Том 24 № 3 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Пермяков Г.Л., Давлятшин Р.П., Беленький В.Я., Трушников Д.Н., Варушкин С.В., Шеньон П. Численный анализ процесса электронно-лучевой аддитивной наплавки с вертикальной подачей проволочного материала.......................................................................................................................................... 6 Ильиных А.С., Банул В.В., Воронцов Д.С. Теоретический анализ способов пассивного шлифования рельсов................................................................................................................................................................ 22 Чинчаникар С. Моделирование характеристик износа при скольжении композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), армированного углеродным волокном, в паре трения с SS304 (12Х18Н10Т)......................................................................................................................................... 40 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Аббасов В.А., Баширов Р.Дж. Особенности применения ультразвука при плазменно-механической обработке деталей из труднообрабатываемых материалов........................................................................... 53 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Столяров В.В., Андреев В.А., Карелин Р.Д., Угурчиев У.Х., Черкасов В.В., Комаров В.С., Юсупов В.С. Деформационная способность сплава с памятью формы TiNiHf при прокатке с импульсным током........................................................................................................................................................... 66 Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. Микроструктура и остаточные напряжения многослойных покрытий ZrN/CrN, полученных плазменно-ассистированным вакуумно-дуговым методом............................................................................................................................................................... 76 Иванов И.В., Сафарова Д.Э., Батаева З.Б., Батаев И.А. Сравнение подходов, основанных на методе Вильямсона-Холла, для анализа структуры высокоэнтропийного сплава Al0,3CoCrFeNi после холодной пластической деформациий.............................................................................................................................. 90 Крюков Д.Б. Структурные особенности и технология получения легких броневых композиционных материалов с механизмом локализации хрупких трещин.............................................................................. 103 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 112 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 123 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 05.09.2022. Выход в свет 15.09.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 15,5. Уч.-изд. л. 28,83. Изд. № 137. Заказ 233. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 3 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 24 No. 3 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Permyakov G.L., Davlyatshin R.P., Belenkiy V.Y., Trushnikov D.N., Varushkin S.V., Pang S. Numerical analysis of the process of electron beam additive deposition with vertical feed of wire material...................... 6 Ilinykh A.S., Banul V.V., Vorontsov D.S. Theoretical analysis of passive rail grinding.................................. 22 Chinchanikar S. Modeling of sliding wear characteristics of Polytetrafl uoroethylene (PTFE) composite reinforced with carbon fi ber against SS304........................................................................................................ 40 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Abbasov V.A., Bashirov R.J. Features of ultrasound application in plasma-mechanical processing of parts made of hard-to-process materials...................................................................................................................... 53 MATERIAL SCIENCE Stolyarov V.V., Andreev V.A., Karelin R.D., Ugurchiev U.Kh., Cherkasov V.V., Komarov V.S., Yusupov V.S. Deformability of TiNiHf shape memory alloy under rolling with pulsed current....................... 66 Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. Microstructure and residual stresses of ZrN/CrN multilayer coatings formed by the plasma-assisted vacuum-arc method........................................................................... 