RU110015U1

RU110015U1 - CERAMICA CUTTING PLATE

Info

Publication number: RU110015U1
Application number: RU2011121953/02U
Authority: RU
Inventors: Валерий Викторович Кузин; Сергей Юрьевич Федоров; Михаил Юрьевич Федоров
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2011-11-10

Abstract

Режущая пластина из керамики, выполненная в виде многогранника, имеющая верхнюю, нижнюю и боковые поверхности, режущие кромки, образованные пересечением верхней и нижней поверхностей с боковыми поверхностями, а также с упрочняющими фасками на режущих кромках, отличающаяся тем, что каждая из упрочняющих фасок выполнена в виде винтовой радиусной поверхности, при этом угол наклона упрочняющей фаски к передней поверхности вдоль режущей кромки составляет от 10 до 25°, а ширина фаски составляет 0,15-0,35 мм. A ceramic cutting insert made in the form of a polyhedron, having upper, lower and side surfaces, cutting edges formed by the intersection of the upper and lower surfaces with the side surfaces, as well as with reinforcing chamfers on the cutting edges, characterized in that each of the reinforcing bevels is made in in the form of a helical radius surface, while the angle of inclination of the reinforcing chamfer to the front surface along the cutting edge is from 10 to 25 °, and the width of the chamfer is 0.15-0.35 mm.

Description

Полезная модель относится к обработке металлов резанием, в частности, к прерывистому точению и растачиванию отливок из серых чугунов.The utility model relates to the processing of metals by cutting, in particular, to intermittent turning and boring of castings from gray cast iron.

В настоящее время изготавливаются режущие пластины из керамики для конкретных условий эксплуатации, которые характеризуются определенным набором внешних нагрузок. Однако эти режущие пластины не способны эффективно противостоять отказам под действием других внешних нагрузок. Это связано со значительным влиянием напряженно-деформированного состояния керамических режущих пластин на вероятность зарождения в них эксплуатационных дефектов и развития трещин.Ceramic cutting inserts are currently being manufactured for specific operating conditions, which are characterized by a specific set of external loads. However, these cutting inserts are not able to effectively resist failures under the influence of other external loads. This is due to the significant influence of the stress-strain state of ceramic cutting inserts on the probability of the appearance of operational defects and the development of cracks in them.

Особо сложное напряженно-деформированное состояние режущих пластин формируется в условиях прерывистой обработки и, в частности, при прерывистом точении отливок из серых чугунов. Режущие пластины из керамики, созданные специально для непрерывного точения и фрезерования, не выдерживают экстремально высоких и нестабильных нагрузок, что приводит к резкому увеличению их непрогнозируемых отказов. Повысить эксплуатационные показатели режущих пластин из нитридной керамики в условиях высоких и нестабильных силовых и тепловых нагрузок возможно на основе системного подхода к их разработке, изготовлению и эксплуатации.A particularly complex stress-strain state of the cutting inserts is formed under intermittent machining conditions and, in particular, during intermittent turning of gray iron castings. Ceramic inserts designed specifically for continuous turning and milling do not withstand extremely high and unstable loads, which leads to a sharp increase in their unpredictable failures. It is possible to improve the performance of nitride ceramic cutting inserts under conditions of high and unstable power and thermal loads based on a systematic approach to their development, manufacture and operation.

Как показывает практика, геометрические параметры керамических режущих пластин оказывают существенное влияние на их эксплуатационные показатели.As practice shows, the geometric parameters of ceramic cutting inserts have a significant impact on their performance.

Также известен способ увеличения стойкости режущей пластины, за счет изготовления на режущей кромке упрочняющей фаски специальной геометрии и формы (см. RU 45106 U1, 7 В23С 5/20, опубл. 27.04.2005 г.)Also known is a method of increasing the resistance of a cutting insert by manufacturing on the cutting edge a reinforcing chamfer of special geometry and shape (see RU 45106 U1, 7 V23C 5/20, publ. 04/27/2005)

Наиболее близким решением из уровня техники по технической сути является конструкция режущей пластины, имеющая упрочняющую фаску с постоянным значением угла наклона к передней поверхности и постоянную ширину по всему периметру режущих кромок. Такие пластины эффективно используются при непрерывном точении (РКС22) и фрезеровании (РКС31) серых чугунов. (Кузин В.В. Инструменты с керамическими режущими пластинами. М.: Янус-К. 2006. 160 с.).The closest solution from the prior art in technical essence is the design of the cutting insert having a reinforcing bevel with a constant value of the angle of inclination to the front surface and a constant width around the entire perimeter of the cutting edges. Such plates are effectively used for continuous turning (PKC22) and milling (PKC31) of gray cast irons. (VV Kuzin. Tools with ceramic cutting inserts. M.: Janus-K. 2006.160 s.).

