Поверхностное упрочнение режущего инструмента

Г л а в а 12. ПОВЫШЕНИЕ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Поверхностное упрочнение режущего инструмента

В этой главе в основном рассмотрены методы направленного по­верхностного и объемного воздействия на структуры инструмен­тального материала с целью создания композиционного материала, у которого бы оптимально сочетались поверхностные (твердость, теплостойкость, трещиностойкость и т.д.) и «объемные» свойства (ударная вязкость, прочность при изгибе, сжатии и т.д.). Такой материал по своим свойствам приближается к гипотетическому идеальному инструментальному материалу (см. рис. 11.1).

Рис. 12.1. Классификация методов поверхностного упрочне­ния инструментальных материалов по энергетическим затратам и временному фактору:

1 – методы механического упрочнения (по­верхностное пластическое деформирование ППД); 2 – химико-термическая обработка (ХТО); 3 – физико-химическое упрочнение; 4 – физическое упрочнение

Анализ методов поверхностного упрочнения инструментальных материалов позволяет классифицировать их на четыре основные группы (рис. 12.1).

Первая группа включает методы механического упрочнения вибрационное, дробеструйное, взрывом и др. Эту группу характе­ризует минимальная плотность энергетического воздействия (до 10⁴ Вт/см²), при времени воздействия (10^-8 – 10^-6 с) и уровне удельной энергии до 10⁶ Дж/см.

Ко второй группе отнесены мето­ды химико-термической обработки (ХТО) – азотирование, цемента­ция, карбонитрация, оксидирование, борирование в газовых, жид­ких средах, тлеющем газовом электрическом разряде. Для этой группы методов характерно среднее значение плотности энергии (10⁵–10⁷ Вт/см²), увеличено время воздействия при уровне удельной энергии (10³–10⁵ Дж/см²).

Для третьей группы методов (электроискровое, магнитное, ультразвуковое упрочнение) харак­терен высокий уровень удельной энергии воздействия (до 10⁶ Дж/см²), плотность энергии (до 10⁶ Дж/см²) и среднее время воз­действия. К четвертой группе отнесены методы физического упрочнения – лазерная обработка, ионная имплантация, которые характеризуются максимальной плотностью энергии (до 10 Вт/см²) при достаточно высоком уровне удельной энергии (10⁶ – 10⁸ Дж/см²).

В настоящее время выполнен значительный объем исследований, посвященных разработке методов поверхност­ного и объемного упрочнения инструментальных материалов с целью улучшения их свойств [8, 9, 10, 11, 13, 15, 17, 30, 32, 38, 57, 58, 75, 79, 80, 97, 110–112].

Механическое упрочнение. Достаточно большое распространение получили методы механического упрочне­ния за счет поверхностно-пластического деформирования (ППД) рабочих поверхностей инструмента. В частности, достаточно ши­роко используют ППД инструмента из быстрорежущей стали [71, 76], твердого сплава [72, 110, 111], все большее применение находят методы поверхностного упрочнения инструмента из БВТС и режу­щей керамики [17, 64]. Высокая экономическая эффективность методов поверхностного упрочнения (ПУ) обусловлена их сравнительной технологической простотой и достаточной дешевизной оборудова­ния для реализации ПУ.

Методы отделочно–упрочняющей обработки обеспечивают за­чистку (удаление дефектного поверхностного слоя), отделку (улучшение микрорельефа поверхностей и кромок) и упрочнение материала (повышение физико-механических свойств). Обычно мож­но выделить доминирующий эффект, разделив методы на преиму­щественно отделочные и преимущественно упрочняющие.

Введение отделочно–упрочняющих операций, хотя и связано с дополнительными затратами, позволяет более гибко управлять фи­зико-механическими и микрогеометрическими параметрами инстру­мента, эффективно повышая его качество. Вместе с тем, многие формообразующие операции также упрочняют инструментальный ма­териал, например гидроэкструзия и эльборовая заточка быстро­режущей стали, горячее изостатическое прессование и алмазное шлифование твердого сплава [76].

Установлены также упрочняющие эффекты термомеханического нагружения контактных площадок инструмента при его эксплуата­ции на менее нагруженных по сравнению с рабочими режимами ре­зания. Такое упрочнение инструмента обычно называют трениров­кой [116].

Методы объемного упрочнения (динамические [84] и стати­ческие [64, 75]) обычно требуют сложного оборудования и имеют длительный цикл обработки, что отчасти компенсируется возмож­ностью многократного перетачивания инструмента с сохранением эффек­тов упрочнения.

Перспективными следует считать методы импульсного воздействия на материал. В частности, это относится к упрочнению инстру­ментальных материалов энергией взрыва при импульсном приложе­нии нагрузки. При импульсном приложении нагрузки эффекты упрочнения сильно зависят от скорости приложения силы, которая влияет на температуру и фазовые превращения при одновременном поверхностном двойниковании, сдвигах, фрагментации и т.д. [11].

