Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017, № 8. Часть 2

научный журнал
Покупка
Артикул: 735007.0001.99
Известия Тульского государственного университета. Технические науки : научный журнал. - Тула : Тульский государственный университет, 2017. - № 8. Часть 2. - 356 с. - ISSN 2071-6168. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1084778 (дата обращения: 01.05.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
 
16+ 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 8 
 
 
Часть 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2017 

УДК 621.86/87                                                                             ISSN 2071-6168 
 
 
Известия Тульского государственного университета. Технические науки.  
Вып. 8: в 2 ч. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. 357 с.
 
Рассматриваются научно-технические проблемы резания материалов, проектирования специального инструмента и технологии и оборудование обработки металлов давлением. 
Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике 
технических наук. 
 
 
Редакционный совет 
 
М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, 
И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, М.А. БЕРЕСТНЕВ, В.Н. ЕГОРОВ, 
О.Н. ПОНАМОРЕВА, Н.М. КАЧУРИН, В.М. ПЕТРОВИЧЕВ 

 
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), С.Н. Ларин (зам. отв. редактора), 
Б.С. 
Яковлев 
(отв. 
секретарь), 
И.Л. 
Волчкевич, 
Р.А. 
Ковалев,  
М.Г. Кристаль, А.Д. Маляренко (Республика Беларусь), А.А. Сычугов,  
Б.С. Баласанян (Республика Армения), А.Н. Чуков  
 
 
 
 
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 

Сборник 
зарегистрирован 
в 
Федеральной 
службе по надзору в сфере связи, информационных 
технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).  
ПИ № ФС77-61104 от 19 марта 2015 г.  
 
«Известия 
Тульского 
государственного 
университета» входят в Перечень ведущих научных 
журналов и изданий, выпускаемых в Российской 
Федерации, в которых должны быть опубликованы 
научные результаты диссертаций на соискание учёной 
степени доктора наук 
 
© Авторы научных статей, 2017 
© Издательство ТулГУ, 2017 

РЕЗАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
СПЕЦИАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА 
 
 
 
 
 
УДК 621.9 
 
СВЕРЛО С ЦЕЛЬНОЙ ГОЛОВКОЙ 
ИЗ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗА 
ДЛЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ 
ЗАЭВТЕКТОИДНОГО СИЛУМИНА 
 
В.П. Астахов 
 
Представлены результаты разработки и испытания конструкции высокопроизводительного сверла с цельной головкой из поликристаллического алмаза (PCD), 
предназначенного для сверления высококремниевых заэвтектоидных силуминов. Подробно рассмотрены разработка конструкции сверла и основные этапы технологии его 
изготовления, включая процессы и оборудование. Испытания разработанного сверла 
показали, что его применение ведет к увеличению стойкости инструмента, уменьшению осевой силы сверления и улучшению качества обработанных отверстий при значительном экономическом эффекте как за счет повышения стойкости, так и за счет 
значительного увеличения производительности сверления.  
Ключевые слова: сверление, поликристаллический алмаз (PCD), высококремниевые силумины, производство сверл. 
 
Введение. Исследования и опросы в металлообрабатывающей промышленности показывают, что обработка отверстий (сверление, развертывание, растачивание) является самой трудоемкой операцией металлообработки в современном производстве, так как 36 % машинного времени (40 
% при обработке на станках с ЧПУ) затрачивается на обработку отверстий, 
в то время как на операции токарной обработки – 35 % и фрезерные операции – 25 %. При этом 40 % общего объема стружки производится при обработке отверстий [1]. Учитывая эти факты,  новых высокопроизводительных инструментов для обработки отверстий является важной задачей. 
К сожалению, многие инструменты для обработки отверстий, в частности конструкции сверл, далеко не оптимальны даже в наиболее продвинутых отраслях промышленности, например таких, как автомобильная 
промышленность. По мнению автора, основными причинами являются ес
Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 8. Ч. 2 

