Были осуществлены сравнительные испытания с целью определения оптимальной геометрии сменных твердосплавных пластин на примере пластин, произведенных фирмой Boehlerit (Австрия). В ходе данного исследования была выявлена наилучшая геометрия этих пластин для обработки круглого проката с диаметрами от 23 до 27 мм, изготовленного из конструкционных и пружинных марок стали методом бесцентрово-токарной обработки.

 

 

Введение

 

 

Производители в разных странах уделяют особое внимание снижению затрат в производстве, стремясь сохранить свою конкурентоспособность и высокие позиции на рынке. Сегодня в сфере машиностроения обработка металлов резанием занимает выдающееся место в металлообработке. Для этой цели используются разнообразные методы, такие как точение, сверление, фрезерование, строгание, зубонарезание, протягивание и многие другие, применяемые с использованием инструментов различных конструкций и геометрических параметров.

 

 

Однако стоимость режущего инструмента в Европе, согласно оценкам независимых специалистов в области металлообработки, составляет всего 4% от общей стоимости конечной продукции, в то время как в России этот показатель может достигать 7–10% [1–3]. Один из ключевых факторов для снижения себестоимости изделия заключается в увеличении производительности.

 

 

Одной из важных проблем, возникающих при процессе точения с использованием твердосплавных инструментов, является быстрый износ оборудования, особенно режущих пластин. Спецификации сплава и покрытия твердосплавных инструментов имеют непосредственное влияние на их стойкость. В современных режущих пластинах многослойные покрытия применяются для повышения производительности. Эти многослойные покрытия могут быть нанесены различными методами. Например, при производстве твердых сплавов (WC‑Co) наиболее распространенным методом нанесения является химическое осаждение паровых веществ (CVD). При этом методе обычно наносятся следующие покрытия:
— карбид титана (TiC), который повышает стойкость твердосплавных инструментов и предотвращает сколы на режущей поверхности;
— нитрид титана (TiN), предотвращающий прилипание заусенцев и обрабатываемого материала к режущей кромке и улучшающий качество готовой поверхности;
— оксид алюминия (Al₂O₃), который действует как отличный изолятор, способствуя работе инструмента при более высоких температурах и предотвращая перегрев.

 

 

Для повышения стойкости твердосплавных пластин критически важно использование многослойных покрытий, что позволяет достичь оптимальной адгезии слоев и гладкой поверхности, обеспечивающей лучшую эффективность обработки стружки. На рис. 1 показано многослойное покрытие для операций резания, разработанное одним из ведущих предприятий в мире по изготовлению твердосплавного режущего инструмента для тяжелой металлообработки [4].

 

Рис. 1. Многослойный материал CVD: 
1 — Al₂O₃; 2 — TiCN/TiN; 3 — α-­Al₂O₃; 4 — Nanolock-­TiCN; 5 — MT-TiCN; 6 — TiN; 7 — Градиент твердого сплава с высоким содержанием кобальта и низким содержанием металлокарбида

 

Поэтому важной целью исследований по увеличению стойкости и оптимизации геометрии твердосплавных пластин является повышение производительности металлообработки, что позволит использовать высококачественный и долговечный инструмент, что, в свою очередь, позволит сократить время, требуемое на настройку оборудования и предотвратить простои дорогостоящего оборудования.

 

 

Материалы и методы исследования

 

 

В качестве рабочего материала в испытаниях использовались легированные конструкционная и подшипниковая стали (ШХ15СГ-В, АЦ40Х и 30ХГСА) в форме круглого горячекатаного проката с диаметрами от 23 до 27 мм и длиной от 3000 до 6000 мм. Твердость обрабатываемых прутков составляла 179–240 HB (в зависимости от марки стали). Оборудование, на котором проводились испытания, представляло собой станок бесцентрового точения WDH‑75 фирмы Kieserling с диапазоном обработки прутков диаметром от 12.5 до 80 мм. В качестве базового инструмента на ПАО «Ижсталь» были использованы режущие твердосплавные пластины геометрии LNGF (рис. 2).

 

Рис. 2. Геометрия базовой пластины LNGF

Рис. 3.  Геометрия пластины JNGF (Boehlerit)

 

 

В качестве опытного инструмента использовались многослойные (TiN/MT-TiCN/Al₂O₃/TiN) твердосплавные пластины JNGF‑2008-BF-M20 (рис. 3) фирмы Boehlerit с геометрией согласно системе обозначений для сменных пластин для обточки прутка (по стандарту Boehlerit).

 

Из-за различий в геометрии базового и альтернативного инструмента последние были установлены на специальные кассеты, предназначенные для их размещения, как показано на рис. 4 [5]. Подробные размеры пластин приведены в таблице 1.