76 Ivanov I.V., Safarova D.E., Bataeva Z.B., Bataev I.A. Comparison of approaches based on the WilliamsonHall method for analyzing the structure of an Al0.3CoCrFeNi high-entropy alloy after cold deformation....... 90 Kryukov D.B. Structural features and technology of light armor composite materials with mechanism of brittle cracks localization.......................................................................................................................... 103 EDITORIALMATERIALS 112 FOUNDERS MATERIALS 123 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 53 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Особенности применения ультразвука при плазменно-механической обработке деталей из труднообрабатываемых материалов Вагиф Аббасов a , Расим Баширов b, * Азербайджанский технический университет, пр. Гусейн Джавида, 25, г. Баку, AZ 1073, Азербайджан a https://orcid.org/0000-0002-4633-6728, abbasov49@aztu.edu.az, b https://orcid.org/0000-0001-6907-2502, rasim_agma@aztu.edu.az Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 3 с. 53–65 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-53-65 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.793.71 История статьи: Поступила: 06 апреля 2022 Рецензирование: 19 апреля 2022 Принята к печати: 27 июня 2022 Доступно онлайн: 15 сентября 2022 Ключевые слова: Труднообрабатываемые материалы Плазматронодержатель Коэффициент обрабатываемости Ультразвуковой резец Устройства для ультразвукового точения Плазменно-механическая обработка Плазменно-ультразвуковая обработка Износ резца Колебательная деформация стружки АННОТАЦИЯ Введение. Конструкционные материалы, в том числе материалы из жаропрочных и труднообрабатываемых сталей, широко применяются в различных отраслях машиностроения. Для повышения эффективности изготовления деталей термического оборудования из жаропрочных и труднообрабатываемых сталей применяется технологический метод резания с предварительным плазменным подогревом заготовки. Существует также технологический метод резания металлов, в том числе труднообрабатываемых ультразвуковым точением. Исходя из этого для повышения эффективности плазменной механической обработки труднообрабатываемых материалов необходимо исследовать технологические возможности применения ультразвукового точения при плазменной механической обработке. Цель работы: исследовать износ режущих инструментов при применении ультразвука в условиях плазменно-механической обработки деталей из труднообрабатываемых материалов. В работе исследованы: особенности процесса плазменно-механической обработки в условиях ультразвукового резания и определены величины износа твердосплавных резцов ВК8, Т5К10 и Т15К6 при обработке сталей марок 20Х13Н18 и 20Х25Н20С2Л, а также определены износ указанных резцов в условиях обычного точения этих же материалов для сопоставления результатов износа резцов в различных условиях обработки. Методом исследования является определение линейного износа твердосплавных резцов по задней поверхности при обычной, плазменно-механической и плазменно-механической обработке с применением ультразвукового резания. Линейный износ резцов был измерен инструментальным микроскопом и визуально обследован лупой с десятикратным увеличением. Результаты и обсуждение. В статье приводятся результаты экспериментальных исследований по определению износа режущих инструментов при обработке жаропрочных сталей марки 20Х13Н18 и 20Х25Н20С2Л твердосплавными резцами марки ВК8, Т5К10 и Т15К6. Проводились исследования по определению износа твердосплавных резцов как при обычном механическом резании, плазменно-механическим резании, а также плазменно-механическом резании с применением ультразвука. Эксперименты проводились при точении указанных материалов на модернизированном токарном станке мод.1А64. К токарному станку подключен выпрямитель с управляемым дросселем и плазмотрон мод. АПР-403, на суппорте станка размещен плазмодержатель. В качестве источника питания сжатой электрической дуги служит полупроводниковый выпрямитель. Электронная дуга горит между катодом (плазмотроном) и анодом (заготовкой) в точке плазмообразующего газа, сжатый воздух проходит через канал сопла плазмотрона. При проведении экспериментов положение плазмотрона регулировалось по отношению оси вращения детали. При проведении опытов по изучению износа резцов в условиях ультразвукового плазменно-механического резания ультразвук подавался на режущую кромку с помощью устройства, разработанного авторами. При обработке жаропрочных сталей в обычных условиях точения режимы обработки были следующими: