Волгодонск, Ростовская область, Россия
УДК 621.91 Обработка резанием
Значительная часть деталей внутрикорпусных устройств реакторов типа ВВЭР изготавливаются из аустенитных нержавеющих сталей, обладающих плохой обрабатываемостью резанием, что увеличивает не только трудоемкость изготовления и расход дорогостоящего металлорежущего инструмента, но в отдельных случаях требует последующей доработки деталей. Повышение температуры обрабатываемого материала в зоне резания повышает его обрабатываемость, а одновременное снижение температуры режущего инструмента снижает его износ, повышает качество обработанной поверхности, снижает количество и величину дефектов (заусенцев) на обработанных поверхностях, зачищаемых в ручную, что снижает вероятность попадания их на сборку. Предложено повысить обрабатываемость деталей внутрикорпусного устройства ВВЭР и качество его изготовления посредством новой траектории перемещения детали при резании, при которой реализуется попутное фрезерование, изменяется условие вхождения фрезы в металл, что сопровождается снижением количества тепла, поглощаемого фрезой, и способствует уменьшению износа инструмента и снижает количество и размеры заусенец. Предварительные результаты показывают, что обеспечено снижение расхода металлорежущего инструмента, увеличение производительности труда и качества изготовления деталей, поступающих на сборку внутрикорпусных устройств реактора, а значит и повышение эксплуатационной надежности и безопасности ядерной энергетической установки.
обработка резанием, износ инструмента, нержавеющие аустенитные стали, фреза, дефекты поверхности (заусенцы)
Введение. Обеспечение высокого качества производства изделий атомного машиностроения повышает безопасность ядерных энергетических установок. Значительная часть деталей внутрикорпусных устройств реакторов типа ВВЭР изготавливаются из аустенитных нержавеющих сталей, обладающих плохой обрабатываемостью резанием, что увеличивает не только трудоемкость изготовления и расход дорогостоящего металлорежущего инструмента, но в отдельных случаях требует ручной доработки деталей до заданного качества, повышая в этом случае влияние «человеческого фактора» на работоспособность и безопасность реактора.
В различных условиях резания изнашивание инструмента может быть вызвано различными причинами и иметь различные механизмы. В зоне контакта режущего инструмента с аустенитным сплавом происходят процессы, включающие пластические деформации инструментального материала при высокой температуре, абразивное истирание, адгезионное изнашивание, диффузионное растворение, образование усталостных трещин и окисление поверхности инструментального материала. Пластические деформации инструментального материала при высоких температурах приводят к изменению формы режущего лезвия и в конечном счёте могут отразиться на работоспособности инструмента. Большие пластические деформации приводят к потере формоустойчивости режущего лезвия [1, 2]. Причины пластических деформаций режущего инструмента связаны со значительным упрочнением обрабатываемого материала в результате влияния скорости деформации и разупрочнением инструментального материала в окрестности режущей кромки [1–3]. Абразивный износ является причиной непродолжительного срока службы инструментов из быстрорежущих и инструментальных сталей. Установлено, что чем большую упругую деформацию может выдержать поверхность, тем она лучше сопротивляется абразивному износу. Экспериментально доказано, что сопротивление абразивному износу некоторых металлов пропорционально их модулю упругости [2–5]. При фрезеровании используют высокие скорости резания, в результате из-за трения поверхности заготовки и инструмента нагреваются и могут наблюдаться структурные изменения. Известно, что коэффициент трения между чистыми поверхностями металлов очень велик и может достигать 50, это связано со способностью к прочной адгезии, что обеспечивает соединение типа сварки плавлением [4–6]. Прочность таких адгезионных слоев зависит от природы контактирующих металлов. Контакт свежих поверхностей приводит к прочной трибоадгезии. Образование фазы сплава при трибомеханической обработке обнаружено в системе цинк-медь. При высоких контактных давлениях и высоких температурах между поверхностями возникают участки схватывания как результат межмолекулярного взаимодействия. При относительном перемещении поверхностей эти мостики разрушаются с вырыванием частиц в том числе с поверхности инструмента. Чтобы эффективно подавить сваривание трущихся поверхностей, на них следует образовать адгезионные пленки, с этой целью применяют смазочно-охлаждающие среды, уменьшающие силы сцепления. Длительность эксплуатации режущего инструмента можно увеличить, подбирая состав активной смазочной среды [6–8]. Диффузия компонентов обрабатываемого материала приводит к изменению физических свойств поверхностного слоя инструмента. Например, диффузия углерода вызывает размягчение и последующую пластическую деформацию инструментального материала [9–11]. Эта деформация может увеличить силы резания или разрушить инструмент. Механизм окислительного изнашивания твердосплавного инструмента включает образование и истирание окисных пленок, накопление окислов в порах поверхностного слоя и его разрушение. Однако, существует мнение, что поверхности, о которые трётся режущий инструмент, являются свежеобразованными, и для возникновения на них окисных или других каких-либо пленок недостаточно времени [12, 13].
