Способ обработки вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента

 

Сущность изобретения: режущую часть вольфрамокобальтого инструмента подвергают многократному воздействию импульсного лазерного излученйя сначала с плотностью энергии 0,8-1,0 Дж/мм2 с числом импульсов 5-10, а затем с плотностью энергии 1,0-1,2 Дж/мм2, причем общее число импульсов не превышает 15. 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4864734/02 (22) 10,09.90 (46) 07.08.92. Бюл. М 29 (71) Самарский филиал Физического института им. П.Н,Лебедева (72) С,И,Яресько (56) Электрофизические и электрохимические методы обработки. С6орник,1980, вып.

5, с. 6-9.

Вестник машиностроения, 1982, М 3, с.

61-63.

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к изготовлению режущего инструмента, в частности сборного твердосплавного инструмента, и может быть использовано в инструментальном производстве для повышения его эксплуатационной стойкости.

Известен способ термической обработки твердосплавного инструмента, по которому проводят его объемный нагрев при температуре 750-1200 С, скорость нагрева при этом равна 10-15 град/с. На определение оптимальных условий охлаждения твердого сплава при закалке оказывает влияние выбор среды охлаждения, в качестве которой в данном способе используются воздух, вода, масло. селитра.

Несмотря на наблюдаемое повышение стойкости инструмента, упрочненного по этому способу, в частности матриц из сплава В К8 и В К15, работающих на операциях вытяжки и штамповки, на 15-25, а также режущего инструмента при фрезеровании конструкционных сталей на 25-32 при точении жаропрочных сталей на малых скоростях резания на 25-38, ему присущ ряд недостатков. Во-первых, нагрев до 1000 С и

„„5U, 1752514 А1 (я)5 В 22 F 3/24, С 22 F 3/00 (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОЛЬФРАМОКОБАЛ ЬТОВОГО ТВ ЕРДОСПЛАВНОГО

И Н СТРУМ Е НТА (57) Сущность изобретения. режущую часть вольфрамокобальтого инструмента подвергают многократному воздействию импульсного лазерного излученйя сначала с плотностью энергии 0,8-1,0 Дж/мм с чис2 лом импульсов 5-10, а затем с плотностью энергии 1,0-1,2 Дж/мм, причем общее чис2 ло импульсов не превышает 15, 1 табл, ° выше, когда интенсивно-протекает процесс окисления твердых сплавов," должей пройзводиться в электрованне со специальным составом, обеспечивающим, с одной стороны, протекание в твердом сплаве структурных превращений, способствующих повышению стойкости инструмента, с другой стороны, должна отсутствовать образо-. а вание окисного слоя íà tioaepxíîcòè Ñïëàâà.

Наряду с этим большая трудоемкость спосо-, у ба, в основном, обусловлена также сложностью проведения термической обработки с охлаждением в специальных средах. Кроме того, каждому твердосплавному изделию вследствие различия их масс и типоразме- Фь ров должна отвечать своя оптимальная технология термической обработки, обеспечивающая максимальную эффективность последней в отношении прочности и долговечности. Таким образом, еще более увеличиваются трудозатраты на термообработку инструмента; что обусловлено большим разнообразием его форм и типоразмеров.

Известен способ обработки режущего инструмента из твердых сплавов, по которому проводят лазерную обработку его режущих кромок либо в режиме без оплавления

1752514

10 струмента

55 при следующих параметрах лазерного излучения: длительнОсть импульса генерации

t=- 107 с;- энергия в импульсе Е = 15Дж, диаметр пятна в зоне обработки d = 8 мм, либо в режиме с оплавлением при t 2,2

10 F=- 200Дж, d 8 мм.

В первом случае применение указанного способа в приоэводственных условиях затруднено из-за отсутствия серийно выпускаемых лазерных технологических установок с требуемыми параметрами импульса генерации, т.е. работающих в режиме модулированной добротности. Кроме того, получаемая при этом глубина упрочненного слоя сплава недостаточна для поддержания устойчивой работы инструмента в условйях интенсивного износа, что значительно сужает область применения способа, поскольку упрочненный инструмент можно эффективно использовать только при определенных условиях эксплуатации, Эффективность обработки по режиму с оплавлением выше, чем при обработке по режиму без оплавления. Однако большие глубины упрочнения достигаются в этом случае при увеличении трудоемкости способа. Она возрастает за счет введенйя в технологический процесс лазерной обработки предварительного обьемного нагрева инструмента до температур 450-550 С в атмосфере С02 и операции окончательной прецизионной шлифовки и доводки рабочих граней инструмента. Необходимость операции шлифования обусловлена наличием слоистой структуры rio глубине твердого сплава в зоне импульсной лазерной обработки по режиму с оправлением, Свойства внешнего оплавленного слоя отрицательно сказываются на эксплуатациойных характеристиках инструмента. Следующий за oriлавленным переходный слой имеет структуру оптимальную для повышения стойкости инструмента. Чтобы сйять оплавленный слой и не повредить при этом переходный, вводится в данном способе операция точной шлифовки и доводки режущих кромок твердого сплава, что существенйо увеличивает трудоемкость, Кроме этого, такой способ лазерной обработки кромок инструмента не может быть реализован для упрочнения многогранных неперетачиваемых пластин (далее и тексте—

МН П) из твердых сплавов, применяемых, в частности, для оснащения сборных токарных резцов, что сужает область-прймененйя способа.

