ХОЛОДНАЯ ЗАВИВКА ПЛАСТИН ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ

УДК 621.785.002
ХОЛОДНАЯ ЗАВИВКА ПЛАСТИН
ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ
С.А. Зайдес, Н.А. Астафьева
Аннотация
Художественная обработка древесины в промышленных условиях предусматривает
использование режущего инструмента в виде концевых фрез.
Предложена технология
формообразования заготовок из быстрорежущей стали для изготовления винтовых зубьев
концевых
фрез.
Экспериментально
установлены
режимы
термической
обработки,
обеспечивающие пластичность быстрорежущей стали в холодном состоянии в течение
длительного периода времени.
Ключевые слова
быстрорежущая сталь; термическая обработка; пластичность
WATER-WAVE FOR THE STRAPS OF HIGH-SPEED STEEL
S.A. Zaydes, N.A. Astafyeva
Annotation
Decorative woodworking in industrial conditions provides for using of machine tooling as
end-milling cutters. It was required a forming technology for billets of high-speed steel to produce
helical teeth of end-milling cutters. There were experimentally determined modes of heat threating,
which provide pliability of cold high-speed steel for a long time.
Keywords
high-speed steel; heat threating; thermal processing; pliability
12
Человечество давно научилось использовать природный материал для удовлетворения
своих потребностей. Россия всегда была богата лесом, поэтому обработка дерева и
производство художественных изделий из древесины носит в нашей стране национальный
характер.
Различные породы древесины исстари служили не только
непревзойденным
материалом в производстве огромного многообразия товаров, но и источником вдохновения
мастеров-резчиков, трудом которых дерево приобретает силу художественного образа и
становится подлинным произведением искусства.
Обработка дерева резанием - это одна из древнейших технологий, которая прошла
путь от ручной обработки до современных автоматизированных производств на станках с
числовым программным управлением (рис.1).
Рис. 1. Декоративные изделия из древесины, получаемые на станках с ЧПУ
Внешняя форма изделия и качество обработки во многом зависит от вида и качества
13
режущего инструмента. Современные технологии деревообработки основаны на широком
использовании концевых фрез (рис.2).
Рис. 2. Процесс изготовления шкатулки с применением концевой цилиндрической
фрезы
Наибольшее распространение получили фрезы с винтовыми зубьями. По сравнению с
прямозубыми фрезами они обладают рядом преимуществ: повышенная стойкость режущей
части, высокое качество обрабатываемой поверхности за счет снижения динамических
воздействий в зоне резания и др.
При обработке крупногабаритных изделий, а также при выполнении черновых
операций значительный практический интерес с точки зрения ресурсосбережения, снижения
стоимости и увеличения работоспособности концевых фрез, представляет использование
составного инструмента, оснащенного пластинами из быстрорежущей стали. Заготовки
зубьев такого инструмента выполняют из проката, имеющего наименьшую карбидную
неоднородность, что значительно повышает стойкость режущего инструмента при
фрезеровании. Особое значение это приобретает при изготовлении фрез диаметром более 20
мм. Следует отметить, что на практике такой инструмент не нашёл должного применения
ввиду технологических трудностей возникающих при изготовлении винтовых пластин из
быстрорежущей стали.
Существующие способы получения винтовых пластин основаны на горячем
деформировании (скрутка, гибка, выдавливание) с нагревом до закалочных температур ~
14
1200° С, что осложняет технологический процесс и снижает технико-экономические
показатели. Высокотемпературное деформирование требует использования специального
нагревательного оборудования, контролирующей аппаратуры и ограничено во времени
формообразования пластин. Возникающие при горячем деформировании дефекты металла
значительно снижают качество концевых фрез, а обезуглероживание быстрорежущей стали
приводит к снижению режущих свойств и увеличению износа инструмента.
Однако существует малоизученный метод термической обработки [1], основанный на
свойствах быстрорежущей стали приобретать пластичность после нагрева ниже температур
полиморфных превращений и быстрого охлаждения.
В данной работе рассматривается способ завивки пластин быстрорежущей стали в
винтовую форму в холодном состоянии после предварительной термообработки. Такие
винтообразные пластины являются заготовками для изготовления вставных режущих зубьев
сборных концевых фрез.
Исследования выполнены на образцах из быстрорежущей стали марки Р9К5, которая
рационально легирована кобальтом и может использоваться при изготовлении режущих
инструментов, обрабатывающих конструкционные материалы на повышенных режимах
резания, а также труднообрабатываемые материалы. Стойкость таких инструментов в 3,5 - 4
раза больше чем из сталей Р18, Р12 и Р6М5 [2].
