕНТУ З ПОКРИТТЯМ НА ОСНОВІ TіN

Дюбнер Л.Г., Майборода В.С., Ульяненко Н.В.
НТУУ “КПІ”, Київ, Україна

Источник: http://www.nbuv.gov.ua/Portal/natural/Npdntu/Mim/2004/5.pdf

Вернуться назад

Вступ

      Методи підвищення працездатності і якості твердосплавного різального інструменту з значній мірі пов’язані з його поверхневою обробкою різноманітними методами, такими як, наприклад, нанесення спеціальних захисних зносостійких покриттів [1], застосування методів поверхневої зміцнюючої обробки – віброабразивної [2], магнітно-абразивної і термомагнітно-абразивної обробок [3, 4], гідроабразивної [5], тощо. Як правило, зазначені методи впливу на поверхню й поверхневий шар використовують у якості фінішної обробки.

Стан проблеми

       Виконані дослідження по підвищенню якості швидкорізального різального інструменту, деталей газотурбінних двигунів, пов'язані з застосуванням комбінованої обробки – нанесення покриттів з подальшою фінішною магнітно-абразивною обробкою (МАО) [6] показали наявність значних резервів щодо забезпечення більш високої працездатності зазначених виробів. Результати, отримані при вивченні впливу умов МАО твердосплавного різального інструменту з покриттями різноманітних складів на стан мікрогеометрії поверхні і поверхневу твердість [7, 8], відкривають широкі перспективи в зазначеному напрямку. Розрахунки умов МАО деталей на магнітно-абразивних установках типу кільцева ванна [9] показали, що в разі використання режимів обробки, які забезпечують переважне зміцнення поверхневого шару за рахунок мікропластичного деформування поверхні можна отримати підвищення стійкості твердосплавного різального інструменту з покриттями.

Мета роботи

       Метою роботи було визначення впливу умов МАО у великих магнітних щілинах на працездатність твердосплавних непереточуваних пластин з нітридними покриттями, нанесеними методом PVD.

Умови досліджень

      Досліджували трьохгранні непереточуванні пластини з сплаву ТТ10К8-Б (МС 221-287, ТУ481930880) з покриттям на основі TiN. МАО виконували на установці типу кільцева ванна з вертикальним розташуванням оброблюваних деталей [10]. Режими МАО були вибрані таким чином, щоб забезпечити переважне зміцнення поверхневого шару інструменту без істотного мікрорізання [9]. Для формування магнітно-абразивного інструменту (МАІ) було використано магнітно- абразивні порошки двох типів: ПР Р6М5 з практично сферичними частинками (коефіцієнт нерівновісності k_f=1,05) з розміром частинок 315/200 мкм і порошок Феромап (k_f = 1,5) з розміром частинок 100/63 мкм [6]. Величина магнітної індукції в робочих щілинах варіювалась в діапазоні 0,27-0,35 Тл (вільна робоча зона). Швидкість МАО складала 2,2–3,25 м/с. Час обробки змінювався від 3 до 5 хвилин. Характеристики мікрогеометрії робочих елементів твердосплавних пластин вимірювали на профілометрі Form Talysurf 120PC. Працездатність різальних твердосплавних пластинок вивчали при повздовжньому точінні сталі 20CrMn5 (аналог 18 ХГТ) без використання ЗОМТС при таких умовах Vp = 180 м/хв., S = 0,2 мм/об, t = 1 мм.

