Введение
По данным компании, производящей строительные материалы — дуплексная нержавеющая сталь приобретает все большее значение, что отражается в широком диапазоне этих продуктов доступных на рынке. Тем не менее, процесс механической обработки представляет собой значительные трудности. Одним из ограничений при обработки стали является износ инструмента.
Износ инструмента во многом зависит от параметров резания, что является важным фактором. Износ инструмента приводит к ухудшению качества обработанной поверхности и, следовательно, к снижению эффективности и производительности. Многие производственные компании используют твердосплавные инструменты с покрытием или быстрорежущей стали для обработки дуплексной нержавеющей стали (ДНС).
По словам Ганна [6] низколегированные ДНС, такие как S32304 при механической обработке инструментами с высокой скоростью обработки сталей ведут себя аналогично аустенитных типов таких как 316 или 317. Однако при обработке сталей инструментами с покрытием ведут себя аналогично 317LN и 317LMN.
Современные типы ДНС сложнее, чем виды, произведенные до этого. Причиной этого является более высокое содержание аустенита и азота. Увеличение содержания легирующих элементов, таких как азот и молибден делает обрабатываемость этих сталей менее эффективными. Применение твердосплавного инструмента с покрытием для обработки ДНС требует более глубокого изучения износа инструмента и связанного с ней износа механизмов. В статье рассматриваются основные задачи исследования износа инструмента с покрытием из CVD-Ti (C,N)/Al2O3/TiN.
Основной целью данного исследования явилось определение влияния скорости резания в качестве ключевого фактора, контролирующего срок службы инструмента. Повышение скорость резания в объеме, значительно превышающих обычные обрабатывающие скорости теперь признано в качестве основного направления производственной мощности и эффективности роста, а также качество и точность совершенствования. В исследование входит оценка влияния резки параметров резания на стойкость инструмента. Для оценки износ инструмента были использованы характерные кривые износа.
Экспериментальные выводы
Материал заготовки и режущего инструмента
Механической обработке был подвержен материал 1.4462 (DIN EN 10088-1) — сталь с ферритно — аустенитной структурой, содержащая около 50 % аустенита. Конечная прочность на растяжение Rm = 700 МПа, твердость по Бринеллю — 293±3 НВ. Элементный состав обрабатываемого материала и деталей режущих инструментов приведены в таблицах 1 и 2 соответственно.
Элемент | С max | Si max | Mn max | P max | S max | Cr | Ni | Mo | N | Другие |
% wt. | 0,03 | 1,00 | 2,00 | 0,030 | 0,020 | 21,0 23,0 | 4,50 6,50 | 2,50 3,50 | 0,10 0,22 | - |
На основе ряда рекомендаций были выбраны параметры резания для инструмента Т1: Vk = 50 ÷ 150 м/мин, f = 0,2 ÷ 0,4 мм/об, ap = 1 ÷ 3 мм. Эксперименты выполненные с инструментом Т2 были сравнительно схожи и поэтому параметры резания были: Vc= 50, 100 и 150 м/мин, f = 0,2; 0,3 и 0,4 мм/об, ap = 2 мм.
Исследование было проведено в рамках производства на токарном станке с ЧПУ 400 фирмы Famot Pleszew plc.