Для повышения пластичности быстрорежущей стали в холодном состоянии образцы
нагревали в печи до температур в интервале 720 – 740 ºС, выдерживали в течение 1 - 3 часов
и охлаждали в различных средах. Интервал температур выбран ниже точки Ас1
=
815°С
(начала структурных превращений быстрорежущей стали Р9К5) на основе имеющихся
данных об изменении механических свойств быстрорежущей стали при нагреве. Время
выдержки не превышало 3 часов в связи с возможной коагуляцией и увеличением размеров
карбидов при более длительном временном интервале. Крупные карбиды в небольших по
размеру режущих кромках неблагоприятно влияют на работоспособность инструмента и
приводят к выкрашиванию зубьев.
Экспериментально определено влияние условий термической обработки
на
механические свойства быстрорежущей стали. Проведены статические и динамические
15
испытания на изгиб для определения значений угла загиба и ударной вязкости. Для
сопоставления полученных результатов аналогичные испытания проведены на образцах из
отожженной стали Р9К5. Размеры образцов для статических испытаний (H=8 мм; b=3,5 мм;
L=105 мм) соответствовали размерам заготовок зубьев концевой фрезы, а для динамических
испытаний использовали образцы по ГОСТ 9454-78.
Из опытных результатов установлено (рис. 3 - 5), что максимальные пластические
деформации быстрорежущей стали Р9К5 соответствуют наибольшему значению угла загиба
∆=82º и приобретаются после нагрева образцов до температуры 730 ºС, выдержке в течение 2
часов в печи с последующим охлаждением в масле. Значение ударной вязкости образцов,
термически обработанных по данному режиму, составляет KCU=76 Дж/см 2.
Удельная вязкость,
Дж/см2
80
P9K5
P9K5
70
60
50
40
73
74
76
30
20
26
10
0
ТОпп,
в ода
ТОпп,
в оздух
ТОпп,
масло
отжиг,
в оздух
Вид ТО, среда охлаждения
Рис. 3. Зависимость угла загиба образцов от
температуры нагревы и времени выдержки
Рис. 4. Зависимость ударной вязкости от вида
термообработки и условий охлаждения
Ускоренное охлаждение в масле с температур нагрева тормозит диффузию, в
результате в стали получается несколько пересыщенный твёрдый раствор. При последующей
выдержке образцов в условиях комнатной температуры возможно старение, что может
привести к снижению пластичности стали. В связи с этим определена зависимость
пластичности стали Р9К5 от продолжительности времени после проведения термической
обработки, повышающей пластичность (ТОпп). Испытания образцов на угол загиба
проведены при комнатной температуре в течение 40 суток после проведения ТОпп.
Установлено, что приобретаемая сталью пластичность практически не изменяется в течение
первых 20 суток, а затем она снижается (рис 6).
16
90
90
Угол загиба, град.
Угол загиба, град.
80
Р9К5
70
60
50
40
30
65
82
72
20
28
10
0
ТОпп,
вода
ТОпп,
воздух
ТОпп,
масло
80
70
60
50
40
30
20
10
0
5
Отжиг,
воздух
Вид ТО, среда охлаждения
Рис. 5. Зависимость угла загиба
образцов от условий термической
обработки
10
15
20
25
Р1
30
Время после ТОпп, сутки
35
40
Рис. 6. Зависимость угла загиба
образцов стали Р9К5 от продолжительности
времени после термообработки
Для изучения структуры быстрорежущей стали и её изменения после термической
обработки, повышающей пластичность, в работе использован металлографический анализ.
Исследования образцов из быстрорежущей стали Р9К5 в состоянии поставки (отжига) и
после эффективной термической обработки, повышающей пластичность, проведены с
использованием оптического и электронного микроскопов.
Под электронным микроскопом при ускоряющем напряжении 29,5 кВ, обнаружены
изменения микроструктуры стали Р9К5 после ТОпп (рис. 7, б). Они проявились в том, что
количество карбидной фазы несколько уменьшилось, по сравнению со структурой
отожженной стали (рис. 7. а).
а)
б)
Рис. 7. Микроструктура образцов из стали Р9К5х5000: а - образец из стали Р9К5 после
отжига; б - образец из стали Р9К5 после термической обработки повышающей
пластичность
17
При этом снизилось количество мелкодисперсных карбидов, а отдельные части
карбидной фазы М6С увеличились в размере в среднем с 2,56 до 2,9~3,2 мкм. Такие
изменения структуры могут приводить к повышению пластичности стали. Это связано с
растворением при нагреве углерода в α-Fe и устранением мелкодисперсных частиц
фазоупрочнителей, присутствующих в отожженной стали. Увеличение размеров частиц
основного карбида М6С незначительно и не может повлиять на работоспособность режущего
инструмента.
