Влияние импульсной лазерной обработки твердосплавных режущих инструментов на эффективность обработки металлов резанием

Введение. Применение различных методов упрочнения режущих инструментов способствует повышению их износостойкости, что в итоге позволяет повысить производительность обработки. Преимуществом импульсной лазерной обработки (ИЛО) по сравнению с другими методами является объемный характер упрочнения, т.е. после переточки инструмента эффект упрочнения сохраняется (рис.1).

Затраты

8-1

Эффективность

МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ

Рис.1. Зависимость затрат и эффективности производства от методов упрочнения режущих инструментов из твердого сплава Т5К10

Метод импульсной лазерной обработки (ИЛО) заключается в том, что короткий импульс лазерного излучения с высокой плотностью мощности (W =108 Вт/см2) направляется на поверх- ность обрабатываемого материала. Материал адиабатически нагревается до температуры в не- сколько десятков тысяч градусов, что приводит к превращению паров материала в плазму. В результате очень быстрого нагрева и испарения поверхностного слоя материала в глубь начинает распространяться ударная или очень упругая волна. Крутизна фронта ударной волны зависит от крутизны переднего фронта лучевого импульса. Прохождение этой ударной волны и обусловливает упрочнение материала.

Были исследованы зависимости для инструментов (рис.1-4), работавших в следующих условиях:

• –    предприятие – ПО «Волгоцеммаш», г.Тольятти;

• -    вид режущего инструмента - токарный проходной резец с напайной пластиной ф =75 ° ;

• –    марка твердого сплава – Т5К10;

• –    оборудование – станок 163;

• –    обрабатываемый материал, твердость – сталь 35ХНЛ, НВ=240-260;

• –    состояние обрабатываемой поверхности – литейная корка;

• –    режимы резания – t =2,0 мм, s =1,0 мм/об, V =80 м/мин.

Согласно методике расчета производственных затрат и эффективности производства была построена гистограмма (рис.1).

Расчет производительности операции производился по формуле [1]:

Q =

Ao T ц

1 ( T np - T ) "

где F_g – годовой действительный фонд работы оборудования; Т – стойкость инструмента;

X - коэффициент времени резания; т _в - вспомогательное время; A _o - постоянная, которая зависит от параметров процесса резания [2]; T _пp – предельное значение стойкости инструмента; т - время простоя оборудования при замене затупившегося инструмента острым.

Так как при работе оборудования имеет место рассеивание износостойкости инструментов и вероятность выхода инструмента из строя вследствие выкрашиваний или поломок, время на замену затупившегося инструмента зависит от вероятности безотказной работы, и поэтому оно состоит из времени на плановую замену инструментов тп и времени, затрачиваемого на аварийную его замену та [3]:

т = тпP ( T ) + та [1 - P ( T )] .

Доказано, что показатель степени ц в формуле Тейлора зависит от рассеивания стойкости, что выражается формулой [4]:

_ C ц ( E 2 K 2 - E 1 K 1 )

^Ц b ln V '

где Cц - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала, рассеивания стойкости и типоразмера инструмента; K1,K2 – коэффициенты, зависящие от объема выборки и рассеивания стойкости; b – коэффициент формы распределения Вейбулла, которое является универсальным законом, описывающим рассеивание стойкости;

E1 = ln (-ln PTmin ) ;   E2 = ln (-lnPTmax ) ;

P_{T min} , P_{T max} – вероятность безотказной работы при наименьшем и наибольшем значениях износостойкости инструментов во всей выборке.

С учетом приведенных выше зависимостей была рассчитана производительность операции при различных видах обработки инструментами, упрочненными ИЛО (рис.2).

Рис.2. Влияние ИЛО на производительность операции: 1 – инструменты без упрочнения; 2 – упрочненные инструменты

Анализ графических зависимостей производительности от стойкости показал наличие явно выраженного экстремума, характеризующего оптимальное значение стойкости инструментов. Следует отметить, что для инструментов, упрочняемых ИЛО, наблюдалось увеличение оптимальной стойкости T_Q в 1,8-2,5 раза.

Применение импульсной лазерной обработки способствует также увеличению числа переточек инструментов. Вместе с повышением стойкости инструментов это ведет к уменьшению инструментальных расходов (рис.3), которые определяются по формуле [1]:

1 - 1

Т ц

5 = S t A o---------1- X ,

(Tnp — T )ц где ST – затраты по инструменту за период его стойкости.