скорость резания V = 10 м/мин, глубина резания t = 3…4 мм, продольная подача Sпр = 0,31 мм/об. Установлено, что при обработке сталей марки 20Х13Н18 при таких условиях задняя поверхность твердосплавного резца Т5К10 изнашивается до величины 1 мм в течение 10 мин, а твердосплавного резца ВК8 – в течение 15 мин. При плазменной механической обработке в 2 раза увеличены скорость резания и величина подачи, при этом Т5К10 изнашивается до 1 мм в течение 20 мин, ВК8 – 25 мин. Плазменномеханическая обработка с применением ультразвука показала, что твердосплавный резец Т5К10 за 50 мин резания изнашивается на величину 0,50 мм, а ВК8 – 0,35 мм. Такие же результаты получены при обработке жаропрочной стали 20Х25Н20С2Л. Таким образом, исследование износа твердосплавных резцов при обработке жаропрочных сталей показали, что использование ультразвукового резания при плазменно-механической обработке сталей может значительно снизить величину износа инструмента. Представленные результаты подтверждают перспективность применения ультразвукового плазменно-механического резания жаропрочных сталей лезвийными инструментами. Для цитирования: Аббасов В.А., Баширов Р.Дж. Особенности применения ультразвука при плазменно-механической обработке деталей из труднообрабатываемых материалов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 3. – С. 53–65. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-53-65. ______ *Адрес для переписки Баширов Расим Джавад оглы, д.т.н., профессор Азербайджанский технический университет, пр. Гусейн Джавида, 25, AZ 1073, г. Баку, Азербайджан Тел.: +994 (50) 212 22 73, e-mail: rasim_agma@aztu.edu.az
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 54 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Введение В машиностроении широко применяются различные труднообрабатываемые материалы для изготовления деталей и конструктивных элементов оборудования электрохимического, химического и других производств. Применение труднообрабатываемых и жаропрочных сталей для изготовления термического оборудования затруднено тем, что эти материалы плохо подвергаются механическому резанию лезвийными инструментами. В связи с этим на производстве электротермического оборудования делаются попытки повышения эффективности обработки жаропрочных и труднообрабатываемых материалов путем применения различных комбинированных методов снятия стружки, одним из которых является резание с плазменным нагревом заготовки перед обработкой. Обработка резанием жаропрочных сталей с плазменным нагревом представляет собой комбинированный процесс, при котором механическая энергия вместе с энергией низкотемпературной плазмы используется для увеличения производительности обработки и снижения расхода режущего инструмента при резании этих материалов. Существуют различные методы плазменного нагрева заготовки в процессе механической обработки [1–6]. В этих и других работах приводятся данные о производительности плазменно-механического точения, фрезерования и т.д. Установлено, что плазменный нагрев улучшает обрабатываемость материалов в тех случаях резания, когда увеличение стойкости инструмента вследствие снижения удельной работы резания больше, чем отрицательное воздействие повышенных температур на увеличение интенсивности явлений схватывания и износа инструмента. Как известно, износ режущего инструмента является интегрированным процессом, сопровождаемым сложными и взаимовлияющими явлениями в местах контакта инструмента со стружкой и обрабатываемой заготовкой, протекающими в условиях высоких температур и давлений. Поэтому рекомендуют использовать режущие инструменты с внутренним охлаждением при плазменно-механической обработке. Анализ [7–20] научно-исследовательских работ показал, что вопросу определения взаимосвязи между износом режущего инструмента и параметрами процесса плазменно-механической обработки труднообрабатываемых материалов уделено недостаточное внимание. Кроме того, среди имеющихся научно-исследовательских работ отсутствуют работы, посвященные применению ультразвуковых колебаний при комбинации плазменно-механической обработки труднообрабатываемых материалов. Поэтому были поставлены задачи исследовать процесс и износ режущего инструмента при ультразвуковой плазменно-механической обработке труднообрабатываемых материалов. Труднообрабатываемые материалы обладают целым рядом таких специфических физико-химико-механических свойств, как высокая прочность, жаропрочность, жаростойкость, вязкость, коррозионно-стойкость, тугоплавкость и