RU2186670C2

RU2186670C2 - Method for enhancing wear resistance of cutting tools

Info

Publication number: RU2186670C2
Application number: RU2000127973A
Authority: RU
Inventors: Е.А. Памфилов; П.Г. Пыриков; А.С. Рухлядко
Original assignee: Брянская государственная инженерно-технологическая академия
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2000-11-08
Publication date: 2002-08-10

Abstract

FIELD: metal working, wood working, paper and pulp industry branches, namely, cutting tools with increased wear resistance. SUBSTANCE: method comprise steps of forming in tool material magnetostrictive compression stresses with the aid of magnetic field; setting intensity value of magnetic field more than magnetic saturation degree of tool material; orienting vector of magnetostrictive compression stresses normally relative to plane of propagation of cracking corresponding to deformation type of cutting portion of tool; providing continuously acting magnetic field. Due to providing normalized level of magnetostrictive compression stresses in cutting tool, averaged wear resistance of tool increases by 15-25% in comparison with its value achieved at using well known methods. EFFECT: improved wear resistance of cutting tool due to formation in wear zone of tool optimal (favorable) set of mechanical and tribological characteristics. 2 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к металлообрабатывающей, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано в качестве способа, повышающего износостойкость режущих инструментов. The invention relates to the metalworking, woodworking and pulp and paper industry and can be used as a method that increases the wear resistance of cutting tools.

Известен способ обработки материалов в магнитном поле, источником которого является инструмент для обработки [1]. A known method of processing materials in a magnetic field, the source of which is a tool for processing [1].

Недостатками его следует считать невозможность управления магнитными силовыми линиями в резце, технологические сложности в управлении напряженностью магнитного поля, а также необходимость учета площади поперечного сечения составляющих элементов конструкции для обеспечения эффективной величины индуктивности. Its disadvantages are the impossibility of controlling the magnetic field lines in the cutter, the technological difficulties in controlling the magnetic field strength, and the need to take into account the cross-sectional area of the constituent structural elements to ensure an effective inductance value.

Наиболее близок по технологической сущности к заявляемому способ повышения стойкости инструментов за счет их намагничивания в импульсном магнитном поле и технологической выдержки [2]. Closest to the technological nature of the claimed method of increasing the durability of tools due to their magnetization in a pulsed magnetic field and technological exposure [2].

Недостатками известного способа являются: отсутствие возможности локального направленного упрочнения, необходимость обеспечения определенного сочетания размеров обрабатываемых инструментов и намагничивающих соленоидов, что обусловливает расширение их номенклатуры; относительно большая продолжительность обработки, технологические сложности ее реализации. The disadvantages of this method are: the lack of local directed hardening, the need to provide a certain combination of sizes of the processed tools and magnetizing solenoids, which leads to the expansion of their range; relatively long processing time, technological difficulties of its implementation.

Задача изобретения - формирование в зоне износа инструмента (режущего элемента) оптимальной (благоприятной) совокупности механических и трибологических характеристик. The objective of the invention is the formation in the wear zone of the tool (cutting element) of the optimal (favorable) combination of mechanical and tribological characteristics.

Технический результат - повышение износостойкости инструментального материала на 15-25 процентов. The technical result is an increase in the wear resistance of the tool material by 15-25 percent.

Это достигается тем, что в способе повышения износостойкости инструментов за счет формирования в режущей части магнитострикционных напряжений сжатия с помощью магнитного поля, величину напряженности магнитного поля устанавливают выше состояния магнитного насыщения инструментального материала, вектор магнитострикционных напряжений сжатия ориентируют нормально плоскости распространения трещин, соответствующих виду деформации режущей части инструмента, а воздействие магнитного поля на инструмент проводят непрерывно. Величину напряженности магнитного поля при упрочнении инструмента из углеродистых сталей устанавливают в пределах 1100-1300 кА/м, из легированных - 1400-1600 кА/м, из быстрорежущих - 1700-1800 кА/м. This is achieved by the fact that in the method of increasing the tool wear resistance due to the formation of magnetostrictive compressive stresses in the cutting part using a magnetic field, the magnetic field strength is set higher than the magnetic saturation state of the tool material, the magnetostrictive compressive stress vector is oriented normally to the crack propagation plane corresponding to the type of cutting deformation parts of the tool, and the magnetic field on the tool is carried out continuously. The magnitude of the magnetic field during hardening of a tool made of carbon steel is set in the range of 1100-1300 kA / m, from alloyed - 1400-1600 kA / m, from high-speed - 1700-1800 kA / m.