Для проведения экспериментов и формообразования винтовых пластин в холодном
состоянии было сконструировано и изготовлено устройство [3].
На основе экспериментальной зависимости крутящего момента от продолжительности
времени после проведения термообработки, повышающей пластичность (рис. 8), установлен
наиболее благоприятный 20-дневный период для холодной завивки пластин из стали Р9К5 в
винтовую форму. По истечению этого срока холодное деформирование не рекомендуется
проводить в связи с повышением усилий деформирования и появлением значительных
обратных деформаций заготовок, которые не обеспечивают заданную форму винтовой
поверхности пластины.
Рис.
100
90
крутящего
Крутящий момент,
Н*м
80
70
8. Зависимость
момента
от
продолжительности времени
60
50
40
после
30
20
эффективной
10
0
5
10
15
20
25
30
35
Время после ТОпп, сутки
Разработанная технология изготовления позволяет
обработки
проведения
термической
повышающей
пластичность стали Р9К5
получать винтовые пластины с
изменяющимся углом и диаметром спирали по длине винтовой линии для цилиндрических,
конусных и фасонных фрез с различными формами режущей кромки. Концевая фреза,
изготовленная по предложенной технологии, представлена на рис. 9.
18
Рис. 9. Концевая фреза с пластинами
из
стали
Р9К5,
изготовленная
по
предложенной технологии
Существенным преимуществом холодной завивки в предложенном устройстве
является то, что задавая необходимые координаты пазов на дисках, можно получить винтовые
пластины с изменяющимся углом и диаметром спирали по длине винтовой линии и получать
винтовые пластины не только для цилиндрических, но и для конусных и фасонных фрез с
различными формами режущей кромки.
Разработанная технология изготовления винтовых пластин для сборных конструкций
концевых фрез позволяет не только сократить расход быстрорежущей стали, но и повысить
работоспособность режущего инструмента в производственных условиях при изготовлении
художественных и декоративно-прикладных изделий из древесины.
В результате проведенных исследований установлена возможность холодного
завивания пластин из
термической
обработке.
быстрорежущей
Определены
стали
режимы
Р9К5,
предварительно
термической
обработки
подвергнутых
(нагрев
до
температуры 730ºС, выдержка в течение 2 часов в печи с последующим охлаждением в
масле), обеспечивающей наибольшую пластичность быстрорежущей стали Р9К5 в холодном
состоянии. Установлен временной интервал, в течение которого термически обработанные
пластины из быстрорежущей стали сохраняют пластичность, необходимую для холодного
формообразования винтовых зубьев концевых фрез. Повышенная пластичность стали Р9К5
сохраняется в течение первых 20 суток после проведения эффективной термической
обработки.
Библиографический список
1.
Астафьева Н.А. Пластическое деформирование режущих элементов сложной
формы из быстрорежущей стали. Упрочняющие технологии и покрытия / Машиностроение. –
М., 2008. – № 10, С. 22-27.
19
2.
Геллер Ю. А. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1983. 527с.
3.
Пат. № 2323812, В23Р 15/34 C21D 9/22. Способ изготовления винтовых пластин из
быстрорежущей стали и устройство для его осуществления; опубл. 05.10.2008. авторы
Астафьева Н.А., Астафьев А.Г., Зайдес С.А.
20
Сведения об авторах
Зайдес Семен Азикович
Место работы
государственный
и должность:
технический
Национальный исследовательский
университет
(НИ
ИрГТУ),
заведующий
Иркутский
кафедрой
«Машиностроительные технологии и материалы»
Ученое звание, степень: профессор, доктор технических наук
Рабочий адрес и телефон: 664074, г.Иркутск, ул. Лермонтова, д.83 , НИ ИрГТУ ,
тел. (3952)-405-147
E-mail: zsa@istu.irk.ru
Астафьева Наталья Анатольевна
Место работы
государственный
и должность:
технический
Национальный исследовательский
университет
(НИ
ИрГТУ),
доцеент
Иркутский
кафедры
«Машиностроительные технологии и материалы»
Ученое звание, степень: доцент, кандидат технических наук
Рабочий адрес и телефон: 664074, г.Иркутск, ул. Лермонтова, д.83 , НИ ИрГТУ ,
тел. (3952)-405-147
E-mail: anstella@mail.ru
21