т. д. Труднообрабатываемые материалы имеют сложную карбидообразующую структуру. Одним из труднообрабатываемых материалов являются жаропрочные стали и сплавы, которые по своему основному составу подразделяются на жаропрочные стали на основе железа, никеля, кобальта и титана. Эти стали и сплавы часто применяются в производстве деталей электротермического оборудования. Жаропрочные стали на основе железа, никеля, кобальта и титана трудно поддаются обычному резанию лезвийным инструментом, т. е. точению, фрезерованию, в связи с рядом специфических особенностей, в частности: – зависимостью повышения упрочнения жаропрочных сталей в процессе деформации при резании от строения кристаллической решетки этих материалов, которая определяет число возможных направлений скольжения при пластической деформации в процессе резания. Например, кристаллы сталей ферритно-перлитной группы имеют решетку объемно-центрированного куба с восемью возможными направлениями скольжения, кристаллы сталей аустенитного класса – форму гранецентрированного куба с девятнадцатью возможными направлениями скольжения [1]; – высокой пластичностью жаропрочных сталей, благодаря которой при их точении наблюдается повышение микротвердости в зоне образования стружки, что усложняет процесс разделения материалов на передней поверхности режущего лезвия;
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 55 EQUIPMENT. INSTRUMENTS – низкой теплопроводностью жаропрочных сталей, которая приводит к повышению температуры на контактных поверхностях при резании, вызывающее рост интенсивности явлений адгезии и диффузии и, как следствие, разрушение режущей части инструмента; – способностью этих материалов сохранять исходную прочность и твердость при повышенных температурах, возникающих в зоне деформации и схода стружки при резании, что приводит к весьма высокому удельному давлению в месте контакта материала с инструментом в процессе резания; – повышенной истирающей способностью этих сталей, обусловленной наличием в них, кроме фазы твердого раствора, так называемой второй фазы, образующей интерметалидные или карбидные включения, которые приводят к повышению износа инструмента при обработке; – малой виброустойчивостью при движении резания, обусловленной высокой упрочняемостью этих материалов при неравномерности протекания процесса их пластического деформирования. Указанные выше и иные проблемы, связанные со специфическими характеристиками жаропрочных сталей, требуют создания новых технологических решений, позволяющих улучшить обрабатываемость этих материалов. Методика исследований Одним из методов улучшения обрабатываемости жаропрочных сталей и сплавов является плазменно-механическая обработка. При плазменно-механической обработке жаропрочных сталей лезвийным инструментом нагрев заготовки осуществляется плазменной дугой. Нагрев заготовки из жаропрочных сталей улучшает обрабатываемость лезвийным инструментом этих материалов. Использование в процессе резания предварительного нагрева позволяет увеличивать разницу между контактной твердостью инструмента и твердостью обрабатываемого материала, что приводит к увеличению стойкости лезвийного инструмента. При предварительном нагреве заготовок из жаропрочных материалов при механическом резании лезвийным инструментом происходит большее разупрочнение обрабатываемого материала, чем разупрочнение рабочих поверхностей режущего инструмента. Проведенные эксперименты показали, что при плазменной механической обработке высокая концентрация тепла в небольшом объеме позволяет хорошо управлять процессом нагрева, добиваясь достаточной стабильности; наиболее целесообразно применять плазменный нагрев при резании труднообрабатываемых материалов, имеющих низкий коэффициент обрабатываемости. Установлено, что эффективность процесса плазменного нагрева тем выше, чем ниже коэффициент обрабатываемости жаропрочных материалов; следует отметить, что при плазменно-механической обработке для эффективного резания металла необходимо прогревать слой заготовки на глубину резания и величину подачи до оптимальной температуры резания, которая складывается из температуры предварительного нагрева и температуры, возникающей вследствие стружкообразования. Следовательно, режим плазменного нагрева следует определять в зависимости от состава и физико-механических параметров обрабатываемого жаропрочного материала [3, 4, 6–8]. При плазменно-механической обработке увеличение температуры нагрева заготовки изменяет физико-химические и механические свойства не только обрабатываемого материала, но