Материалы и методы. В качестве объекта исследований выбрана наиболее проблемная деталь внутрикорпусного устройства реактора ВВЭР, изготовленная из аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н10Т – труба упорных стаканов, которые служат в качестве направляющих и опорных частей тепловыделяющих сборок (ТВС). Труба диаметром 194 мм, длиной 480 мм и толщиной стенок 12 мм, изготовленная из аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н10Т, перфорирована в виде узких пазов (ширина паза 3 мм, длина - 30 мм), что способствует задержанию из потока теплоносителя твердых частиц и защите твэлов от механических повреждений. В каждой из этих труб необходимо прорезать 390 пазов шириной 3 мм (рис.1), общее количество таких пазов в комплекте труб для одного реактора составляет 63000, все из них должны быть изготовлены в соответствии и высокими требованиями к качеству поверхностного слоя.
Рис. 1. Чертеж детали
Обработка проводится на вертикально-фрезерном станке 6Р13, где обрабатываются 390 пазов дисковой фрезой шириной 3,2 мм. Марка применяемого материала инструмента Р6М5. Стоит отметить некоторые трудности, возникающие на этапе фрезеровании пазов:
- быстрый износ инструмента;
- образование после обработки больших заусенцев;
- малая скорость резания и, как следствие, низкая производительность.
В результате вязкости и способности к значительному наклепу нержавеющей стали при фрезеровании каждого из 63000 пазов образуются большие заусенцы (дефекты), которые приходится зачищать, в том числе и вручную. После обработки резанием каждый такой дефект (заусенец) необходимо удалить вручную. Учитывая большое количество пазов, возникает вероятность пропуска дефекта на детали, допущенной на сборку ВКУ реактора, что снижает уровень безопасности его эксплуатации. Таким образом снижение размера и количества заусенцев при обработке резанием снижает вероятность наличия дефекта на деталях ВКУ и тем самым повышает уровень безопасности эксплуатации реактора.
Одной из основных причин возникновения заусенцев является износ (притупление) фрезы при резании [13]. Поэтому снижение износа фрез позволит не только снизить расход дорогостоящего инструмента, увеличить скорость резания (повысить производительность обработки), но и улучшить качество изготавливаемых деталей и их эксплуатационную надежность. Износ фрез снижается при снижении температуры их нагрева в процессе резания и применения более износостойкого инструментального материала. Снижение температуры нагрева инструмента можно обеспечить за счет уменьшения количества тепла, поступающего в инструмент и за счет увеличения количества тепла, уводимого от инструмента. Этого можно добиться изменением схемы резания. Известно, что лучшими инструментальными материалами из твердых сплавов по характеристикам теплопроводности, теплостойкости и циклической термоустойчивости являются ВК4, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15, а из быстрорежущих инструментальных материалов, лучшим выбором будут Р6М5, Р9К5, Р9К10, Р6М5К5.
