РІЗАННЯ ЛЕЗОВИМ ІНСТРУМЕНТОМ ІЗ НАДТВЕРДИХ НІТРИДІВ БОРУ
Вступ
Останнімчасом широкого застосування набули інструменти, оснащені синтетичниминадтвердими матеріалами. Основою для їх синтезу є нітрид бору. Найбільшпоширені: Ельбор-Р (композит 01), Гексаніт-Р (композит 10), Белбор (композт02), композит 09 (ПТНБ)… Вони дещо поступаються алмазу за твердістю, однак характеризуютьсявисокою термостійкістю, (до 1500° С), високим опором термічним ударам тациклічним навантаженням, а також слабкою хімічною взаємодією з залізом.
Найбільшефективне застосування лезового інструмента з нітриду бору при обробцізагартованих сталей, чавунів різноманітної твердості, наплавлених матеріалів,важкооброблюваних високолегованих сталей та сплавів.
Процесрізання лезовим інструментом на основі надтвердих модифікацій нітриду боруістотно відрізняється від процесу різання алмазним інструментом, щовизначається його особливими фізико-механічними властивостями.
1.Контактні процеси
Основноювідмінністю контактних процесів при взаємодії алмазного та нітридборного інструментівз оброблюваним матеріалом є характер тертя. Якщо тертя алмазу по більшостіоброблюваних матеріалів підпорядковується законам зовнішнього тертя, то длянітридборного інструмента — законам внутрішнього тертя, тому що на його поверхні утворюєтьсяплівка оброблюваного металу, яка міцно утримується.
Рістшвидкості сильно зменшує розмір коефіцієнта тертя нітриду бору з металами, томущо з ростом швидкості підвищується температура на поверхні тертя, зменшується адгезійнавзаємодія, знижується міцність зв'язку метал-метал. (температура в контактіможе досягати 1000 °С)
Так,при терті алмазу з латунню (зовнішнє тертя) вплив швидкості практичновідсутній, у той час як при терті нітриду бору з латунню (внутрішнє тертя)швидкість впливає на коефіцієнт тертя (рис. 1).
/>
Рис.1.
2.Особливості стружкоутворення
Дляобробки нітридборними матеріалами характерний менший ступінь деформаціїзрізуваного шару. Вплив швидкості різання на рис. 2.
/>
Рис.2.
Єтри характерних діапазони впливу швидкості різання на усадку стружки: до межіпершого і другого діапазонів (v12) коефіцієнт стовщення стружки росте, до межі другого і третього (v23) із зростанням швидкості — крутопадає, а в третьому діапазоні, при великих швидкостях різання — убуває монотонно.Його падіння при v>vІ2 пояснюється зміною коефіцієнтатертя між стружкою і передньою поверхнею із зростанням температури.
Значнуроль у зміні коефіцієнта стовщення стружки відіграє налипання. Так, іззростанням швидкості різання до v23 збільшується до максимальних значень дійсний передній кут інструмента,ступінь деформації зрізуваного шару зменшується, коефіцієнт стовщення стружкидосягає мінімуму. При v > v23 налипання зникає і швидкістьрізання впливає на коефіцієнт стовщення стружки через тепловий чинник.
3.Сили різання
/>
Рис.3.
Різаннязагартованих сталей лезовим інструментом із нітриду бору супроводжується більшнизьким рівнем сил різання порівняно з обробкою традиційним інструментом. Якправило, через малі товщини зрізу важливу роль відіграють сили на задній поверхніінструмента, їхрозмір може перевищувати сили на передній поверхні, які визначаютьстружкоутворення. На рис. 3 наведені залежності складових сили різання відшвидкості при точінні загартованих сталей різцями з нітриду бору. Всі трискладові сили Рх, Ру, Рz змінюютьсяза одним законом. Із збільшенням швидкості різання вони швидко ростуть, сягаючимаксимуму, і далі знижуються, спочатку більш інтенсивно. Із зростаннямшвидкості різання інтенсивність зменшення сил різання знижується. Цепояснюється контактними процесами в зоні різання. У районі низьких значеньзростання швидкості збільшує температуру різання і, отже, адгезійну взаємодіюоброблюваного матеріалу з інструментом. При цьому коефіцієнт тертя в контактіросте, росте і сила різання. Подальше зростання швидкості різання продовжуєзбільшувати температуру в контакті інструмент — оброблюваний матеріал дозначень, при яких падає міцність адгезійних зв'язків через пом'якшення металу.Коефіцієнт тертя при цьому знижується і, отже, знижуються сили різання. Такимчином, зниження сил викликається розігрівом зони різання до 1000-1100° С. При цьомурадіальна складова Ру_ практично завжди більше головної складової –тангенціальної Рz, тобтотрадиційне співвідношення між складовими сили різання порушується. Цепояснюється великими силами, що діють з боку задньої поверхні.
