Твердосплавных рез­цов и фрез

Особое значение приобретает отделочно–упрочняющая обра­ботка перед нанесением износостойких покрытий. При оптимизации технологических параметров их совместное применение обеспечи­вает эффект, больший суммы частных эффектов.

Это обусловлено благоприятным микропрофилем и физическим состоянием подложки, снижением разупрочняющего влияния процессов нанесения покры­тия, что предотвращает отслаивание покрытия и кромки за счет ее округления и удаления дефектных слоев и оксидных пленок.

Устранение приработки и отдаление катастрофического износа обеспечивает стабильность покрытия на протяжении периода стой­кости.

Применение твердых сплавов с износостойкими покрытиями без предварительной обработки (очистки) эффективно лишь при чистовом точении сталей с подачей не более 0,2–0,3 мм/об.

Виброабразивная обработка перед нанесением покрытия обеспечивает дополнительное повышение периода стойкости в 1,5–2,5 раза, увеличение стабильности режущих свойств, расши­рение области эффективного применения тяжелонагруженного инс­трумента.

Предварительная упрочняющая обработка твердосплавного инструмента, в том числе и в сочетании с покрытиями перед нанесением покрытия, широко применяется в мировой практике производства инструмента.

Химико–термическая обработка (ХТО). ХТО называют процессы, сочетающие в себе термическое и химическое воздействие на рабочие поверхности инструмента, с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя инструментального материала.

Состав, строение и физико–механические свойства диффузионного слоя инструментального материала зависят от состава насыщающей среды, темпера­туры и продолжительности процесса ХТО.

Наилучшей средой с точ­ки зрения активности насыщающего элемента является газовая среда и, в частности, азот (аэотирование), углеродосодержащие газы (цементация) или их смеси (карбонитрация, нитроцементация), а также бор (борирование).

ХТО (низко- или высокотемпературная) в газовой среде может привести к браку инструмента из-за чрезмерных линейных дефор­маций. Этого недостатка лишены методы ХТО в плазме электри­ческого (тлеющего) газового разряда, в частности метод ионно­го азотирования. Сущность процесса ионного азотирования заклю­чается в обработке инструмента потоком ионов азота, в резуль­тате которой азот диффундирует на глубину от 100 до 1000 атом­ных слоев, образуя твердые растворы нитридов (a–, g ¢–, e–фазы).

Работоспособность инструмента после ХТО заметно улучша­ется. Так, стойкость инструмента из быстрорежущих сталей Р18, Р6М5, Р9К5 (сверла, фрезы, долбяки) повышается в 1,5–2 раза.

Физическое упрочнение. Среди мето­дов физического упрочнения режущего инструмента наибольшее распространение получили обработка лазером и ионная импланта­ция.

Лазерное упрочнение. Сущность лазерного упрочнения состоит в мощном импульсном (или непрерывном) воздействии светового пучка чрезвычайно большой плотности энергии, что вызывает локальный (мгновенный) нагрев поверхности до высоких температур, превышающих не толь­ко температуры структурно-фазовых превращений металла, но и температуру плавления. С учетом чрезвычайно высоких скоростей охлаждения, которые в 10 – 100 раз превышают скорости охлажде­ния при закалке инструмента, в поверхности инструментального материала формируются особомелкозернистая или даже псевдоа­морфная структура, имеющая повышенную (на 20–30%) твердость.

Инструмент с лазерным упрочнением применяется на заводах «Форд» (США), «Фиат» (Италия) и в СНГ, причем стойкость такого инструмента в 1,5–2 раза выше стойкости обычного.

Ионная имплантация. Сущность метода ионной имплантации (легирования) режущего инструмента с целью повышения его работоспособности состоит в бомбардировке поверхности инструментального материала ионами, имеющими энергию около 5–40 кВт, в результате которой происхо­дит внедрение ионов и атомов легирующего элемента.

Эффект уп­рочнения достигается как за счет роста плотности дефектов кристаллического строения инструментального материала, закреп­ления этих дефектов атомами легирующих элементов, так и за счет формирования дополнительного количества мелкодисперсных карбидных, нитридных и интерметаллических структур. Следует отметить, что технология ионной имплантации с целью формирова­ния прогнозируемых свойств поверхностного слоя инструменталь­ного материала является наиболее перспективной с точки зрения создания композиционных материалов с оптимальным набором по­верхностных свойств.

Во второй половине 70-х годов в СССР были разработаны метод, оборудование и технология ионной имплантации (модифика­ции) рабочих поверхностей инструмента [79, 80].

Ионная имплан­тация позволяет увеличить стойкость инструмента в 1,5–4 раза без увеличения радиуса округления режущих кромок, что чрезвы­чайно важно для чистовых операций обработки резанием.

Некоторые результаты стойкостных испытаний имплантированных инструментов, выполненных авторами [80], представлены на рис. 12.2, из которого следует, что имплантация дает эффект при резании материалов, существенно различающихся по своим свойствам, в том числе и труднообрабатываемых.