Основная часть. Контактирование инструмента со стружкой и обрабатываемой заготовкой происходит в условиях очень высоких давлений и температур. Условия работы инструмента ещё больше усложняются в связи с наличием высоких градиентов давления и температуры в зоне резания. Режущие инструменты выходят из строя как в результате истирания по передней и задней поверхностям, так и в результате выкрашивания режущей кромки [14, 15]. Известно, что стали при резании упрочняются примерно вдвое. При высокоскоростном резании следует ожидать ещё большего упрочнения обрабатываемого материала. Кроме того, при обработке нержавеющей стали образуется сливная стружка, которую трудно удалять из зоны резания.
Указанные проблемы объясняются достаточной вязкостью нержавеющих аустенитных сталей, которые являются пластичными. Образующаяся при резании таких сталей стружка завивается длинной спиралью, образуется сливная стружка. Аустенитные сплавы характеризуются низким пределом текучести при том же временном сопротивлении, что и углеродистые конструкционные стали, т. е. они весьма пластичны (табл. 1).
Таблица 1
Сравнение механических свойств нержавеющей и углеродистой сталей [4]
|
Материал |
σв, МПа |
σ0,2, МПа |
δ, % |
ψ,% |
|
Нержавеющая сталь 08Х18Н10Т |
615 |
300 |
52,8 |
71,3 |
|
Сталь 45 |
600 |
255 |
15 |
40 |
В результате низкой теплопроводности аустенитных сталей, выделяющееся при резании тепло плохо отводится из зоны резания стружкой и деталью и, в основном, концентрируется в инструменте, повышая его температуру. Известно, что теплопроводность стали 08Х18Н10Т равна 0,0027Вт/м∙0С, в то время как теплопроводность стали 45 равна 0,0040Вт/м∙0С. Весьма слабое разупрочнение нержавеющих сталей происходит только в тонких контактных слоях стружки. В результате разница между твёрдостью инструментального и обрабатываемого материала с увеличением скорости и температуры резания уменьшается и может исчезнуть совершенно. Это создаёт условия для периодического среза деформированных слоёв инструментального материала и резкого увеличения интенсивности изнашивания инструмента [10–13].
При фрезеровании износ режущего инструмента происходит интенсивнее, чем при точении, из-за неблагоприятных условий работы инструмента, многократно врезающегося в обрабатываемую заготовку, что вызывает ударные нагрузки, а также резкие перепады температур на рабочих поверхностях инструмента (тепловой удар). Помимо этого, боковые поверхности инструмента находятся в постоянном контакте с заготовкой, что приводит к повышению температуры в зоне резания [16]. Такие условия приводят к нагреву инструмента, а вследствие разности коэффициентов линейного расширения стали 08Х18Н10Т и материала инструмента Р6М5, увеличивается контактная площадь соприкосновения поверхностей, что ведет к быстрому истиранию боковых поверхностей.
Выявлено, что начальный размер ширины инструмента уменьшается с 3,0-3,2 мм до 2,8 мм и ниже. В ходе обработки также уменьшается высота зуба, которую корректируют правкой инструмента, в следствии этого диаметр фрезы уменьшается с 63,0 мм до 58,0 мм. На рисунках 2, 3 представлены фотографии изношенных инструментов, наглядно показывающих в каких местах происходит износ.
Метод прорезания пазов, применяемый на предприятии Филиала АО «АЭМ-технологии» «Атоммаш» в г. Волгодонск состоит в следующем: заготовку устанавливают в трехкулачковый самоцентрирующийся патрон на стол станка, перпендикулярно оси шпинделя станка. Затем прижимают жестким центром с противоположного торца с использованием фланца. Далее фрезеруют 390 пазов дисковой фрезой диаметром 63 мм с поворотом заготовки в делительном приспособлении и перемещением стола станка.