№ | x1 | x2 | x3 | Vc, м/мин | f, мм/об | ap, мм |
1 | -1 | -1 | -1 | 70 | 0,24 | 1,4 |
2 | -1 | -1 | +1 | 70 | 0,24 | 2,6 |
3 | -1 | +1 | -1 | 70 | 0,36 | 1,4 |
4 | -1 | +1 | +1 | 70 | 0,36 | 2,6 |
5 | +1 | -1 | -1 | 130 | 0,24 | 1,4 |
6 | +1 | -1 | +1 | 130 | 0,24 | 2,6 |
7 | +1 | +1 | -1 | 130 | 0,36 | 1,4 |
8 | +1 | +1 | +1 | 130 | 0,36 | 2,6 |
9 | -1,682 | 0 | 0 | 50 | 0,3 | 2 |
10 | 1,682 | 0 | 0 | 150 | 0,3 | 2 |
11 | 0 | -1,682 | 0 | 100 | 0,2 | 2 |
12 | 0 | 1,682 | 0 | 100 | 0,4 | 2 |
13 | 0 | 0 | -1,682 | 100 | 0,3 | 1 |
14 | 0 | 0 | 1,682 | 100 | 0,3 | 3 |
15 | 0 | 0 | 0 | 100 | 0,3 | 2 |
16 | 0 | 0 | 0 | 100 | 0,3 | 2 |
17 | 0 | 0 | 0 | 100 | 0,3 | 2 |
18 | 0 | 0 | 0 | 100 | 0,3 | 2 |
19 | 0 | 0 | 0 | 100 | 0,3 | 2 |
20 | 0 | 0 | 0 | 100 | 0,3 | 2 |
Экспериментальный расчет
Необходимое число экспериментальных точек равно N = 23+ 6 + 6 = 20 (таб. 3). Есть восемь факторных экспериментов (3 фактора на двух уровнях, 23) с добавлением 6 точек и центральной точки (средний уровень), повторяющихся 6 раз — необходимо рассчитать чистую ошибку [9]. С целью эксперимента разработана программа, которая считает параметры модели второго порядка полиномом в виде у = (a0 + a1x1 + a2x2 + a3 x3)2. Программа была написано в Matlab и позволяет генерировать трехмерные графики и эпюры одной переменной. Тесты проводились на токарном станке с ЧПУ.
Анализ износа
После процесса резания значения износа по задней поверхности были измерены с использованием оптического микроскопа.
Результаты и обсуждение
Кривые износа
Рассмотрение процесса в точке износа инструмента особенно в промышленных процессах показало, что наиболее распространенный вид износа был по основным флангам в зоне B — соответственно VBb (рис. 2) и VBbmax (рис. 3).
Таким образом, в эксперименте достигнуты следующие результаты: как можно заметить, кривая VBb (рис. 2) является типичной для стали, подверженной механической обработке со средней скоростью резания, без специального охлаждения или мало интенсивного охлаждения. Это указывают на три различимых, характерных периода износа инструмента. Анализируя результаты кривой износа VBBmax (рис. 3), большее значение износа может быть заметно — это может указать на неравномерно изношенные основные фланги.
Срок службы инструмента
На рис. 4 показана стойкость инструмента после обработки нержавеющей стали инструментом Т1 в условиях сухого резания. Полученные результаты путем моделирования на основе принятой программы PS/DS-P:λ были представлены как трехмерный участок и двухмерный участок одной переменной в определенной последовательности, показывая глубину резания и скорость резания. При подачи f = 0,3 мм/об и скорости резания Vc = 100 м/мин стойкость инструмента инструмента принимает наибольшее значение при глубине резания ap = 1 мм и ap = 3 мм и составляет Т = 31 мин и T = 23 мин. Минимальный значение наблюдалось для глубины резания ap = 2,3 мм, стойкость инструмента равнялось T = 20 мин. При подачи f = 0,3 мм/об и глубине резания ap = 2 мм, наибольшая стойкость инструмента наблюдалась для VC = 50 м/мин и VC = 150 м/мин и составила Т = 44 мин и Т = 24 мин. Минимальное значение стойкости инструмента Т = 19 мин было для Vc = 118 м/мин.
Анализируя влияние скорости резания на стойкость инструментов Т1 (рис. 5) и Т2 (рис. 6), можно заметить, что с увеличением скорости резания стойкость инструмента уменьшается.
Стойкость инструмента уменьшается для скорости резания от 100 до 130 м/мин в зависимости от величины нагрузки. Причина для этого, вероятно, большее сопротивление к абразивному износу инструменты с содержанием Al2O3 покрытия.
Выводы
При обработки дуплексной нержавеющей стали возникают следующие трудности: чрезмерные термические и механические нагрузки на инструмент, сильное адгезионное взаимодействие приводит к наростообразования, и соответственно к ускорению износа режущей кромки. Дальнейшие эксперименты показали:
- Увеличение скорости резания повышает интенсивность износа режущей кромки;
- Применение твердосплавных инструментов c СVD — Ті(N, N)/Al2O3/Tin покрытием приводят к более высокой устойчивости к абразивному износу и они могут быть рекомендованы для черновой обработки нержавеющих сталей;
- Оптимальная скорость резания 130 ÷ 150 м/мин.