4 

тественное отставание в понимании и, следовательно, в принятии того, что 
привнесли новые технологии и современные станки в структуру автоматизированного производства. Главным для такого понимания является то, 
что впервые в истории металлообработки машинное время стало лимитирующим фактором в цикле обработки, которое также включает загрузку/разгрузку деталей, смену инструмента и т.д. Учитывая, что практическое применение высокоскоростных (с частотой вращения до n=40 000 
мин-1) автоматизированных станков (производственных ячеек и автоматических линий) с жесткими мотор-шпинделями, оснащённым HSKхвостовиками, с интеллектуальными системами управления с полным контролем состояния инструмента (например, силы резания, крутящий момент, уровень вибраций и т.д.), жесткими высокоточными термоусадочными и гидравлическими патронами, подачей СОЖ высокого давления через инструменты и многое-многое другое произошло в относительно короткий промежуток времени (последние 5-7 лет), это получило название 
«тихой» 4-й Индустриальной революции. К сожалению, для многих как 
исследователей процессов резания и инструмента, так и фирмизготовителей инструмента этот факт остался незамеченным.  
Целью разработки сверл в новых условиях производства является 
повышение производительности обработки при одновременном увеличении стойкости инструмента, так как: 
1) операционные расходы на эксплуатацию современного обрабатывающего центра составляют приблизительно $2/мин (нижний показатель, используемый при расчётах эффективности обработки в промышленности); для 2200 рабочих часов в год, $2/мин означает операционные расходы $264 000 в год только для одного обрабатывающего центра. Даже если принять, что реальное машинное время составляет 80 % (учитывая время загрузки/выгрузки деталей, смену инструмента и т.д.), увеличение производительности сверла на 50 % позволяет сэкономить $105 600 на один 
обрабатывающий центр; 
2) увеличение стойкости и надежности сверла позволяет существенно сократить время вынужденного простоя на замену инструмента. Еще 
недавно это время никто серьезно не рассматривал, так как оно было незначительным в суммарном времени цикла обработки. Сейчас оно становится чуть ли не главным фактором во времени вынужденного простоя [2, 
3], особенно когда в рассмотрение включается надежность инструмента 
(выход из строя до завершения периода стойкости) [4]. 
Данная работа посвящена разработке новой конструкции высокопроизводительного сверла повышенной стойкости для обработки высококремниевых заэвтектоидных стилуминов – материалов, широко применяемых в массовом производстве в автомобильной промышленности. 
Описание проблемы. Заэвтектоидные силумины, содержащие до 
20 % кремния, находят широкое применение в современной автомобильной промышленности (например, поршни, втулки цилиндров, ответствен
Резание материалов и проектирование специального инструмента 

5 

ные детали автоматических трансмиссий) благодаря уникальному сочетанию их механических (высокая прочность при повышенных температурах) 
и физических (высокая износостойкость, малый (близкий к сталям) коэффициент линейного расширения) свойств. Обрабатываемость таких материалов низкая, так как их структура содержит две твердые фазы с противоположными свойствами, а именно относительно мягкий матричный 
алюминий и твердые частицы кремния. Первая фаза способствует адгезионно-усталостному износу инструмента из-за образования нароста на передних поверхностях. Вторая фаза, свободный кремний, способствует интенсивному абразивному износу инструмента. Результаты этих двух видов 
износа на твердосплавном сверле показаны на рис. 1. Абразивный износ 
превалирует на уголках сверла (рис.1, а) где скорость резания (и, следовательно, скорость относительного скольжения) наибольшая, в то время как 
адгезионный износ превалирует на главной режущей кромке (рис. 1, б). 
 

 
 
a 
 
 
 
б 

Рис. 1. Типичные виды износа твердосплавного сверла при обработке 
силумина 390: а - абразивный износ уголков сверла;  
б - адгезионно-усталостный износ режущей кромки 

В недавнем прошлом проблема износа решалась путем использования относительно небольших скоростей резания и частой сменой инструмента. Как было показано выше, ни то, ни другое неприемлемо в современном автоматизированном производстве, так как не позволяет достичь экономии процесса, заложенной в возможностях системы сверления. 
Для решения проблемы были разработаны сверла с напайными пластинами из поликристаллического алмаза (polycrystalline diamond – PCD) 
по аналогии с конструкциями быстрорежущих сверл, оснащенных напайными твёрдосплавными пластинами, применяемыми в прошлом. В таких 
сверлах (рис. 2, а) PCD-пластины напаивают на периферийных участках 
режущих кромок, что позволило решить проблему с повышенным абразивным износом этих участков (см. рис. 1, а) при обработке высококремниевых силуминов. В настоящее время такая конструкция сверл является 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 8. Ч. 2 

6 

основной в автомобильной промышленности практически во всех странах 
мира. Инструментальные компании Guhring, Mapal, Sumitomo, Ingersoll, 
Kennametal – ведущие производители такого инструмента. 
Проблемы 
со 
сверлами, 
оснащенными 
напаянными 
PCDпластинами, стали провялятся при переходе к высокооборотным шпинделям (с частотой вращения n≥ 25 000 мин-1), то есть при высоких скоростях 
резания. Рис. 2, б показывает сущность проблемы, которая заключается в 
выкрашивании PCD-слоя. Исследования автора показали, что существуют 
две причины для такого выкрашивания. 
 