Обработка по режиму без оплавления, как и по режиму с оплавлением, проводится однократным воздействием импульсного лазерного излучения на поверхность твердого сплава, В этом случае не достигается стабильность улучшенных стойкостных характеристик облученного твердосплавного инструмента, что в большой степени определяется различиями в количественных и качественных структурных характеристиках твердосплавных изделий в состоянии поставки, Так, исходные сжимающие напряжения в карбидных зернах изменяются до

100 до 700 МПа. Различия в тонкой структуре карбидов (дисперсно-мозаичная структура и микроискажения кристаллической решетки вследствие нарушения. стехиометрии состава) и вариация примесей в виде

Ч/Скуб и W2C-тоже определяют нестабильность лазерного однократного упрочнения твердосплавного инструмента. Вследствие этого степень фазового наклепа карбидов

20 после однократной лазерной импульсной обработки и соответствующее ей повышение стойкости инструмента адгезионно-усталостному износу различны. Таким образом, однократная импульсная обпаботка твердого сплава по данному способу не обеспечивает стабильности улучшенных стойкостных характеристик облученного инНаиболее близким по технической сущ30 ности и достигаемому эффекту к заявляемому техническому решению является способ термической обработки вольфрамокобальтовых твердых сплавов, включающий их однократный импульсный лазерный нагрев с

35 плотностью энергии 0,7-1,2 Дж/мм (e зави2 симости от содержания кобальта в сплаве и зернистости WC-фазы), исключающий нарушение сплошности поверхностного слоя материала в зоне обработки, По отношению к, предыдущему известному способу он отличается меньшей трудоемкостью и возможностью проводить обработку не только твердосплавных пластин, используемых в производстве напайного инструмента, но и

MHIl, применяемых для оснащения сборного инструмента с механическим креплением пластин. Однако и в этом случае, как и в предыдущем, не обеспечивается уменьшение разброса улучшенных стойкостных показателей работоспособности облученного инструмента, что в значительной степени снижает возможности способа.

Цель изобретения — повышение стойкости режущего инструмента из твердых сплавов и уменьшение коэффициента вариации стойкости облученного инструмента.

Поставленная цель достигается тем, что

s способе обработки вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента, включаю- щем воздействие импульсного лазерного

1752514 излучения на режущую часть, его осуществляют многократно сначала с плотностью энергии 0,8-1,0 Дж/мм с числом импуль2 сов 5-10, а затем с плотностью 1,0-1,2

Джlмм, причем общее число импульсов на 5 обоих этапах не превышает 15.

Предлагаемый способ реализуется на . серийно выпускаемых лазерных технологических установках типа "Квант-16", "Квант18", "Квант-15", работающих в режиме 10 свободной генерации. В этом случае достигаются большие глубины упрочненного слоя в сплаве и создается возможность для эксплуатации инструмента в условиях йнтенсивного износа, что расширяет 15 возможности способа по обработке широ. кой номенклатуры инструмента, применяемого на различных операциях и режимах.

Возможности варьирования. частотой импульсного воздействия при обработке опре- 20 деля ются типом и конструкцией применяемой лазерной установки. На втором этапе воздействия возможно увеличение частоты, что следует из результатов"

При лазерной обработке по предлагаемому способу твердосплавный инструмент предварительно очищают от загрязнения, обезжиривают ацетоном или спиртом. Затем размещают в рабочей зоне лазерной установки таким образом, чтобы излучение падало на режущую поверхность в направлении, перпендикулярном к ней. В зависимости от условий применения инструмента, его вида и режимов работы облучают либо только заднюю режущую грань, либо заднюю и передню1о режущйе-грАни. Причем

5 во время всего цикла облучения инструмент остается неподвйжным, чтобы многократно был обработан один и тот же участок ремущей кромки, Пример. Проводилась импульсная лазерная обработка МНП из твердого сплава ВК8 (изделие 2008 — 1117 по ТУ 48-19-6373).

Облучение по задней и передней граням каждой МНП осуществлялось на серийной лазерной технологической установке

"Квант-16" (длительность импульса 5 10 с, частота повторения импульсов 1 Гц). Для получения равномерного распределения температурного поля в зоне обработки использовался фокусирующий призменный растр с размером элементарной ячейки 5х5 мм . Плотность энергии, необходимая для

2 образования на поверхности сплава зоны дефектов, (1.4 — 1,5) Дж/мм, плотность энергии излучения, при которой наблюдается оплавление поверхности сплава ВК8, (3,0 — 3,3)

Дж/мм .