Рис. 12.2. Стойкостные зависимости инструментов, упроч­ненных методом ионной имплантации (в скобках указаны имплантируемые элементы) [63, 64]:

- - - – исходный инструмент; — – инструмент после имплантации;

1 – фрезерование 12Х18Н10Т – Р6М5 (MoS₂, TiB₂, N₂); 2 – точение ЭИ698 – ВК8 (TiB₂, Ar); 3 – фрезерование ВТ22–BK6–0M (TiB₂, Ar); 4 – точение ВТ22–ВК8 (Zr, Mo, N₂); 5 – точение ШХ15СГ – Т5К10 (С); 6 – точение Ст45 – ТН20 (TiB₂, N₂)

Технико–эконо­мическая оценка этого эффекта в зависимости от режима обработ­ки показала, что имплантация наиболее целесообразна при чисто­вых режимах.

Исследования модифицированного поверхностного слоя имплантированного инструмента, выполненные с использованием сов­ременных физических методов [79, 80], свидетельствуют о нали­чии в нем изменений на макро-, микро- и субмикроуровнях. Наи­более глубоко (до 0,5 мм) проникают радиационные повреждения, сопровождающиеся увеличением плотности дислокации и, как следствие, повышением микротвердости.

В более тонком слое наб­людаются переориентация блоков мозаики в зернах карбидов и из­менение параметра кристаллической решетки в кобальтовой фазе твердого сплава, свидетельствующее о дополнительном растворе­нии в ней вольфрама. В этом слое также зафиксировано наличие атомов азота, используемого при имплантации в качестве рабочего газа.

Наконец, в тончайшем слое (0,2–0,3 мкм), непосредс­твенно прилегающем к поверхности, обнаружены молекулы высокоп­рочных теплостойких соединений имплантированных атомов и ато­мов основы типа нитридов, боридов и др. (в зависимости от сос­тава ионного пучка). Рентгеноструктурные исследования показали также, что в микрообъемах твердого сплава формируются остаточ­ные напряжения сжатия, препятствующие зарождению микротрещин.

Анализ кривых зависимости износа от времени для импланти­рованных и неимплантированных инструментов показывает, что эф­фект имплантации проявляется как на участке начального, так и на участке нормального износа, причем величина начального из­носа намного превышает толщину тонкого легированного слоя, ко­торой она должна бы определяться.

С целью выяснения этого фак­та было проведено специальное исследование [79] с применением Оже–спектрометрии.

На различных участках лунки износа по пе­редней поверхности имплантированного резца, соответствующих разным моментам времени изнашивания, была определена концент­рация имплантированных атомов циркония и молибдена. Оказалось, что по мере изнашивания пик концентрации внедренных атомов смещается вглубь, благодаря чему имплантированная примесь сох­раняется в поверхностном слое в течение примерно всего периода начального износа. Обнаруженный эффект объясняется термически стимулированной диффузией вглубь от поверхности, обусловленной высокими температурами и температурными градиентами в контакт­ном слое инструмента. Этот результат хорошо увязывается с воз­растанием эффекта имплантации с повышением температуры реза­ния, наблюдаемого на рис. 12.2.

Упрочнение за счет приработки инструмента. Изменениесвойств инструментального материала опреде­ляется условиями нагружения при упрочнении: степенью и ско­ростью деформации, интенсифицирующими процессы упрочнения, и температурой, стимулирующей процессы разупрочнения [116]. Ф.Я. Якубовым было ус­тановлено, что при резании уровень скрытой поверхностной энер­гии достигает 0,5–3,0% и этой энергии достаточно для прояв­ления эффектов упрочнения.

С учетом того, что процесс резания оказывает сложное энергетическое воздействие на контактные площадки режущего инструмента, энергозатраты на пластическую деформацию (упроч­нение) и выделенной при этом теплоты (разупрочнение) аккумулируются в виде дефектов кристаллического строения, в том чис­ле и линейных дефектов (дислокации). Если создать условия ре­зания, при которых будет превалировать деформационное упрочне­ние, то процесс резания может быть рассмотрен как процесс де­формационного упрочнения контактных площадок инструмента, при­водящих к повышению их износостойкости.

Рис. 12.3. Влияние предварительной приработки на стойкость резца из Р9К5, заточенного различными кругами (а) и при различных скоростях шлифования (б):

1 – без приработки; 2 – с приработкой. Обрабатываемый материал 12Х18Н10Т; v = 10 м/мин, v = 29 м/мин, S = 0,2 мм/об, t = 0,5 мм

В работе [116] показана возможность термодеформа­ционного упрочнения режущего инструмента путем приработки (при определенных режимах резания), которая является естественным процессом термомеханического воздействия на контактный объем инструментального материала, в результате которого формируется структура, максимально приспособленная к заданным режимам ра­боты.

Уста­новлено превалирующее влияние процесса приработки инструмента на формирование износостойкого слоя контактных площадок инс­трумента из быстрорежущей стали (термодеформационное упрочне­ние) по сравнению с такими параметрами, как гео­метрия поверхности (шероховатость) и ее дефекты (дефектный слой, прижоги), которые формируются при заточке инструмента.

Таким образом, метод повышения эффективности инструмента путем использования приработки на менее жестких режимах резания является простым технологическим методом, который может быть использован в промыш­ленности.

Date: 2015-07-17; view: 634; Нарушение авторских прав