а 
 

 

б 
 Рис. 2. Сверло с напаянными пластинками (а); типичный результат 
его применения при высокосортном сверлении силумина SAE390 (б) 
 
Первая и главная заключается в наличии зазора между слоем PCD и 
боковой стороной гнезда под пластину. Как известно [1], PCD-пластина 
состоит из двух слоев, а именно твердосплавной подложки-основания и 
слоя PCD. Это связано с процессом синтеза PCD-слоя. В танталовой капсуле, синтезированный и очищенный PCD-порошок насыпается равномерным слоем сверху твердосплавного диска-подложки и к нему прикладываются высокое давление и температура. Синтез осуществляется путем 
инфильтрации кобальта из твердого сплава в PCD-порошок. При этом кобальт служит катализатором развития прочных SP3-связей между зернами 
PCD, которые и обеспечивают высокую твердость этого инструментального материала. При впайке PCD-пластины в гнездо в твердосплавном кор
Слой PCD

Твердосплавная подложка 

Резание материалов и проектирование специального инструмента 

7 

пусе сверла, слой припоя располагается между твердосплавной подложкой 
и корпусом, в то время как зазор между корпусом и слоем PCD остается 
незаполненным, потому что этот слой, не смачивается припоем при пайке 
в силу свойств PCD. При высоких скоростях резания температура матричного алюминия резко повышается, что приводит к его экструдированию в 
этот зазор. Экструдированный алюминий, обладающий высокой прочностью из-за его деформационного упрочнения, действует, как клин, что и 
приводит о выкрашиванию твердосплавного слоя, как показано на  
рис. 2, б. 
Второй важной причиной является то, что при высоких скоростях 
резания стойкость твердосплавной части сверла оказывается существенно 
ниже стойкости периферийных PCD-пластин. Кроме того, наросты алюминия на передних поверхностях перемычки и твердосплавных участков 
главных режущих кромок приводят к радиальным вибрациям, что ухудшает качество обработанных отверстий (точность и шероховатость) и выкрашивает PCD-пластины. 
Учитывая вышесказанное, разработка конструкции PCD-сверла для 
эффективного высокоскоростного сверления заэвтектоидных силуминов и 
им подобных сплавов является важной задачей.  
Разработка конструкции сверла. Главным фактором, сделавшим 
возможным разработку сверла с цельной PCD-головкой, является разработка и появление на рынке круглых PCD-заготовок с длиной PCD-слоя 
белее пяти миллиметров. Это стало возможным благодаря новым технологиям/методам синтеза PCD, согласно которым образования SP3-связей 
осуществляется не только инфильтрацией кобальта из твердосплавной 
подложки, но и в основном за счет порошкового кобальта, смешанного с 
кристаллами PCD до высокотемпературного синтеза, осуществляемого при 
сверхвысоких давлениях. В разработанном сверле использована круглая 
PCD-заготовка с твердосплавной подложкой, производимой опытными сериями компанией Element 6. 
На первом этапе была разработана технология производства сверл 
новой конструкции, состоящая из следующих операций: 
1. Отделение твердосплавной подложки от PCD-слоя путем электроэрозионной проволочной отрезки. 
2. Подготовка твердосплавного корпуса-хвостовика сверла: отрезка 
и наружное шлифование в заданный размер. 
3. Вакуумная пайка PCD-головки к корпусу сверла. Операция осуществлялась в двухкамерной вакуумной печи с использованием пастообразного припоя-флюса. 
4. Предварительная обработка стружечных канавок и задних поверхностей. Эта операция осуществлялась на электроэрозионном проволочном станке Vollmer QWD760H, оснащенном системой ЧПУ и шпинде
Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 8. Ч. 2 