К методам поверхностного упрочнения могут быть отнесены отделочные операции, обеспечивающие удаление тонких поверх­ностных слоев инструментального материала, относительно неглу­бокое пластическое деформирование, а также методы ППД, при ко­торых удаляется небольшой поверхностный слой и одновременно формируется достаточно глубокий поверхностный слой с сильным механическим упрочнением.

Для упрочнения твердосплавного инструмента с целью увели­чения его режущих свойств предложены методы [72, 110, 127], которые обеспечивают близкие параметры качества по­верхности, имеют сходный механизм формирования поверхностного слоя и повышения режущих свойств инструмента.

Методы виброабразивной обработки основаны на нанесении большого числа микроударов частицами наполнителя по рабочим поверхностям инструмента, свободно загруженного в вибрирующий контейнер. Разработанная технология отличает­ся преобладанием ударного микровоздействия и интенсивным пере­мещением инструмента и наполнителя, что обеспечивает заданное изменение формы и микрорельефа лезвия, повышенный наклеп и от­сутствие макроразрушений.

Для упрочнения твердого сплава по­верхностным деформированием также существует ряд методов. Наибольшей технологичностью обладают методы, обеспечивающие формирование упрочненного слоя стабильной толщины при отсутствии макроразрушений.

В работах [110, 111] предложена дробеструйная обработка твердосплавного инструмента с направлением струи дроби непос­редственно на режущий клин инструмента. Максимальный эффект от дробеструйной обработки твердосплавного инструмента достигает­ся при использовании оптимальных размеров шариков дроби и оп­тимальных режимов обработки [111].

Повышение качества инструмента при механическом упрочне­нии обеспечивается за счет геометрических (округление кромок, округление вершин, шероховатость кромок, высота микронеров­ностей поверхностей, анизотропия и форма микрорельефа) и физи­ческих факторов (удаление тонких дефектных поверхностных сло­ев, повышение плотности дислокации и вакансий, создание мел­коблочной структуры, релаксация напряжений, возникновение сжи­мающих остаточных напряжений, аллотропические превращения, дисперсионное твердение). При этом увеличивается запасенная энергия поверхностного слоя, сглаживаются или «залечиваются» технологические концентраторы напряжений.

Определяющим фактором эффективности упрочнения является механизм отказов инструмента. При внутриконтактном разрушении (выкрашивании) твердосплавного инструмента эффект определяется повышением прочности лезвия за счет его округления, а при законтактном разрушении (поломке) – остаточными напряжениями сжатия и сужением зоны рабочих растягивающих напряжений за счет поворота силы резания. В целом, за счет скругления режущих кромок, увеличения радиуса при вершине, уменьшения шероховатости контактных поверхностей и растягивающих остаточных напряжений разрушающая подача растет до 4 раз.

Установлено [110], что при хрупком разрушении упрочнение эффективно, а при абразивном и диффузионном – нецелесообразно в связи с незначительным повышением твердости и ростом диффу­зионной активности наклепанного слоя. Упрочнение тяжело нагру­женного инструмента уменьшает зону приработки и повышает критическую величину износа, при котором начинается катастро­фическое изнашивание инструмента, за счет чего период стойкос­ти увеличивается до 2,5 раз.

При упрочнении инструмента повышается его надежность. Так, в работе установлено [111], что прочность и износостой­кость упрочненного инструмента сильнее повышаются в начале и в конце периода стойкости, за счет чего разброс режущих свойств за период стойкости иих рассеивание снижаются. Эффектив­ность упрочнения неперетачиваемого инструмента не зависит от номера периода стойкости, перетачиваемого – несколько снижает­ся по мере перетачивания инструмента вследствие наложения пластических деформаций от упрочнения и резания.

Обычно для получистовых и черновых резцов и фрез опти­мальные режимы упрочнения обеспечивают рост периода стойкости в 1,3–1,8 раза, числа периодов стойкости (переточек) в 1,6–2 раза, полного периода стойкости – в 2–2,5 раза, или повышение производительности за счет увеличения подачи в 1,2 раза.

При выборе метода упрочнения учитывают прежде всего механизмы отказов инструмента. Значительная доля выкрашиваний, высокая ин­тенсивность изнашивания в начале работы свидетельствуют о наличии дефектов изготовления, при этом рекомендуется виброабразивная обработка.

Высокая вероятность поломки, увеличение интенсив­ности разрушений к концу периода стойкости свидетельствуют об усталостных явлениях, здесь целесообразна дробеструйная обра­ботка.

Если доля разрушений незначительная (чистовой инстру­мент) или интенсивность изнашивания невысока (разрушения в связи с дефектом заготовок), упрочнение нецелесообразно.

Исследова­ния надежности упрочненного инструмента при обработке сталей, авиационных сплавов, высокопрочного чугуна позволили указать области применения алмазного шлифова­ния (АШ), алмазного округления (АО), виброабразивной обработки (ВО), дробеструйной обработки (ДО), износостойких покрытий (ИП) (табл. 12.1).

Таблица 12.1