и материала инструмента. Установлено [1–5], что при повышении температуры нагрева поверхности трения, с одной стороны, увеличивается пластичность обрабатываемого материала, с другой – возрастает степень пластической деформации стружки. Локальный нагрев поверхностных слоев обрабатываемого материала, происходящий при соприкосновении с плазменной дугой, вызывает в заготовке температурное поле высокой степени неравномерности, что приводит к появлению крайне неравномерных полей напряжений в обрабатываемом металле. Неравномерность полей напряжений усиливается структурными превращениями, возникающими в части объема нагретого металла, и расплавлением отдельных его участков. Такой механизм воздействия плазменной дуги может привести к микроразрывам и другим нарушениям сплошности в поверхностном слое заготовки и содействовать облегчению деформации стружкообразования при токарной и фрезерной обработке.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 56 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Решающее влияние на характер и интенсивность износа инструмента оказывает соотношение между твердостью материалов заготовки и инструмента в условиях плазменного нагрева. Это соотношение названо коэффициентом устойчивости формы. Проведенные эксперименты позволили установить, что при плазменно-механической обработке жаропрочных материалов устойчивость формы инструментов из твердого сплава значительно выше, чем у других инструментальных материалов. Поэтому эксперименты проводились резцами, оснащенными пластинками из твердых сплавов марок Т15К6, Т5К10, ВК8. Для проведения экспериментов по точению была создана установка на базе токарно-винторезного станка мод. 1А64, на котором размеры обрабатываемой заготовки позволяют исследовать обрабатываемость всех типов цилиндрических деталей, применяемых в производстве электротермического оборудования. Установка состоит из токарно-винторезного станка, источника питания АПР-403 УХЛЧ-2, держателя плазмотрона, непосредственно плазмотрона, воздухопровода для подвода к плазмотрону. Держатель плазмотрона устанавливается на резцедержателе и закрывается кожухом. От источника питания электропроводом ток подведен к детали через токосъемное устройство шпинделя станка. Обрабатываемая заготовка устанавливается в четырехкулачковом патроне и фиксируется задним центром. На резцедержателе установлен резец для ультразвукового точения и резки металлов. Резец для ультразвукового резания закрепляется на резцедержателе станка, образует первую ступень ультразвукового ступенчатого концентратора механических колебаний с пьезоэлектрическим датчиком, установленным на торцевом сечении его свободного конца [5, 6, 9, 10]. Ультразвуковой резец 1 (рис. 1) содержит цилиндрический и конический концентратор 2 и пьезоэлектрический излучатель 3, жестко зажатые отражателем 4 через сквозное отверстие 5 и прижимной болт 6 к свободному концу сечения режущего инструмента, которые образуют вторую ступень ультразвукового ступенчатого концентратора механических колебаний. Плюсовые электроды 7 пьезоэлектрического датчика соединены с входом усилителя 8 напряжения и Рис. 1. Устройство для ультразвукового точения и резки металлов Fig. 1. Device for ultrasonic turning and cutting of metals индикатором, электроды 10 пьезоэлектрического излучателя соединены с выходом генератора 12 переменной частоты и индикатором 11, выход усилителя напряжения соединен с управляющим входом генератора переменной частоты. Один из электродов пьезоэлектрического излучателя электрически изолирован от контактирующей поверхности отражателей прокладкой 13 из диэлектрического материала. Таким образом, устройство для ультразвуковой обработки материалов содержит ступенчатый концентратор ультразвуковых колебаний с переменным профилем, рабочий конец которого выполняет функцию резца, и пьезоэлектрический излучатель в форме шайбы, зажатый между концентратором и отражателем. Работа устройства ультразвукового резания осуществляется следующим образом. В процессе плазменно-механической обработки жаропрочных сталей и сплавов вначале переменное напряжение с выхода генератора 12 с частотой, равной собственной частоте пьезоэлектрического излучателя 3, подводится к его плюсовым электродам 10. Это приводит к возбуждению и появлению на поверхности пьезоэлектрического излучателя (других стоячих волн) ультразвуковых механических колебаний. Механические колебания передаются во вторую ступень 2 концентратора, затем, усиливаясь,
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1