8 

лем с управляемой Е-осью для обработки трехмерных «скульптурных» поверхностей на PCD. 
5. Чистовая обработка задних поверхностей и стружечных канавок. 
Осуществлялась на станке MX5 фирмы ANCA. Высокая точность обработки обеспечивалась адаптивной системой управления люнетом вдоль Р-оси. 
Контроль точности обработки осуществлялся непосредственно на станке 
встроенной системой iView путем наложения реального (затачиваемого) и 
dfx образа (задаваемого трехмерным чертежом) контуров инструмента. 
6. Контроль качества изготовления. В контексте данного проекта, 
контроль качества сверла - это процесс определения соответствия качества 
изготовленного сверла требованиям, определенным его чертежом. Контроль качества осуществлялся на двух уровнях: 
• контроль макрогеометрии включал контроль размеров и параметров геометрии сверла (задние и передние углы, размеры и ориентация 
плоскостей заточки) осуществлялся на измерительной машине ZOLLER 
«genius 3»; 
• контроль микрогеометрии включал измерение параметров режущих кромок сверла (главных, перемычки и вспомогательных на ленточках) 
на измерительной машине EdgeMasterX (Alicona), оснащенной системой 
«Бесконечный фокус» (цифровое «сшивание» большого количества параллельных имиджей для получения четкого, в т.ч. трехмерного, изображения 
исследуемого объекта при большом увеличении, что физически невозможно для оптического микроскопа). При этом измерялись радиусы режущих 
кромок и оценивалось наличие микродефектов межкристальных SP3 интерфейсных связей между алмазными зернами (на нанометрическом уровне) контактных поверхностей по задним и передним поверхностям. Параллельно на этой же машине измерялась шероховатость (параметры  
R (a) и R (z)) контактных поверхностей сверла в направлениях схода 
стружки. 
Балансировка сверла в сборе с термоусадочным балансируемым патроном. Силы, возникающие благодаря несбалансированным массам при 
n=1000 мин-1, возрастают в 100 раз при n=10 000 мин-1 и в 400 раз при n=20 
000 мин-1. Поэтому динамическая балансировка моноблочного инструмента является необходимостью. Балансировка проводилась на балансировочной машине TD 2010 Automatic, HAIMER согласно требованиям стандарта 
ISO 1940-1 (2003) до уровня 2,5G, что составило остаточный дисбаланс 
1,19 г·мм. 
Второй этап – разработка конструкции и геометрии инструмента. 
Разработка конструкции и геометрии сверла осуществлялась по методологии, разработанной автором для высокопроизводительных сверл (highpenetration rate (HP) drills©) [1]. Геометрия и конструкция разработанного 
сверла показана на рис. 3. 

Резание материалов и проектирование специального инструмента 

9 

 

Рис. 3. Геометрия и конструкция разработанного сверла 

Их основными особенностями являются: 
1. Вспомогательные ленточки, расположенные на вершинах затылков – боковых поверхностей стружечных канавок). Это обеспечивает высокую устойчивость сверла при врезании, что позволяет отказаться от 
уменьшения подачи при врезании, как в случае с твердосплавным сверлом. 
Высокая устойчивость сверла позволяет свести к минимуму образование 
заусенцев при выходе сверла. 
2. Разделенная конструкция передней поверхности поперечной режущей кромки (split-point design) с нулевым передним углом перемычки. В 
литературе при описании условия работы поперечной режущей кромки 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 8. Ч. 2 

10 

часто приводится цитата из учебного пособия [5]: «Из-за наличия большого угла резания поперечная кромка не режет, а скоблит и выдавливает материал. Опытами установлено, что около 65 % усилия подачи и 15 % крутящего момента приходится на поперечную режущую кромку». По мнению авторов, это справедливо только тогда, когда сверло спроектировано 
неверно, результатом чего являются большие (до 80о) отрицательные передние углы поперечного лезвия. Естественно, что при этом поперечная 
кромка не режет, а выдавливает обрабатываемый материал. Передний угол 
на обоих участках поперечной режущей кромки в правильно спроектированном сверле должен быть примерно нулевым. Нулевой передний угол 
поперечной режущей кромки в разработанном сверле позволяет на 50 % 
снизить усилие подачи, что является существенным фактором в применении HP drills. 
3. Две стратегически расположенные переходные поверхности между передней поверхностью поперечной режущей кромки и стружечной 
канавкой. Это существенно улучшает условия отвода стружки с передней 
поверхности поперечной режущей кромки в стружечную канавку при 
обеспечении (используя МКЭ моделирование) условия непересечения потоков стружки с передних поверхностий поперечной и главной режущих 
кромок. 
4. S-образная форма поперечной режущей кромки для устранения 
острых углов и для плавного перехода участков поперечной режущей 
кромки в главные режущие кромки. Это обеспечивает высокую устойчивость сверла к скалываниям при наличии твердых включений в заготовке. 
5. Система допусков на конструктивные и геометрические элементы сверла впервые примененная на чертеже сверла. Уникальная система 
допусков на сверло включает допуски на: комбинированное отклонение 
(угловое и линейное) главных режущих кромок от номинального расположения (lip height variation) в основной плоскости (ISO 3002 – reference 
plane); комбинированное отклонение (угловое и линейное) главных режущих кромок от номинального расположения (flute spacing) в обобщенной 
продольной секущей плоскости (ISO 3002 – back plane); отклонение оси 
сердцевины сверла от оси базы (web symmetry) в обобщенной поперечной 
секущей плоскости (ISO 3002 – working plane); центральности поперечной 
режущей кромки (chisel edge centrality) в обобщенной продольной секущей 
плоскости (ISO 3002 – back plane). 
Условия и результаты испытаний. Стойкостные испытания разработанного сверла проводились в производственных условиях по нескольким очевидным причинам. Первой причиной явилось наличие современного многофункционально обрабатывающего центра Comau с контроллером Siemens с визуальным контролем осевой силы и крутящего момента 
сверления при обработке как одного отверстия, так и динамического изме