Спостерігаєтьсявеликий вплив зносу інструмента, Із збільшенням якого сили різання ростуть,особливо радіальна складова Ру. Її переважання над іншими складовимизбільшується. Це відбувається тому, що інструмент із нітриду бору зношується в основномупо задній поверхні, що збільшує сили з боку задньої поверхні.
4.Теплові явища
Вивченнятеплових явищ при різанні загартованих сталей різцями з нітриду борупредставляє певні складнощі, пов'язані з неможливістю використовувати методприродної термопари через низьку електропровідність інструмента. Використовуючиметод штучної термопари з іншими методами, наприклад, методом термоіндикаторів,можна достатньо вірогідно визначити температурне поле в інструменті, деталі,стружці (рис. 5.7).
Якпоказують дослідження, температура в зоні різання досягає 1000-1100 ° що значновище, ніж при традиційній лезовій обробці. На рис. 4 наведені залежностітемператури різання від швидкості.
Зпідвищенням швидкості внаслідок збільшення роботи різання і кількості тепла, щовиділяється, росте температура, але її зростання відстає від росту швидкостірізання. Це відставання посилюється в зоні високих швидкостей. На кривій можнавиділити три характерні інтервали.
/>
Рис.4
Упершому — при низьких швидкостях різання утворюється стружка сколювання,довжина контакту якої з передньою поверхнею невелика. Але на задній поверхні іззростанням коефіцієнта тертя температура інтенсивно збільшується. В другомудіапазоні швидкостей різання оброблюваний матеріал розм'якшується, коефіцієнттертя знижується, інтенсивність зростання температури зменшується. При великихшвидкостях різання утворюється зливна стружка, інтенсивність зростаннятемператури незначна, що пояснюється зменшенням коефіцієнта тертя, силирізання, зниженням пластичної деформації стружки і різкого збільшеннятепловідведення в навколишнє середовище.
5.Зносостійкість інструмента
Інтенсивністьзносу різців із ПНТМ визначається, насамперед, швидкістю різання: при малихшвидкостях унаслідок динамічної нестійкості процесу різання інтенсивнозношується задня поверхня; при оптимальних швидкостях різання знос знижується,тому що наявність загальмованого прошарку на передній поверхні зменшує його;при високих швидкостях різання інтенсивність зносу різко зростає, тому що нарізці відсутній захисний прошарок металу, що визначає характер контактноївзаємодії різця з заготовкою, а високі температури викликають фазовіперетворення і зниження міцнісних характеристик ПНТМ.
Яккритерій відносної стійкості різців із нітриду бору була обрана довжина шляхурізання 1, що дорівнює І — ТV; де Т- стійкістьінструмента в хв, V— швидкість різання, м/хв.
Характернагорбоподібна залежність наведена на рис. 5.