Индуцирование магнитного поля в инструментальном материале представляется возможным обеспечить известным способом, например, электромагнитом при контакте с режущей частью инструмента или соленоидом, охватывающим зону резания. В последнем случае непосредственного контакта между соленоидом и режущим инструментом не происходит, а индуцирование инструментального материала обеспечивается через воздушный зазор. It is possible to provide magnetic field induction in the tool material in a known manner, for example, by an electromagnet in contact with the cutting part of the tool or a solenoid covering the cutting zone. In the latter case, direct contact between the solenoid and the cutting tool does not occur, and the induction of the tool material is provided through an air gap.

Управление величиной напряженности магнитного поля и положением силовых линий магнитной индукции осуществляется с учетом вида инструментального материала, схемы нагружения режущей части инструмента и типа возможных микротрещин на режущей кромке, обусловленного условиями нагружения. При этом положение магнитных силовых линий (направление намагничивания) определяется таким образом, что вектор магнитострикционных напряжений сжатия (доменная структура) ориентируется нормально вектору (плоскости) развития микротрещин, а величина напряженности магнитного поля устанавливается выше величины, соответствующей состоянию магнитного насыщения материала. The magnitude of the magnetic field and the position of the lines of magnetic induction are controlled by taking into account the type of tool material, the loading pattern of the cutting part of the tool, and the type of possible microcracks on the cutting edge due to loading conditions. The position of the magnetic field lines (direction of magnetization) is determined in such a way that the vector of magnetostrictive compressive stresses (domain structure) is oriented normally to the microcrack development vector (plane), and the magnetic field strength is set higher than the value corresponding to the state of magnetic saturation of the material.

Действительно, при намагничивании в структуре ферромагнитного (инструментального) материала за счет направленной ориентации свободных электронов происходит процесс смещения границ доменов (кристаллов), заключающийся в росте их объемов, у которых намагниченность ориентирована близко к направлению поля за счет изменения объема соседних доменов, а также процесс изменения направления самопроизвольной намагниченности отдельных доменов за счет поворота вектора намагниченности. Вследствие этого повышается вязкость и износостойкость стали. При этом характерно также возрастание дисперсности кристаллографической структуры, закрепление на поверхности трения легирующих элементов, повышение твердости, ударной вязкости, сопротивления усталости, временного сопротивления на растяжение, предела прочности на изгиб и интенсивности теплоотвода от зоны трения в направлении намагничивания. Это в совокупности способствует повышению износостойкости инструментального материала в зоне намагничивания. Indeed, during magnetization in the structure of a ferromagnetic (instrumental) material due to the directed orientation of free electrons, the process of displacement of the boundaries of the domains (crystals) occurs, which consists in the growth of their volumes, in which the magnetization is oriented close to the field direction due to a change in the volume of neighboring domains, as well as the process changes in the direction of spontaneous magnetization of individual domains due to rotation of the magnetization vector. As a result, the viscosity and wear resistance of steel increases. In this case, an increase in the dispersion of the crystallographic structure, fixing on the friction surface of alloying elements, an increase in hardness, toughness, fatigue resistance, temporary tensile resistance, ultimate tensile strength, and heat transfer intensity from the friction zone in the direction of magnetization are also characteristic. This together helps to increase the wear resistance of the tool material in the magnetization zone.

Таким образом, определяя величину и направление действия внешней нагрузки F на инструмент в ходе резания и устанавливая с учетом этого положение магнитных силовых линий В при намагничивании инструментального материала (направления намагничивания), представляется возможным сформировать в зонах износа благоприятную совокупность механических и трибологических характеристик. Thus, by determining the magnitude and direction of the external load F on the tool during cutting, and taking into account this, the position of the magnetic field lines B during magnetization of the tool material (magnetization direction), it seems possible to form a favorable combination of mechanical and tribological characteristics in the wear zones.

Управляемое упрочнение инструментального материала в магнитном поле возможно обеспечить по нижеследующим схемам реализации обработки. It is possible to provide controlled hardening of tool material in a magnetic field according to the following processing implementation schemes.

