Главная
АИ #23 (102)
Статьи журнала АИ #23 (102)
Влияние применения покрытий на режущий инструмент, используемый для обработки де...

Влияние применения покрытий на режущий инструмент, используемый для обработки деталей НГО

Рубрика

Машиностроение

Ключевые слова

режущий инструмент
покрытие
НГО
корпус штуцера

Аннотация статьи

В статье рассматриваются применение различных покрытий на пластинах режущего инструмента и влияние этих покрытий на улучшение свойств режущего инструмента.

Текст статьи

Основной задачей при обработке продукции нефтегазовой отрасли (НГО) является повышения стойкости и износостойкости режущего инструмента с целью снижения расхода инструмента, увеличения производительности и как следствие снижения себестоимости производимой продукции.

Снизить расход инструмента можно путем применения специальных способов улучшения режущих свойств инструмента. Основным направлением повышения износостойкости инструментальных материалов при сохранении их прочности является разработка и изучение новых технологических методов создания износостойких покрытий, прежде всего, тугоплавких, то есть покрытий на основе металлоподобных и неметаллических соединений типа карбидов, нитридов и оксидов пленок высокопрочных материалов.

Режущий инструмент для обработки корпуса штуцера (рисунок 1) должен удовлетворять следующим требованиям:

  • обеспечение высоких и стабильных режущих характеристик;
  • удовлетворительное формирование и отвод стружки;
  • обеспечение заданных условий по точности обработки;
  • универсальность применения для типовых обрабатываемых поверхностей различных деталей на разных моделях станков;
  • быстросменность при переналадке на другую обрабатываемую деталь или замене затупившегося инструмента.

Рис. 1. «Штуцер НГО» в сборе

В качестве материалов для изготовления лезвийного инструмента используются: твердые сплавы, керамика, сверхтвердые синтетические материалы и быстрорежущие стали.

Твердые сплавы подразделяются на четыре группы: вольфрамовые, титановольфрамовые, титанотанталововольфрамовые и безвольфрамовые. Они различаются по химическому составу, физико-механическим и эксплуатационным свойствам.

С целью повышения универсальности применения твердых сплавов, усовершенствования их состава и свойств проводится за счет дополнительного их легирования карбидами титана, тантала, гафния, повышающими тепло- и износостойкость сплавов. Легирование твердых сплавов рутением повышает их стойкость к ударным нагрузкам и улучшает вязкость. Применение этих сплавов при фрезеровании корпуса позволяет повысить стойкость инструмента в 3 раза даже без применения износостойких покрытий.

Основным направлением повышения работоспособности твердых сплавов является нанесение на них износостойких покрытий. Применение износостойких покрытий повышает стойкость инструмента по сравнению с непокрытым инструментом в 3-4 раза.

В настоящее время наибольшее распространение нашли следующие методы нанесения покрытий:

  • химическое осаждение из паровой фазы;
  • конденсация из паровой фазы;
  • термодиффузионный;
  • ионное легирование;
  • ионное насыщение;
  • вакуумный ионно-плазменный.

Покрытия характеризуются высокой твердостью HV4000 и адгезионной прочностью. Чистота поверхности инструмента с износостойким покрытием не ухудшается. Наиболее стабильные результаты повышения стойкости режущего инструмента и оснастки получены при нанесении на их поверхности покрытий на основе нитрида титана. Существенное значение в технологическом процессе нанесения покрытия имеет конденсация его на неподвижную или вращающуюся подложку. При одинаковом времени конденсации, в последнем случае получается равномерное покрытие по всем рабочим поверхностям, но в два раза меньше по толщине по сравнению с осаждением на неподвижную подложку. Весь цикл напыления (загрузка инструмента, откачка вакуумной камеры, полная очистка, напыление, выгрузка) занимает 30-40 мин.

 В качестве покрытий применяют в основном карбид титана толщиной 5-6 мм, наносимый газофазным методом, и нитрид титана, наносимый плазменно-вакуумным методом.

Керамические пластины для режущего инструмента изготавливают прессованием и спеканием из составных элементов. Белая или оксидная керамика состоит из 99 % оксида алюминия (Al2O3) и не содержит связующего материала. Высокая твердость основы и ее тугоплавкость предопределяет хорошие режущие свойства керамики, однако изгибная прочность оксидной керамики находится на низком уровне (250-350 Н/мм2). Прочность керамики увеличивают добавлением карбидов металлов, в частности карбида титана (так называемая черная керамика). При этом прочность на изгиб увеличивается до 700-750 Н/мм2.

В настоящее время используются оба вида керамического режущего инструмента. Наиболее широко применяют марки оксидно-карбидной керамики В-3 ВОК-60 по ГОСТ 25003-81 и ВО-13 по ТУ 48-19-411-87. Основная область применения этих марок - чистовое и получистовое точение закаленных сталей. Возможна обработка конструкционных, легированных и быстрорежущих сталей. При обработке сталей скорость резания 200-250 м/мин.