Рис.3. Влияние ИЛО на инструментальные расходы:

1 – инструменты без упрочнения; 2 – упрочненные инструменты

Определение оптимальной стойкости по критерию наименьших инструментальных затрат производилось по формуле [1]:

Тс =

ц-1 т

Т пр ,

ц

а для инструментов, упрочненных ИЛО:

гр _ ^Ц У ¹ гр ТСУ = Т пр .

Ц у

После преобразования получаем:

Т СУ =

( Ц у ~ 1) ц Т ( ц- 1 ) ц у ^С

Используя рекомендации, данные в работе [4] рассчитаны значения ц и ц _у по формуле (3) для токарных проходных резцов с напайной пластиной ф = 75 ° . На основании этих расчетов получаем ц = 1,2 и ц _у = 1,4 , а соотношение между Т_С и Т_СУ :

Т су = 1,7 Т с .                                        (8)

Таким образом, за счет упрочнения ИЛО и снижения рассеивания стойкости, которое имеет место при этом, оптимальная стойкость резцов по критерию наименьших инструментальных затрат повышается в 1,7 раза. Анализ графических зависимостей инструментальных расходов от стойкости показал, что имеет место ярко выраженный экстремум функций для инструментов, упрочненных ИЛО, для этих инструментов прослеживается закономерность повышения производительности и снижения инструментальных затрат.

Вместе с тем для неупрочненных инструментов характерны три зоны (рис.3). Для зоны 1 при сравнительно невысоком значении стойкости инструмента характерно резкое уменьшение инструментальных расходов при увеличении стойкости. В зоне 2 инструментальные расходы изменяются незначительно, что связано с постоянной интенсивностью отказов. В зоне 3 интенсивность увеличения инструментальных расходов резко возрастает. Для инструментов, упрочненных ИЛО, имеет место более выраженный экстремум функции, зона 2 сужается. Это говорит о том, что ИЛО способствует устранению дефектов внутреннего строения инструментального материала. Это положительно сказывается на стойкости инструмента, и интенсивность отказов монотонно увеличивается.

Себестоимость операции рассчитывали по формуле [1]:

Ц

Со =---0---т ЕI 1 + у 1 + St Aо--------т X + Cмат .(9)

( Тпр - Т )Ц                  ( Tnp - T )Ц

На основании полученных результатов была построена зависимость себестоимости операции от стойкости (рис.4).

Рис.4. Влияние ИЛО на себестоимость операции:

1 – инструменты без упрочнения; 2 – упрочненные инструменты

Значение оптимальной стойкости инструмента, упрочненного ИЛО, повышается в 1,5 раза, что также говорит об уменьшении рассеивания стойкости инструментов (рис.4).

Результаты промышленных испытаний на ПО «Волгоцеммаш», г. Тольятти сведены в табл.1.

Таблица 1

Результаты производственных испытаний твердосплавных напайных резцов T5K10

Наличие упрочнения	Период стойкости	Расстояние от главной режущей кромки до кратера, мм	Средняя стойкость Т , шт.	Коэффициент изменения стойкости Т ИЛО / Т исх	Гаммапроцентная стойкость Т γ , шт	Коэффициент изменения гамма-процентной стойкости Т γИЛО / Т γисх	Распределение отказов инструментов, %
							Износ	Выкрашивание	Поломки
Без упрочнения			120		86		32	64	4
ИЛО	1	8	246	2,05	240	2,8	74	24	2
	2	7	218	1,82	190	2,2	72	26	2
	3	6	209	1,74	184	2,14	67	30	3
	4	5	192	1,6	178	2,07	62	34	4
	5	3	160	1,3	140	1,6	54	42	4

Вывод. Применение импульсной лазерной обработки способствует повышению оптимальной стойкости режущих инструментов в 1,4-2,5 раза. Это связано, прежде всего, со снижением вероятности отказов, вызванных абразивным износом режущих инструментов, а значит и с уменьшением доли времени, затрачиваемого на замену инструмента при аварийном выходе его из строя. Кроме того, наблюдается повышение стабильности свойств инструментов после ИЛО, что выражается в уменьшении коэффициента вариации стойкости и увеличении вероятности безотказной работы.