Согласно технологии 1 (фиг.1), индуцирование магнитного поля в инструментальном материале 1 обеспечивается электромагнитом 2 со стороны передней или задней поверхности инструментального узла, или со стороны одной из боковых кромок режущего элемента. Магнитное поле может индуцироваться в течение полного цикла работы инструмента (на протяжении рабочего и холостого хода) или только в фазе взаимодействия режущего элемента с обрабатываемым материалом 3 (рабочий ход). According to technology 1 (FIG. 1), the induction of a magnetic field in the tool material 1 is provided by an electromagnet 2 from the front or rear surface of the tool assembly, or from one of the side edges of the cutting element. The magnetic field can be induced during the full cycle of the tool (during working and idle) or only in the phase of interaction of the cutting element with the processed material 3 (working stroke).

Согласно технологии 2 (фиг.2), магнитное поле создается электромагнитом (соленоидом) 2, установленным вблизи зоны взаимодействия инструмента 1 с материалом 3 на протяжении пути контакта. При этом инструмент, совершая рабочий или холостой ходы (р.х или х.х), периодически проходит зону намагничивания, в пределах которой в материале режущей части формируются магнитострикционные напряжения сжатия. According to technology 2 (FIG. 2), a magnetic field is created by an electromagnet (solenoid) 2 installed near the zone of interaction of the tool 1 with material 3 along the contact path. In this case, the tool, making working or idling (r.x or x.x), periodically passes the magnetization zone, within which magnetostrictive compressive stresses are formed in the material of the cutting part.

Пример 1. Для обработки заготовки выбран режущий инструмент (строгальный нож) из быстрорежущей стали 8Х6НФТ. По известной методике определяют величину напряженности магнитного поля, достаточную для обеспечения магнитной рекристаллизации инструментального материала и формирования магнитострикционных напряжений сжатия. В данном случае она равна 1600 кА/м. Example 1. For processing a workpiece, a cutting tool (planing knife) of high-speed steel 8X6NFT was selected. By a known method, the magnitude of the magnetic field strength is determined, sufficient to ensure magnetic recrystallization of the instrumental material and the formation of magnetostrictive compression stresses. In this case, it is equal to 1600 kA / m.

Поскольку вектор внешней нагрузки (силы трения) ориентирован перпендикулярно передней поверхности инструмента, а также учитывая вероятное преобладание микротрещин на режущей кромке по типу антиплоского сдвига (направление их развития перпендикулярно лезвию), положение плоскости силовых линий магнитной индукции выбирается в плоскости резания (касательная к силовым линиям параллельна режущей кромке и перпендикулярна плоскости микротрещин). Для этого электромагнит устанавливают со стороны задней поверхности инструмента так, что силовые линии ориентируются параллельно режущей кромке, и создают магнитное поле заданной напряженности. При этом в инструментальном материале формируется равномерно распределенное магнитострикционное напряженное состояние (сжатия), которое при эксплуатации инструмента способствует повышению его износостойкости и снижает интенсивность выкрашивания режущей кромки. Since the external load vector (friction force) is oriented perpendicular to the front surface of the tool, and also taking into account the likely prevalence of microcracks on the cutting edge as an antiplane shear (the direction of their development is perpendicular to the blade), the position of the plane of the lines of magnetic induction is selected in the cutting plane (tangent to the lines of force parallel to the cutting edge and perpendicular to the plane of microcracks). For this, the electromagnet is mounted on the side of the rear surface of the tool so that the lines of force are oriented parallel to the cutting edge and create a magnetic field of a given tension. At the same time, a uniformly distributed magnetostrictive stress state (compression) is formed in the tool material, which during operation of the tool increases its wear resistance and reduces the intensity of chipping of the cutting edge.

При известном способе повышения износостойкости режущих инструментов износостойкость инструментального материала из быстрорежущей стали Р6М5 при строгании древесины березы влажностью 70% и глубине 1.5 мм составляет 36 часов, в рассматриваемом случае она равна 43 часам. Результаты оценки эффективности упрочнения режущих инструментов приведены в таблице 1. With the known method of increasing the wear resistance of cutting tools, the wear resistance of tool material made of P6M5 high-speed steel when planing birch wood with a moisture content of 70% and a depth of 1.5 mm is 36 hours, in this case it is 43 hours. The results of evaluating the hardening efficiency of cutting tools are shown in table 1.

Пример 2. Производится сверление заготовок древесины березы влажностью 8-10% при толщине срезаемого слоя 0.4 мм и диаметре окружности резания 10 мм. Сверла изготовлены из инструментальной быстрорежущей стали Р6М5. Величина напряженности магнитного поля для данного материала назначается равной 1800 кА/м. Example 2. Drilling of birch wood blanks with a moisture content of 8-10% is carried out with a thickness of the cut layer of 0.4 mm and a cutting circle diameter of 10 mm. Drills are made of tool quick steel P6M5. The magnitude of the magnetic field for this material is assigned equal to 1800 kA / m.