 

Рис. 4. Кассета BM44373 (Boehlerit)
 

 

Были установлены критерии для принятия решения о необходимости остановки оборудования с целью поворота или замены многогранных режущих пластин. Эти критерии включали в себя увеличение нагрузки на режущую головку станка и неприемлемую шероховатость, не соответствующую установленным на предприятии стандартам.

 

 

Результаты исследований и их обсуждение

 

 

В ходе проведения испытаний помимо идентичности достигнутых качественных характеристик готовых прутков (квалитет, шероховатость, отсутствие механических дефектов поверхности) был выделен дополнительный показатель при сравнении сменных твердосплавных пластин — стойкость. Стойкость режущей пластины определяется способностью инструмента сохранять свои начальные геометрические и физические характеристики в течение определенного временного интервала. Этот временной интервал, называемый периодом стойкости, представляет собой промежуток времени между двумя заменами режущей кромки [6, 7]. Результаты проведенных испытаний представлены на рис. 5 и 6. Режимы обточки проката, как с базовыми, так и альтернативными инструментами, были одинаково настроены для обработки одной и той же группы материалов, как указано в таблице 2.

 

Рис. 5. Диаграмма сравнительного анализа обточки прутков различных марок сталей с использованием различных режущих инструментов

 

Рис. 6. Диаграмма сравнительного анализа стойкости одной грани режущих пластин различных типов
 

 

Стойкость одной грани режущей пластины при обработке конструкционных и подшипниковых марок сталей показана в таблице 3.

 

 

Выводы

 

В ходе проведенных исследований была проведена оценка стойкости различных твердосплавных пластин, включая базовый инструмент и альтернативные пластины с измененной геометрией.
Результаты испытаний свидетельствуют о том, что твердосплавные пластины с геометрией JNGF‑2008-BF-M20, изготовленные из сплава LC218E фирмы Boehlerit, проявили себя наилучшим образом при обработке легированных конструкционных и подшипниковых сталей (ШХ15СГ-В, АЦ40Х и 30ХГСА).
Стойкость внедряемых пластин оказалась на 19% выше, чем у базовых, что говорит о более высокой производительности при обработке данной группы сталей.
Дальнейшие исследования и практическое внедрение альтернативных твердосплавных пластин считается перспективным направлением для повышения эффективности металлообработки и снижения общих производственных затрат.

 

 

Литература

1. Антипова О. И. Управление качеством процессов изготовления режущего инструмента на основе интеграции принципов бережливого производства в действующие системы качества [Электронный ресурс]: дис... канд. техн. наук: 05.02.23: защищена 21.11.2008 / Антипова Ольга Игоревна; Тольяттин. гос. ун-т. — Тольятти, 2008. (дата обращения 24.07.2024)
2. Mordor Intelligence. Рынок инструментов из быстрорежущей стали [Электронный ресурс] / Mordor Intelligence. — Режим доступа: https://www.mordorintelligence.com/ru/industry-­reports/high-speed-­steel-cutting-­tools-market (дата обращения: 24.07.2024).
3. Технология обработки металлов. Выбор оборудования, приспособлений, режущего и мерительного инструмента [Электронный ресурс] / Технология обработки металлов. — Режим доступа: https://tehnologija-­obrabotki-metallov.ru/vybor-­oborudovanija-prisposoblenij-­rezhushhego-i-meritelnogo-­instrumenta.html (дата обращения: 24.07.2024).
4. Haubner R. et al. Novel high-performance CVD coatings for machining applications // Powder Metallurgy Progress.  2018.  Т. 18.  № . 2.  С. 128–138. DOI: http://dx.doi.org/10.1515/pmp‑2018‑0015
5. Drehschälen ist Schwerzerspanung. [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.boehlerit.com/fileadmin/user_upload/PDF/Drehschaelen_Bar_pee... (дата обращения: 24.07.2024).
6. Расчет режимов резания. Учебное пособие / Безъязычный В. Ф., Аверьянов И. Н., Курдюков А. — Рыбинск: РГАТА, 2009. 185 с.
7. Расчет режимов резания: учеб. пособие / А. А. Козлов, А. М. Козлов — Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2017. 95 с.

 

Авторы: М.П. Куприков^1,3*, 
Н.В. Коробка², 
В.С. Юсупов^3
1 ООО «ИНТЕХНОМЕТ», Москва
² ПАО «Ижсталь», Ижевск
³ Институт металлургии и материаловедения им. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН), Москва
*E-mail: kuprikov_m@intechnomet.ru

 

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 5-2024