Спиральные сверла, круглые плашки, ручные метчики, фасонные фрезы изготавливают в основном из сталей нормальной производительности типа Р6М5 и Р2М8, часть инструмента изготавливают только из быстрорежущей стали повышенной производительности типа Р6М5К (содержание кобальта 5-10%). Это концевые фрезы, зенкеры, зенковки и спиральные сверла для труднообрабатываемых материалов.

В последние годы расширилось применение покрытий инструмента из быстрорежущей стали нитридом титана в целях повышения стойкости.

Рекомендуется следующая номенклатура быстрорежущего инструмента с покрытием: сверла спиральные с цилиндрическим хвостовиком диаметром 2-16мм, сверла спиральные с коническим хвостовиком диаметром до 16 мм и длиной до 220мм, концевые фрезы (в том числе торцево-цилиндрические насадные), конические зенковки, метчики всех видов.

Отработаны следующие рекомендации по эксплуатации инструмента с покрытием:

  • наибольшему износу должна подвергаться та поверхность инструмента, которая не перетачивается после затупления;
  • ленточка износа по задней поверхности инструмента, которая не перетачивается обычно как критерий затупления;
  • даже инструмент с остро заточенными зубьями следует перетачивать только по одной поверхности, в основном по передней так, чтобы на задней поверхности покрытие осталось;
  • поскольку различие в стойкости покрытого и непокрытого инструментов возрастает с повышением скорости резания, следует работать на более высоких скоростях резания для повышения производительности труда и увеличения суммарного числа деталей, обработанных одним инструментом (рисунок 2).

а)

б)

Рис. 2. Твердосплавные пластины с покрытием TiCN-Al203-TiN после продольного точения деталей из конструкционной стали (НВ 300) при v=300м/мин, s=0,4мм/об, t=3мм: а) – стандартное покрытие; б) – покрытие после полировки

Таким образом, нанесение износостойких покрытий на режущий инструмент является комплексной задачей. Отвечая ряду требований, покрытие в конечном счете должно характеризоваться высокой износостойкостью. Следовательно, оно должно обладать высокими термической стойкостью, механическими свойствами и прочностью сцепления с инструментальной основой. Выбор покрытия осуществляется в зависимости от типа обрабатываемого материала и области его применения. Любое покрытие должно обладать максимальной инертностью к обрабатываемому материалу, поэтому необходимо учитывать тип химической связи материала покрытия.

Основной предпосылкой для эффективного применения инструмента с покрытием при производстве деталей НГО является возможность реализации оптимальных высоких и сверхвысоких скоростей. Резкое увеличение скорости резания при прочих равных условиях обеспечивает соответствующее увеличение минутной подачи инструмента, т.е. производительности процесса, а также уменьшению силы резания, наклепа и шероховатости обработанной поверхности, т.е. увеличение точности и качества обработки. Установлено, что при увеличении скорости резания (в определенных пределах) возрастает надежность работы инструмента с покрытием.

Список литературы

  1. Андреев, А.А. Вакуумно-дуговые устройства и покрытия: монография / А.А. Андреев, Л.П. Саблев, В.М. Шулаев, С.Н. Григорьев // Харьков: ННЦ ХФТИ, 2005. – 236 с.
  2. Андриевский, Р.А. Наноструктурные материалы / Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля // М: Издательский центр «Академия», 2005. –192с.
  3. Анциферов, В. П. Порошковая металлургия и напыленные покрытия: учебник для вузов / В. Н. Анциферов, Г. В. Бобров, Л. К. Дружинин // М.: Металлургия, 1987. 792 с.
  4. Балков, В.В. Износостойкие покрытия режущего инструмента: состояние и тенденции развития / В.В. Балков, В.С. Башков // Вестник машиностроения. – 1999. – № 1 – С. 31-33.
  5. Беляев, С.К. Инструмент для современных технологий / С.К. Беляев, Г.В. Боровский, М.А. Волосова, С.Н. Григорьев, А.Р. Маслов, С.У. Молодык, А.Б. Якушева // Справочник. Под общ. ред. А.Р. Маслова. – М.: Изд-во ИТО, 2005. -248 с.
  6. Верещака, А.С. Методология создания функциональных покрытий для режущего инструмента / А.С. Верещака, А.А. Верещака // Современные технологии машиностроения: Сб. научн. статей. ISBN 978-966-384-059-8. – НТУ «ХПИ», 2007. C.192-235.
  7. Верещака, А. С. Многослойные наноструктурированные покрытия для режущего инструмента / А. С. Верещака, А. А. Верещака, Г. Ю. Савушкин, А. С. Сивенков // Изд-во: Перспективные материалы №5, 2014. – С. 39-48.

Поделиться

911

Попов К. А. Влияние применения покрытий на режущий инструмент, используемый для обработки деталей НГО // Актуальные исследования. 2022. №23 (102). С. 13-16. URL: https://apni.ru/article/4257-vliyanie-primeneniya-pokritij-na-rezhushchij

Похожие статьи

Актуальные исследования

#31 (213)

Прием материалов

27 июля - 2 августа

осталось 7 дней

Размещение PDF-версии журнала

7 августа

Размещение электронной версии статьи

сразу после оплаты

Рассылка печатных экземпляров

20 августа