Рис. 2. Износ фрезы общий вид
Рис. 3. Износ режущего зуба фрезы
Обработка резанием нержавеющей стали 08Х18Н10Т ведется со следующими параметрами резания: t = 12 мм, b =3 мм, S = 0,12 мм/мин, VC=12 м/мин, стойкость инструмента при этом около 45 минут. Приблизительное количество обработанных пазов между переточками составляет 20 штук, а количество переточек не превышает четырех, таким образом на изготовление одной детали расходуется около 50 фрез. Одна фреза между переточками обеспечивает фрезерование 15–20 пазов. На изготовление одной трубы с учетом переточек расходуется 5–6 фрез, а на комплект труб для одного реактора 800-900 фрез.
В действующем технологическом процессе применяется прямолинейное вертикальное перемещение детали, обеспечивающее встречное фрезерование. Формирование стружки при существующей схеме резания осуществляется от минимальных толщин до максимальных, что вызывает самоупрочнение материала, увеличение температуры в зоне резания. В этом случае наблюдается значительный наклеп и быстрый износ режущей кромки фрезы, что приводит к образованию больших заусенцев и перерасходу фрез. На практике такие выступы зачищают вручную шлифовальными машинами. Сначала зачищаются большие заусенцы, далее зачищают каждый паз по отдельности в соответствии с предъявляемыми требованиями. Использование такого метода обработки поверхности после механического обработки существенно увеличивает трудоемкость процесса. Кроме этого, поверхность заготовки может иметь механические повреждения, в результате вдавливания абразивных зерен в поверхность заготовки. На рисунках 4, 5 видны дефекты (заусенцы), которые появляются в процессе фрезерования каждого из 63000 пазов.
Было предложено изменить траекторию движения рабочего инструмента, перейти от встречного фрезерования на попутное. Предложенное попутное фрезерование изменяет условия вхождения фрезы в металл, снижает упрочнение поверхностного слоя обрабатываемого металла, за счет чего снижается количество тепла, поступаемого в инструмент, что снижает его износ, уменьшаются количество и размеры заусенец. Для повышения эффективности технологического процесса предложена конструкция более износостойкой прорезной фрезы толщиной 3мм с твердосплавными сменными пластинами.
Рис. 4. Дефекты в виде заусенцев внутри детали
Рис. 5. Выступы в виде заусенцев снаружи детали
Карбонитрид титана обеспечивает высокую твердость. Для TiCN характерен очень низкий коэффициент трения, за счёт чего снижается налипание нержавеющей стали на инструмент. Нитрид титана выступает в качестве механического, термического и химического барьера между режущей кромкой и обрабатываемой деталью. Алюминий-титан нитрид (AlTiN) – покрытие с уникальной нанокомпозитной структурой, которая существенно увеличивает твёрдость, термостойкость (до 900°C) и сопротивление ударным нагрузкам, повышая виброустойчивость. Если два первых покрытия рекомендованы для резцов, то третье покрытие будет предпочтительно для фрез [16]. Из серийно выпускаемых промышленностью сменных пластин рекомендовано износостойкое покрытие TiN (3 мкм) + TiC (3 мкм) + AlTiN (3 мкм).
В технологическом процессе подрезку торцов, точение и растачивание выполняют на токарно-винторезном станке модели 16К20, используя приспособление – трёхкулачковый самоцентрирующийся патрон, люнет неподвижный роликовый ЛН16К20-270Р. Пазы обрабатывают на вертикальном фрезерныом центре модели MILLSTAR LV1400, применяя патрон DIN2080 50 EM25X80, приводной хвостовик SW 25-32-1.