Оптимальнішвидкості різання знаходяться в порівняно вузькому діапазоні значень. Принизьких швидкостях температура в зоні різання відносно невисока, а рівенькоефіцієнта тертя й усадки стружки значно більший. Сили різання великі танестабільні, тому що мають місце коливання через динамічну неврівноваженістьпроцесу. Все це робить процес при низьких швидкостях різання нестабільним. Спостерігається інтенсивнийабразивний знос інструмента з боку задніх поверхонь. Частки надтвердогоматеріалу, що викришились із ріжучої кромки, заклинюються між задньою поверхнеюінструмента й обробленою поверхнею деталі та проорюють борозни на поверхніінструмента. Опаданню же ріжучої кромки сприяє нерівномірність процесу принизьких швидкостях різання. Із зростанням швидкості, а значить, і температурипроцес різання стабілізується. Знижується коефіцієнт тертя, усадка стружки ісили різання. Стружка сколювання переходить у зливну, більш стійку. При цьомуколивання сил, мікровібрації різко знижуються. Температура в зоні різаннясприяє розм'якшенню прошарків металу. На поверхні інструмента утворюєтьсятонкий прошарок оброблюваного металу — налипання, загальмований прошарок, щоміцно утримується на різці, оберігаючи його від інтенсивного зносу. Цейзагальмований прошарок, що може бути розглянутий і як мікронаріст, відіграєроль захисного покриття і свідчить про «пристосовуваність» різальногоінструмента до умов різання для самозбереження. У цьому діапазоні швидкостейрізання знос так само відбувається по задній поверхні, проте тут вінмінімальний. Діапазон оптимальних швидкостей різання вузький, і тому вихід зайого межі веде до різкої втрати працездатності інструмента, а, значить, до йогокомпрометації, що іноді і буває на практиці застосування цього інструмента.
Подальшепідвищення швидкості викликає зростання температури різання до значень, прияких вироджується загальмований прошарок, відкриваючи передню поверхню потокудуже гарячої стружки, що призводить до інтенсифікації процесу зносу. Цьомусприяє і те, що при таких швидкостях різання починається знос передньоїповерхні, який опускає ріжучу кромку нижче рівня передньої поверхні й утворює«сходинку».
Такимчином, оптимальна працездатність інструмента із нітриду бору при точіннізагартованих сталей реалізується в порівняно вузькому діапазоні швидкостейрізання і, отже, температур.
/>
Рис.5
Значновпливають на зносостійкість різців із нітриду бору фазово-структурніособливості інструмента. При точінні загартованої сталі різцями з нітриду боруна основі сфалериту (сульфід цинка ZnS) — Ельбор-Р — оптимум у залежностідовжини шляху різання від швидкості зрушений убік великих її значень. А оптимумдля різців на основі вюрцита — Гексаніт-Р зрушений убік менших швидкостейрізання (рис. 5). Це пояснюється розходженням у фізико-механічних властивостяхЕльбору-Р і Гексаніту-Р, і, в першу чергу, різною термостійкістю,теплопровідністю, різними міцнісними показниками.
Звідсиможе бути зроблений висновок щодо переваг Ельбору-Р перед Гексанітом-Р. Протетака перевага має місце тільки у випадку спокійного, безударного різання, щозустрічається в реальному виробництві рідко. При роботі ж з ударами,вібраціями, нерівномірними припусками тощо, переваги завжди в інструмента навюрцитній основі типу Гексаніт-Р.
/>
Рис.6
Нарис. 6 показаний вплив відсоткового вмісту сфалериту і вюрциту в різцях ізнітриду бору на довжину шляху різання при точінні загартованої сталі з ударамиі без ударів. Збільшення утримання вюрциту ВNв підвищує стійкість інструмента прироботі з ударами. Стійкість різців в умовах спокійного різання при цьому падає.Збільшення ж сфалериту ВNсф підвищує стійкість інструмента при роботі без ударів. Таким чином,змінюючи фазовий склад, можна забезпечувати необхідні характеристики різальномуінструменту в залежності від умов обробки.
Яккритерій затуплення різців із нітриду бору варто приймати знос по заднійповерхні не більше 0,4 мм.
Зв'язокміж швидкістю різання та стійкістю при обробці загартованих сталей інструментамиз ПНТМ має вигляд як показано на рис. 7.
/>
Рис.7
Кривуможна розділити на три характерних діапазони. У першому — із збільшеннямшвидкості різання до v12 стійкість різців падає, сягаючи мінімуму, потім із подальшимзбільшенням швидкості вона зростає (другий діапазон) і при оптимальнійшвидкості доходить до максимуму, після чого падає.
6.Якість поверхні
Завдякивисокій якості процес лезової обробки нітридоборним інструментом єконкурентоспроможним абразивній обробці. На формування мікронерівностейобробленої поверхні найбільше впливають режими різання і знос інструмента, атакож твердість оброблюваного металу. На рис.8 показаний вплив швидкості різання на шорсткість обробленої поверхні приточінні загартованих сталей різної твердості.