Сравнительные испытания .проводились на токарно-винторезном станке модели 16К20 при продольном точении заготовок из стали, ЦИ52-ВД с охлаждением зоны резания эмульсией, Режимы обработки назначались согласно отраслевого стандарта, при этом были приняты следующие обознчения: скорость резания 45 м/мин, подача 0,3 мм/об, глубина резания 2,0 мм, Точение велось до полного износа режущей кромки

МНП, В каждом опыте испытывалось по три резцэ.25

35

45

50 расчета температурного полл в зоне обработки, согласно которым каждым следующим импульсом осуществляется облучения более нагретого участка поверхности сплава и, следовательно, оно может проводиться с большей плотностью энергии без опасения появления термических трещин в зоне обработки, При предлагаемом способе термической обработки твердого сплава, взятого в состоянии поставки, импульсы излучения первой серии (первого этапа) приводят к релаксации остаточных поверхностных напряжений в карбидных зернах высокотемпературной пластической деформацией в зоне лазерного воздействия. Возникающие после охлаждения напряжения в карбидах становятся одного порядка величины, Происходит выравнивание количественных и качественных структурных характеристик материала. Последующая обработка второй серии (второго этапа) позволяет получить одинаковую степень фазового наклепа карбидов от образца к образцу. Этим обеспечивается уменьшение коэффициента вариации стойкости облученного твердосплавного инструмента (увеличение стабильности его улучшенных эксплуатационных характеристик). Общее упрочнение в поверхностном слое сплава достигается за -счет изменений в тонкой структуре монокарбидов и К/С (накопление микроискажений решетки и измельчение блочно-мозаичной структуры). При лазерном воздействии на твердый сплав также наблюдаются изменения в составе кобальтовой прослойки за счет растворения в ней периферии карбидных зерен. Все это обуславливает наблюдаемое экспериментально уменьшение коэффициента вариации стойкости облученного инструмента, повышение его стойкости к адгезионно-усталостному износу, когда прочностные характеристики сплава играют определяющую роль в снижении его износа, а также повышение стойкости инструмента, работающего в режиме ударных нагрузок и при прерывистом резании.

1752514

Режимы облучения испытанных МНП на каждом из этапов и результаты испытаний представлены в таблице, где приняты обозначения: а — плотность энергии излучения, Джlмм2; N1,Ng — кратность воздействия (число импульсов в одну точку) на первом и втором этапах, соответственно, шт.

При этом коэффициент вариации стойкости определялся по формуле:

V= --S/Т, где S — среднеквадратичное отклонение значения стойкости;

Т вЂ” среднее значение стойкости, мин, Уменьшение плотности энергии облучения на первом этапе (пример 3 таблицы) не приводит к увеличению эффективности лазерной обработки твердосплавного инструмента, повышению его эксплуагационных характеристик, в w oM случае не достигается максимальная степень фазового наклепа сплава, не происходит выравнивание структурных показателей материала.

Увеличение плотности энергии до значения 1,3 Дж/мм (пример 4 таблицы) приводит к растрескиванию поверхностного слоя сплава, что исключает применение инструмента без предварительной доводки

его рабочих кромок, Обработка рабочей кромки МНП изл чением с плотностью энергии 1,0 Джlмм, но при общей кратности воздействия больше 15 (пример 5 таблицы) приводит к ее пережогу, что проявляется при испытайии в повышенной склонности кромки резца к охрупчиванию и ведет к общему снижейию

СТОЙКОСТИ.

Уменьшение кратности облучения на первом этапе (пример 6 таблицы) не обеспе1 чивает максимальной степени упрочнения сплава и значительного снижения коэффициента вариации стойкости.

Обработка твердосплавного инстру-"

5 мента по предлагаемому способу (примеры

7-10 таблицы) позволяет в отличии от обработки по известному(пример 2 таблицы) добиться повышения стойкости МНП и уменьшения коэффициента вариации стойl0 костй резцов.

Таким образом, предлагаемый способ термической обработки вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента путем многократной бездефектной импульсной

15 лазерной обработки его режущих кромок, проводимый в два этапа, позволяет достигнуть увеличения стойкости МНП из твердых сплавов до двух раз при резании труднообрабатываемых металлов; уменьшить коэф20 фициент вариации стойкости облученного инструмента, т.е. добиться увеличения ста. бильности улучшенных эксплуатационных характеристик резцов.

25 Формула изобретения

Способ обработки вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента, включающий воздействие импульсного лазерного излучения на режущую часть, о тл и ч а ю щ и30 йся тем,что,сцельюповйшения стойкостии уменьшения коэффициента вариации стойкости инструмента, воздействие импульсного лазернОго излученйя осуществляют многократно сначала с плотностью энергии 0,835 1,0 Джlмм с числоМ импул ьсов 5-10, а затем с плотностью энергии 1,0-1,2

Дж/мм2, причем общее число импульсов на обоих этапах не превышает 15.

1752514

Составитель Багрова

Техред M.Ìîðãeíòàë

Редактор Н.Лазаренко

Корректор 3;Салко

Заказ 2721 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при CKHT СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская на6„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Опытный - обработка по предложенному способу, но с выходом за заявленные параметры;

** Коэффициент вариации не подсчитывался„так как экспериментально не наблвдалось повышения стойкости.