Выводы. Износ режущего инструмента зависит от многих факторов, включающих режимы резания материал режущей части инструмента, природу обрабатываемого материала, свойства смазочно-охлаждающей жидкости. Условия формоустойчивости необходимо учитывать в качестве одного из ограничений при расчёте допускаемой скорости резания. Рассмотрены проблемы при обработке детали, изготовленной из аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н10Т. Разработана новая технология механической обработки трубы упорных стаканов, которые служат в качестве направляющих и опорных частей тепловыделяющих сборок (ТВС), позволяющая оптимизировать теплофизический процесс в зоне резания. Предложенная схема резания позволяет устранить значительную часть негативных факторов существующего процесса резания и значительно снизить количество дефектов (прежде всего в виде заусенцев). На основании анализа существующих износостойких покрытий предложено применять титано-карбоно-алюминиевое покрытие режущей части фрезы, так как оно в наибольшей степени обеспечивает решение поставленных задач.
В результате проведенной модернизации существующей технологии отмечено снижение износа инструмента, повышение за счет этого скорости резания, производительности обработки, качества изготовления изделия и сокращение расхода фрез. Все это вместе с новым методом охлаждения инструмента позволит увеличить производительность технологического процесса в 1,5 раза и снизить себестоимость обработки 2 раза (в том числе за счет снижения расхода инструмента).
1. Мокрицкий Б.Я. Инструментальные материалы для токарной обработки специализированных нержавеющих сталей // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2021. № 2(731). С. 3–8.
2. Болдырев И.С. Расчет жесткости и прочности технологической оснастки и режущего инструмента. Челябинск: Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), 2022. 50 с.
3. Анцев А.В. Учет влияния износа режущего инструмента на разрушение режущей кромки в обобщенной модели отказов режущего инструмента // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. № 6. С. 273–279.
4. Патерюхин И. С. Выбор материала и конструкции твердосплавного режущего инструмента для чистовой обработки без вибраций // Научному прогрессу – творчество молодых. 2019. № 2. С. 56–57.
5. Мигранов А.М. Исследование теплофизики резания металлов режущим инструментом с покрытием // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2021. № 5. С. 208–212.
6. Egorov S.A. Influence of steam delivery of the working fluid on tool wear // Russian Engineering Research. 2018. Vol. 38, No. 4. Pр. 285–287.
7. Postnov V.V. Influence of machine-tool dynamics on the tool wear // Russian Engineering Research. 2015. Vol. 35, No. 12. Pр. 936–940.
8. Trung P.H. Analyzing the mechanisms of cutting tool wear during the machining of corrosion-resistant steels // Materials Science Forum. 2019. Vol. 973. Pp. 120–124.
9. Юдин А.Г. Общие способы обработки поверхностей режущими инструментами // Вестник машиностроения. 2022. № 1. С. 78–82. DOI:https://doi.org/10.36652/0042-4633-2022-1-78-82
10. Мигранов М.Ш. Повышение износостойкости режущего инструмента // Вестник Тверского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2020. № 4(8). С. 5–12. DOI:https://doi.org/10.46573/2658-5030-2020-4-5-12
11. Jain V., Patel S., Patel P., Patel K., Shah D. Study of molybdenum trioxide thin film deposited using dip coating method // Materials today: Proceedings. 2019 recent trends in environment and sustainable development. RTESD. 2019. Pp. 1700–1703. DOI:https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.09.209
12. Hongjun Zh. Wear Mechanism of Cemented Carbide Tool and Modeling Tool Wear in Machining Inconel 718 // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 780, No. 5. Рр. 052024. DOI:https://doi.org/10.1088/1757-899x/780/5/052024
13. Реченко Д.С., Каменов Р.У., Балова Д.Г. Влияние остроты режущего инструмента на обработку стали 07Х16Н4Б // Омский научный вестник. 2019. № 6(168). С. 10–14.
14. Рыжкин А.А. Синергетика изнашивания инструментальных материалов при лезвийной обработке: монография. Ростов-на-Дону: Донской государственный технический университет, 2019. 289 с.
15. Мышкин Н.К. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии. Москва: Физматлит, 2007. 368 с.
16. Григорьев С.Н., Волосова М.А., Исаев Е.В. Исследования современных износоустойчивых покрытий на режущем инструменте для фрезерования // Упрочняющие технологии и покрытия. 2022. Т. 18, № 10(214). С. 465–469.