/>
Рис.8
Іззростанням швидкості різання шорсткість поверхні зменшується: в області малихшвидкостей різання (дооптимальних) — інтенсивно, а в області оптимальних і вищеоптимальних — незначно. Такий вплив швидкості різання на шорсткість пояснюєтьсятим, що при малих швидкостях процес різання, як відзначалося раніше,нестабільний — динамічно нестійкий, тому що температура в зоні різання щеневисока. Звідси великі сили, велика усадка і несприятливі умовистружкоутворення. Із зростанням швидкості процес різання стабілізується ішорсткість зменшується. При обробці сталей НR.С 63-65 на верстатах підвищеноїточності досягається шорсткість Rа =0,35 мкм, а на верстатах звичайноїточності -Rа = 0,4-0.5 мкм. Збільшення шорсткостізі зменшенням твердості оброблюваного матеріалу можна пояснити застійнимиявищами (наростом) на передній поверхні інструмента, що інтенсифікуються зізниженням твердості.
Прилезовій обробці загартованих сталей різцями з ПНТМ у поверхневому прошарку формуютьсястискуючі залишкові напруги, що підвищують зносостійкість деталей машин.
/>
Рис.9
Величинаі знак залишкових напружень залежать від швидкості різання, подачі, геометріїрізця та інших умов, вплив яких виявляється в зміні ролі силового ітемпературного факторів. (рис. 9) Збільшення швидкості різання призводить дозниження стискуючих залишкових напружень, тому що воно супроводжується підвищенням температурив поверхневому прошарку.
Збільшенняподачі призводить до підвищення стискуючих напружень, одночасно збільшуєтьсяглибина їхнього залягання. Це знаходиться у повній відповідності до того факту,що зі збільшенням подачі зростають сили різання, відповідальні за виникненнястискуючих залишкових напружень.
Вивченняособливостей формування шорсткості обробленої поверхні при лезовій обробціінструментами із нітриду бору показало, що форма нерівностей відрізняється віднерівностей, отриманих традиційним інструментом. Це позначається на такомупоказнику, як відносна опорна довжина профілю tр, що істотно більше при нітридборнійобробці. Зміна форми нерівностей пояснюється великою їхньою деформацією впроцесі різання, викликаної температурним та силовим факторами. Як зазначалосявище, питомі навантаження, що діють із боку задньої поверхні різця на обробленуповерхню, досягають 200 кг/мм2. При таких питомих навантаженнях в умовахсильного нагрівання форма нерівностей змінюється. Профіль нерівностей стаєопуклим, що і призводить до зростання відносної опорної довжини профілю.
Такимчином, несуча спроможність поверхні при обробці різцями з нітриду борузбільшується, підвищуючи працездатність деталей машин.
Мікротвердістьобробленої поверхні, як правило, збільшується.
Аналізпараметрів якості поверхневого прошарку і шорсткості поверхні, обробленоїрозточуванням, дозволив зробити висновок про можливість, а у ряді випадківдоцільность заміни операції внутрішнього шліфування розточуванням отворів узагартованих сталях різцями з Ельбору-Р і Гексаніту-Р.
алмазний нітридборний інструмент різання
7.Різання при періодичних навантаженнях
Періодичнимиприйнято називати поверхні, профіль яких складається з періодично повторюваниходнакових ділянок. Властивості періодичності особливо чітко виявляються в полігонних(багатогранних) поверхнях.
Деталіз такими поверхнями широко застосовуються в машинобудуванні. Розробленоефективні технології обробки полігонних деталей та універсальні токарські ішліфувальні верстати, на яких з однієї установки можна обробляти круглі іполігонні, зовнішні і внутрішні поверхні.
Кінематичніта геометричні умови різання при розточуванні на різних ділянках полігонногопрофілю істотно різняться. Це одна з важливих особливостей розточуванняполігонних отворів. Отримані епюри розподілу кінематичних кутів і швидкості різання пополігонному профілю (рис. 10) дозволяють обґрунтовано призначати раціональніпередній та задній статичні кути й аргументовано пояснювати різноманітністорони процесу різання.