Вектор преимущественной (окружной) нагрузки ориентирован по касательной к окружности резания и перпендикулярен вектору осевой подачи инструмента. В этом случае сверло испытывает сложное напряженное состояние сжатия и кручения. При возникновении микротрещин их распространение ожидается преимущественно перпендикулярно оси вращения сверла. Локальные участки режущих кромок в области трещинообразования в данных условиях нагружения подвержены деформации антиплоского сдвига. The vector of the preferential (circumferential) load is oriented tangentially to the cutting circle and is perpendicular to the axial feed vector of the tool. In this case, the drill experiences a difficult stress state of compression and torsion. If microcracks occur, their propagation is expected to be perpendicular to the axis of rotation of the drill. The local sections of the cutting edges in the region of crack formation under these loading conditions are subject to antiplane shear deformation.

Указанные условия нагружения обусловливают необходимость обеспечения ориентации силовых линий магнитной индукции параллельно оси вращения инструмента. При этом вектор магнитострикционных напряжений сжатия должен совпадать с ними по направлению, что затруднит деформацию антиплоского сдвига и препятствует росту микротрещин. The indicated loading conditions necessitate the orientation of the lines of magnetic induction parallel to the axis of rotation of the tool. In this case, the vector of magnetostrictive compressive stresses should coincide with them in the direction, which will complicate the deformation of the antiplane shear and prevent the growth of microcracks.

Для обеспечения требуемых условий индуцирования инструмент помещают в цилиндрический соленоид, внутри которого находится обрабатываемый объект. В исходном состоянии инструмент находится выше соленоида и не подвергается воздействию магнитного поля. При осевой подаче инструмент входит в зону намагничивания и производит обработку; при этом в инструментальном материале индуцируется магнитное поле заданной напряженности и ориентации. При обратном (холостом) ходе сверло выходит из зоны намагничивания соленоида. При возобновлении цикла обработки процесс повторяется. To ensure the required conditions for induction, the tool is placed in a cylindrical solenoid, inside which there is a workpiece. In the initial state, the tool is located above the solenoid and is not exposed to a magnetic field. With axial feed, the tool enters the magnetization zone and performs processing; at the same time, a magnetic field of a given tension and orientation is induced in the instrumental material. During the reverse (idle) stroke, the drill leaves the magnetization zone of the solenoid. When the processing cycle resumes, the process repeats.

Стойкость сверл без упрочнения составила 39 часов, с упрочнением по данной технологии - 52 часа. Результаты оценки эффективности упрочнения режущих инструментов приведены в таблице 2. The drill life without hardening was 39 hours, with hardening by this technology - 52 hours. The results of evaluating the effectiveness of hardening of cutting tools are shown in table 2.

По результатам анализа износостойкость инструмента в зависимости от технологии реализации упрочнения возрастает в среднем на 15-25% по сравнению с известным способом повышения износостойкости. According to the results of the analysis, the wear resistance of the tool, depending on the technology for implementing hardening, increases on average by 15-25% compared with the known method of increasing wear resistance.

Источники информации
1. А.С. СССР 986619, В 23 В 27/16, 1983.Sources of information
1. A.S. USSR 986619, 23V 27/16, 1983.

2. Галей М.Т., В.С. Ашихмин. Изучение влияния магнитного поля на стойкость быстрорежущего инструмента //СТИН 4, 1981, с. 31-33. 2. Galey M.T., V.S. Ashihmin. Studying the influence of a magnetic field on the resistance of a high-speed tool // STIN 4, 1981, p. 31-33.

Claims

1. A method of increasing the wear resistance of cutting tools due to the formation of magnetostrictive compressive stresses using a magnetic field in the cutting part, characterized in that the magnetic field strength is set higher than the magnetic saturation state of the tool material, the magnetostrictive compressive stress vector is oriented normally to the crack propagation plane corresponding to the type of deformation the cutting part of the tool, and the magnetic field is carried out continuously.

2. A method of increasing the wear resistance of cutting tools according to claim 1, characterized in that the magnetic field strength during hardening of a tool made of carbon steel is set in the range of 1100-1300 kA / m, from alloyed - 1400-1600 kA / m, from high-speed - 1700 -1800 kA / m.