Експериментальні дослідження

       Після МАО твердосплавних непереточуванних пластин виконували аналіз шорсткості робочих поверхонь і стану мікрогеометрії різальних кромок. Результати досліджень наведено в таблиці 1 і на рис. 1.
      Аналіз результатів вимірювання мікрогеометрії поверхні пластин показав, що шорсткість поверхні з збільшенням часу обробки зменшується як при використанні порошку ПР Р6М5, так і порошку Феромап в основному за рахунок зменшення висоти мікровиступів (величина Rp знижується з 4-4,5 до 1,7 мкм, а Rv – з 3,2 до 2 мкм) (див. рис. 1 а-г). При чому найбільш суттєве покращання шорсткості виявляється на задній поверхні інструменту – поверхні, яка перебуває під активним ударним впливом частинок МАІ. На передній поверхні спостерігається незначне покращення шорсткості в наслідок того, що при МАО на використовуємій установці вона знаходиться в умовах переважної тангенціальної взаємодії частинок порошкового МАІ з поверхнею, характерною для умов фрикційного контакту і дії пондеромоторних сил в МАІ [6].

      Відсутність після МАО на поверхні, що оброблюється, явних мікровиступів, які є наслідком формування мікрокраплинок і особливого рельєфу, пов'язана з процесом росту покриття під час іонно-плазмового напилення і повинна позитивно позначатись на етапах припрацьовування різального інструменту. Використання при МАО магнітно-абразивного порошку ПР Р6М5 забезпечує отримання кращого результату по шорсткості (зменшення величини Ra) ніж при використанні МАІ з порошку Феромап. Це пов’язано з тим, що розмір і маса окремих частинок і їх формувань в МАІ з порошку ПР Р6М5 більш ніж у 2 рази більші, а значить і більшою буде кінетична енергія, яка буде передаватися на оброблювану поверхню в результаті мікроударів при МАО.
      Зростання швидкості МАО від 2 до 3,5 м/с сприяє зниженню величини Ra, Rv і особливо Rp і пояснюється тим фактом, що зростання швидкості забезпечує перехід режимів МАО в область, де переважають умови сприятливі для мікрорізання [9]. В особливості для порошків з малими радіусами різальних лез [6, 11].

Рис. 1. Профілограми робочих поверхонь твердосплавних різальних пластин з покриттям на основі TiN: а, в, д – до МАО; б, г, е – після МАО; а, б – передня поверхня; в, г – задня поверхня; д, е – різальна кромка

      Аналіз стану різальних кромок твердосплавних непереточуваних пластин показав, що МАО в умовах кільцевої ванни з вертикальним розташуванням різальних елементів практично не впливає на величину радіуса їх заокруглення, сприяючи деякому його зменшенню, що може бути пояснено перш за все зменшенням шорсткості. Виконаний аналіз мікрогеометрії кромок показав, що після МАО кромки мають практично ідеальну форму без явних мікровиступів і значно нижчою шорсткістю ніж після напилення (рис. 1 д, е).
      Працездатність оброблених пластин досліджували в залежності від умов МАО і часу експлуатації по величині середнього зносу задньої поверхні. Величину площадки зносу вимірювали на інструментальному мікроскопі. Отримані результати наведено на рис. 2. Показано, що в процесі експлуатаційних досліджень припрацювання різального інструменту закінчується в перші 0,5-1 хв. випробувань.
      В подальшому характер зносу задньої поверхні в досліджуваному діапазоні часу випробування – час стаціонарного зносу, має практично лінійний вигляд, який можна апроксимувати прямими, у яких кут нахилу буде показувати швидкість зносу V_зн при експлуатації. Аналогічні результати було отримано при МАО кінцевого різального інструменту з швидкорізальної сталі з покриттями на основі TiN (PVD) [12]. Величина V_зн для МАО за різними режимами наведена в табл. 2.