Доведено,що ефективна обробка полігонних отворів загартованих сталей може здійснюватисятільки різанням інструментом на основі надтвердого нітриду бору.
Встановлено,що в залежності від кута повороту полігонної поверхні значно змінюютьсякінематичні кути і швидкість різання, внаслідок чого відбувається змінарівнодіючої сили різання (за розміром і напрямком) і шорсткість обробленоїповерхні.
Великимциклічним навантаженням, що виявляються при обробці полігонних поверхонь, кращепротистоять різці з Гексаніту-Р, який забезпечує високу стійкість і найвищупрацездатність.
8.Застосування інструмента з надтвердих нітридів бору
Дослідженняі практика застосування інструмента з надтвердих нітридів бору показують, щотехнологічні процеси, що базуються на його використанні, дозволяють:
•знизити шорсткість обробленої поверхні до Rа = 0,08 мкм і досягти точності обробки5-6 квалітету;
•виключити структурні зміни в поверхневому прошарку оброблюваних матеріалів;
•змінити традиційний технологічний процес виготовлення деталей із загартованих сталей(побудувати його за схемою: прецизійні заготівельні операції — термообробка — фінішна обробка);
•підвищити продуктивність обробки в 2,5 разів порівняно із шліфуванням;
•замінити тверді сплави, що містять вольфрам, на операціях чистового танапівчистового точіння.
Особливостізастосування:
•перспективним варто вважати застосування інструмента з нітриду бору при лезовійобробці чавунів, причому, і сирих, і важкооброблюваних – загартованих, проте,настільки високі різальні властивості нітриду бору при обробці чавунівпотребують високої швидкості різання, в іншому випадку він не тількинедовикористовується, але й може при низьких швидкостях різання поступатисятвердосплавному інструменту.
•обробка наплавлених поверхонь. Обсяги застосування таких деталей зростаютьбезупинно, а обробка традиційними методами не завжди задовольняє вимогам.
— обробка незагартованих — сирих сталей. однією з основних причин неможливостіобробляти незагартовані сталі є високий знос різального інструмента,обумовлений інтенсивним наростоутворенням у дуже широкому діапазоні швидкостейрізання. Це пояснюється достатньо високою теплопровідністю інструмента знітриду бору, при якій температура на поверхні різця не досягає значень,достатніх для виродження наросту.
— обробки кольорових металів та сплавів та, у першу чергу, важкооброблюванихалюмінієвих і мідних: нітридборний інструмент поступається алмазному майже завсіма показниками: силам різання, деформації зрізуваного шару, коефіцієнтутертя, зносостійкості. Проте працездатність нітридборного інструмента істотновище, ніж твердосплавного, що дозволяє його використання при відсутностіалмазного інструмента.
Вданий час лезові інструменти з надтвердих нітридів бору найбільш ефективнозастосовуються для виконання таких операцій:
• розточування(особливо координатне) отворів діаметром 6...30 мм у деталях із загартованоїсталі та чавуну (типу плит, шаблонів, кондукторів, чопів, калібрів-кілецьтощо);
• розточуванняотворів з одночасним підрізанням торців у деталях із загартованих сталей,чавунів і твердих сплавів (у прес-формах, роликах, довбачах тощо);
• точіння багатоступінчастихдеталей (типу шпинделів) з одночасною підрізкою торця і зняттям фасок;
• обробкадеталей з високоміцних сталей, що працюють у важких умовах при значнихзнакозмінних навантаженнях;
• попередняобробка деталей із загартованих сталей і твердих сплавів, коли потрібно знятизначний припуск;
•прецизійна обробка (точіння, розточування, підрізання торців) деталей з чавунурізноманітної твердості;
•чистове і тонке фрезерування площин деталей із загартованих сталей і чавунів нафрезерних та розточних верстатах (особливо складних багатоступінчастих деталейна верстатах з ЧПУ);
•фрезерування деталей із загартованих сталей і чавуну значної довжини;
•фрезерування площин комбінованих деталей, зібраних з елементів високоїтвердості;
•обробка деталей із загартованої сталі та чавуну на токарських, розточних іфрезерних верстатах з ЧПУ;
•напівчистове і чистове зубофрезерування загартованих зубцюватих коліс замістьзубошліфування тощо.