8. Научные исследования по совершенствованию обработки алюминиевых сплавов
8.1 Описание ситуации
Повышение производительности при обработке алюминия является важной задачей в современном машиностроении. Она может быть разрешена различными методами, такими как оптимизация режимов резания, применение высокопроизводительного оборудования, быстропереналаживаемой оснастки, применение инструмента высокой стойкости и другими. Наряду с повышением производительности необходимо повысить точность обработки и качество поверхностей детали операций растачивания, фрезерования, сверления и т.д.
В настоящее время все большее внимание в мире уделяется проблеме повышения скоростей резания как одной из составляющих производительности труда, улучшения качества обработанных поверхностей, экономии материальных и трудовых ресурсов. Высокоскоростное резание является перспективным направлением повышения эффективности механической обработки и важным экономическим рычагом снижения ее себестоимости. При высоких скоростях резания возможно, в некоторых случаях, исключить промежуточные операции, например, получистовое шлифование, а в отдельных случаях – и финишные операции.
Таким образом, высокоскоростное резание является быстро развивающимся технологическим процессом с большими потенциальными возможностями для современной металлообработки. Актуальность его применения в современных условиях постоянно повышается, что связано с высоким уровнем автоматизации производственных процессов, изменивших структуру временных затрат на изготовление деталей и предопределивших необходимость сокращения основного времени на их обработку.
8.2 Анализ ситуации
Потенциальные возможности высокоскоростной обработки обусловлены следующими ее особенностями: большим удельным съемом материала в единицу времени; высоким качеством обработки материала; уменьшение силы резания; уменьшением образования заусенцев; уменьшением нарушения целостности верхних слоем материала. В месте с тем высокоскоростной обработке присущ ряд существенных недостатков. Наиболее важными из них можно считать: необходимость повышения мощности приводов, разработки и изготовления опор вращающихся и перемещающихся узлов, тщательной балансировки вращающихся узлов, создание новых инструментальных материалов, высокие температуры, возникающие в зоне резания, недостаточная теплостойкость применяемых режущих инструментов и т.д.
8.3 Разработка обобщенного технического решения
Реализация технологии высокоскоростного резания предполагает решение многочисленных технологических задач. В наибольшей степени это касается режущих инструментов, так как уровень применяемых скоростей резания в современной металлообработке ограничивается свойствами инструментальных материалов и определяется способностью режущих инструментов противостоять изнашиванию и разрушению при повышенных температурах.
В Московском комбинате твердых сплавов в настоящее время разработан новый ассортимент сменных многогранных пластин с четырехслойным износостойким покрытием. Покрытия МТ и МА толщиной h = 8–10 мкм предназначены для токарной обработки. Составы покрытий представлены на листе графической части.
Среди материалов, не требующих покрытий, наиболее близок к идеальному материалу поликристаллический алмаз. Являясь одним из наиболее твердых материалов, он в тоже время благодаря ультрамелкозернистой структуре обладает достаточной вязкостью и по этому пригоден для обработки (со скоростью v = 300 – 600 м/мин) цветных металлов и сплавов, а также композитов. При аналогичной твердости КНБ (кубический нитрид бора) более хрупок и в большей степени подходит для «сухой обработки» материалов твердостью выше 50 HRC (при содержании в инструменте до 60% КНБ) и чугунов в широком интервале скоростей (300 – 800 м/мин) с небольшими припусками и подачами. Расширение эффективной области высокоскоростной обработки достигается использованием керамических инструментов нового поколения из нитридной, армированной или слоисто-градиентной керамики. Нитридно-кремниевая керамика, которая тверже твердого сплава, обладает большей хрупкостью и поэтому используется только для обработки чугунов и алюминия с v = 500 – 1000 м/мин.
Положительный опыт внедрения и эксплуатации керамических режущих инструментов нового поколения при высокоскоростной обработке деталей из разных материалов показывает высокую технико-экономическую эффективность этих операций. Однако даже керамические инструменты, изготовленные по современным технологиям и прошедшие системный контроль качества, оказываются недостаточно надежными для высокоскоростной обработки. В условиях термомеханических нагрузок и неблагоприятного воздействия отдельных факторов высокоскоростной обработки существует высокая вероятность непрогнозируемого выхода керамических инструментов из работоспособного состояния. Это связано с тем, что износ и разрушение высокоплотных керамических материалов имеет достаточно сложный характер и зависит от температурного режима эксплуатации. Критический градиент термических напряжений в непосредственной близости от режущей кромки инструмента приводит к сколам керамического материала на контактных площадках режущих инструментов и последующему разрушению режущего инструмента.