Рис. 2. Залежність величини зносу на задній поверхні твердосплавних різальних пластин після МАО порошком ПР Р6М5 за різними режимами (режими див. в табл.1)

Таблиця 2. Значення швидкості зносу по задній поверхні твердосплавних пластин з покриттям на основі TiN за різними умовами обробки

      Показано, що найкращі результати при МАО твердосплавних непереточуваних пластин з нітридним іонно-плазмовим покриттям мають місце при часі обробки 3 хвилини, коли для пластичного деформування і наклепування приповерхневої зони передається достатня кількість кінетичної енергії, а саме коли МАІ має достатню жорсткість і відповідно має місце достатня швидкість обробки (більша за 3 м/с). Порівняння зміни швидкості зносу по задній поверхні різальних пластин з величиною шорсткості, що забезпечується після МАО показало, що менша шорсткість відповідає більшому опору зношування, але безпосередня кореляція зазначених параметрів відсутня. Коефіцієнт кореляції між величинами Ra і Vзн менший за 0,5. Таким чином можна стверджувати, що важливий вплив на підвищення стійкості різального твердосплавного інструменту оказує зміна фізико-механічних властивостей поверхневого шару після МАО – підвищення поверхневої мікротвердості [9], зміни розмірів (подрібнення) карбідної складової твердого сплаву під нітридним покриттям [13].

Висновки

      Виконано дослідження впливу МАО твердосплавного різального інструменту з сплаву ТТ10К8-Б з покриттям на основі TiN, напиленим методом PVD, на характер зміни мікрогеометрії поверхні і експлуатаційну стійкість інструменту. Показано, що МАО забезпечує формування шорсткості поверхні інструменту з Ra?0,4 мкм і підвищення стійкості не менш ніж у 1,5 рази. Суттєву роль при цьому мають характеристики МАІ і в особливості розмір, форма частинок магнітно-абразивних порошків і величина їх різальних лез.

Список литературы

1. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение, 1993. – 336 с.
2. Лошак М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. – Киев: Наукова думка, 1984. – 328 с.
3. Оликер В.Е. Порошки для магнитно-абразивной обработки и износостойких покрытий. - М.: Металлургия, 1990. – 176с.
4. Кобчиков В.С. Технология магнитно-абразивного полирования изделий из твердых сплавов. Автореф. ... канд.техн.наук. Л.:ЛПИ, 1983. – 16с.
5. Проволоцкий А.Е. Струйно-абразивная обработка деталей машин. – К.: Тэхника, 1989. – 177 с.
6. Майборода В.С. Основи створення i використання порошкового магнiтно-абразивного iнструменту для фінішної обробки фасонних поверхонь. Дисс. … докт.техн.наук. – Киiв, 2001. – 404 с.
7. Майборода В.С., Ульяненко Н.В. Дослідження мікропрофілю робочих поверхонь твердосплавного інструмета зі спеціальними покриттями // Вісник ЖДТУ. – 2003. - №2 (26). – Т.1. – С. 105-113.
8. Майборода В.С., Ульяненко Н.В. Кинетика формирования микропрофиля поверхности твердосплавного режущего инструмента при магнитно-абразивой обработке // Вісник Сумського державного університету (Технічні науки). – 2003. – №2 (48). – С. 104-111.
9. Майборода В.С., Ульяненко Н.В., Дюбнер Л.Г., Івановський О.А. Застосування магнітно-абразивної обробки для зміцнення різального інструменту // Вісник ЖДТУ. – 2003. - №3 (27). – С. 95-103.
10. Гейчук В.Н., Майборода В.С., Ульяненко Н.В. Магнитно-абразивная обработка неперетачиваемых твердосплавных пластин //Вестник национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт». Машиностроение. – 2002. – Вып.44. – С. 118-121.
11. Барон Ю.М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изделий и режущего инструмента. – Л.:Машиностроение, 1986. – 176с.
12. Майборода В.С., Бобіна М.М., Ульяненко Н.В. Магнітно-абразивна обробка осьового і кінцевого різального інструменту. 4. Використання магнітно-абразивної обробки, як попередньої операції перед дифузійним насиченням поверхневого шару під час хіміко-термічної обробки// Наукові вісті НТУУ ”КПІ”.-№6-2001.-С.94-99.
13. Бобіна М.М., Майборода В.С., Ульяненко Н.В. Магнітно- абразивна обробка багатограних непереточуваних твердосплавних пластин// Металознавство та обробка металів. – 2002. - №3. – С. 72-75.