Армирование нитридно-кремниевой керамики нитевидными кристаллами карбида кремния способствует повышению ее предела прочности при изгибе σи до 900 МПа и коэффициента К1с интенсивности напряжений в вершине трещины до 10 МПа. м1/2. Улучшение свойств композиционного материала происходит за счет суммирования положительных свойств матрицы и уникальных параметров нитевидных кристаллов, которые являются барьером при распространении трещин в керамических материалах.
Композиционную керамику инструментального назначения разрабатывали на основе системы Si3N4 – Y2O3 – Al2O3 (условное обозначение РКС 11). В процессе исследования выведена оптимизированная система Si3N4 – Y2O3 – Al2O3 – SiCн.к. (условное обозначение РКС 33). Инструмент с многогранной неперетачиваемой пластиной из керамики состава Si3N4 – Y2O3 – Al2O3 – SiCн.к. в максимальной степени удовлетворяют требованиям высокоскоростного резания. Структуру керамики Si3N4 – Y2O3 – Al2O3 – SiCн.к. формируют зерна нитрида кремния размером 0,5 – 2 мкм и межзеренная фаза из активаторов спекания и нитевидных кристаллов карбида кремния, не имеющих определенной пространственной ориентации в матрице.
Установлено значительное влияние количества вводимых нитевидных кристаллов на прочность, трещиностойкость, термостойкость и эксплуатационные показатели инструментов из армированной нитридно-кремниевой керамики, результаты которой представлены на листе 06.М.15.64.80. Из графика следует, что максимальное увеличение стойкости инструментов обеспечивает введение в керамическую матрицу SiСн.к в количестве 10–15%. Увеличение их содержания в нитридно-кремниевой матрице свыше 15% приводит к снижению стойкости режущих инструментов. Работоспособность инструментов из композиционной керамики, в которой содержится 25% SiСн.к, является неудовлетворительной, так как стойкость этих инструментов ниже стойкости инструментов из матричной керамики.
Максимальные значения прочности, трещиностойкости и термостойкости также имеет керамика, в состав которой 10–15% SiСн.к. Важной особенностью разработанной композиционной керамики РКС33 является высокая прочность при температуре 1200°С, которая в результате армирования увеличивается до 600 МПа. Армированная керамика выдерживает максимальные термические нагрузки и не разрушается даже после 1200 термических циклов «нагрев – охлаждение», что превышает термостойкость матричной керамики на 30%.
Повышенные эксплуатационные характеристики режущих инструментов из армированной нитридно-кремниевой керамики РКС 33 обеспечивают его эффективное применение. Приведенные на листе графической части зависимости показывают удельный съем металла Q за период стойкости инструментов из РКС 33 и РКС 22 при точении алюминиевых сплавов. На всех режимах резания использование инструментов из РКС 33 обеспечивает значительное увеличение удельного съема металла.
Таблица 9.1
| Параметр | Значение параметра для керамики | |
| РКС 11Si3N4 – Y2O3 – Al2O3 | РКС 33Si3N4 – Y2O3 – Al2O3 – SiCн.к. | |
| Плотность, г/см3Пористость, %Твердость HRCПредел прочности при изгибе (20 °С/1200 °С), МПаКоэффициент К1с, МПа.м1/2Число циклов «нагрев до 1200 °С – охлаждение 400 °С» до разрушения образцов | 3.18 – 3.220.6 – 0.992720/4806.4 – 7.2926 | 3.20.5 – 1.292880/6008.3 – 9.31220 |
Исследование эксплуатационных показателей режущих инструментов из РКС 33 при точении алюминиевых сплавов в широком диапазоне режимов резания показали их высокую эффективность. Влияние скорости резания на стойкость режущих инструментов из ВК6, РКС22, РКС 33 при обработке алюминиевых сплавов представлено на листе графической части.
Результаты исследования влияния подачи при точении на стойкость керамических инструментов показали, что наибольшую стойкость на малых подачах имеют режущие инструменты из ВОК 71, но с увеличением подачи стойкость ВОК 71 снижается, а лучшие результаты обеспечивают режущие инструменты из РКС 33. Влияние подачи на стойкость керамических режущих инструментов из ВОК 71, РКС22 и РКС 33 при растачивании представлено на листе графической части.