Недостатком данной известной из уровня техники режущей пластины следует отнести большую величину износа по задней поверхности и повышенное значение интенсивности напряжений в режущей пластине, формирующихся под действием распределенной силовой нагрузки, возникающей при прерывистом точении отливок из серых чугунов. Эти увеличенные напряжения приводят к разрушению и сколу режущей кромки и преждевременному выходу пластины из работоспособного состояния. Риск таких дефектов возрастает в процессе прерывистого точения отливок из серых чугунов, который сопровождается присутствием литейной «корки» на обрабатываемых поверхностях, переменной величиной припуска, повышенном дисбалансом заготовки, наличием технологических отверстий. Это означает крайне высокую нестабильность циклических силовых и тепловых нагрузок действующих на режущую пластину и интенсивное действие ударных сил на активную часть режущей кромки пластины.The disadvantage of this cutting insert known from the prior art is the large amount of wear on the rear surface and the increased value of the intensity of stresses in the cutting plate, which are formed under the influence of the distributed power load that occurs during intermittent turning of gray iron castings. These increased stresses lead to destruction and chipping of the cutting edge and premature exit of the insert from a healthy state. The risk of such defects increases during intermittent turning of gray cast iron castings, which is accompanied by the presence of a casting “crust” on the machined surfaces, a variable allowance, an increased imbalance of the workpiece, and the presence of technological holes. This means extremely high instability of cyclic power and thermal loads acting on the cutting insert and the intense action of shock forces on the active part of the cutting edge of the insert.

В результате изучения кинетики отказов керамических режущих пластин при прерывистом точении заготовок из серых чугунов выявлено следующее, что основной причиной отказов этих режущих пластин из работоспособного состояния является износ задней поверхности. Особенностью кинетики изнашивания режущих пластин из керамики является четкий контур фаски износа задней поверхности вдоль их лезвия. На общем участке износа выделяются три характерные области, имеющие разную морфологию поверхности износа. Первая область образуется при вершине режущей пластины, вторая - в средней части активного участка лезвия, а третья - на периферии активной части лезвия режущей пластины. Наибольшие значения фаски износа задней поверхности этих режущих пластин во всех случаях фиксируются на периферийном участке активной части их лезвия. В формировании поверхности этого изношенного участка режущих пластин задействованы механизмы межкристаллитного и транскристаллитного разрушения, ведущая роль этих механизмов, определяется тем, что на каждом характерном участки износа задней поверхности действует оригинальный набор эксплуатационных нагрузок. Этот набор характеризуется определенным сочетанием теплового потока, сосредоточенных и распределенных сил. Каждый набор нагрузок определяет ведущий механизм микроразрушения или скола режущей пластины при прерывистом точении отливок из серого чугуна.As a result of studying the kinetics of failures of ceramic cutting inserts during intermittent turning of billets of gray cast irons, the following was revealed that the main cause of failures of these cutting inserts from a working state is wear on the back surface. A feature of the kinetics of wear of ceramic cutting inserts is a clear contour of the chamfer of wear on the rear surface along their blade. Three characteristic regions with different morphology of the wear surface are distinguished in the common wear section. The first region is formed at the top of the insert, the second in the middle part of the active portion of the blade, and the third on the periphery of the active part of the blade of the insert. The highest values of the chamfer of wear on the rear surface of these cutting inserts in all cases are fixed on the peripheral section of the active part of their blades. Mechanisms of intergranular and transcrystalline fracture are involved in the formation of the surface of this worn section of the cutting inserts, the leading role of these mechanisms is determined by the fact that each characteristic wear section of the back surface has an original set of operating loads. This set is characterized by a certain combination of heat flux, concentrated and distributed forces. Each set of loads determines the leading mechanism of microfracture or chip cutting during intermittent turning of gray iron castings.

В основу заявленной полезной модели была положена задача управления эксплуатационными нагрузками за счет создания специальной геометрии упрочняющей фаски на режущей кромке, с целью минимизации действия неблагоприятных нагрузок на их задней поверхности и уменьшения вероятности появления эксплуатационных дефектов, в виде микротрещин, в режущей пластине из керамики при прерывистом точении отливок из чугунов.The claimed utility model was based on the task of managing operational loads by creating a special geometry of the reinforcing chamfer on the cutting edge, in order to minimize the effects of adverse loads on their rear surface and to reduce the likelihood of operational defects, in the form of microcracks, in a ceramic cutting plate with intermittent turning of castings from cast iron.

Поставленный технический результат, решается посредством того, что режущая пластина из керамики, выполненная в виде многогранника, имеющая верхнюю, нижнюю и боковые поверхности, режущие кромки, образованные пересечением верхней и нижней поверхностей с боковыми поверхностями, а также с упрочняющими фасками на режущих кромках, согласно полезной модели, каждая из упрочняющих фасок выполнена в виде винтовой радиусной поверхности, при этом угол наклона упрочняющей фаски к передней поверхности, вдоль режущей кромки составляет от 10 до 25°, а ширина фаски составляет 0,15-0,35 мм.The technical result achieved is solved by the fact that the ceramic insert made in the form of a polyhedron having upper, lower and side surfaces, cutting edges formed by the intersection of the upper and lower surfaces with the side surfaces, as well as with reinforcing chamfers on the cutting edges, according to utility model, each of the reinforcing chamfers is made in the form of a helical radius surface, while the angle of inclination of the reinforcing bevel to the front surface, along the cutting edge is from 10 to 25 °, and The chamfer is 0.15-0.35 mm.

Полезная модель поясняется графическими материалами.The utility model is illustrated by graphic materials.

Фиг.1 - чертеж пластины, вид сверху;Figure 1 is a drawing of a plate, a top view;

Фиг.2 - чертеж пластины, вид сбоку;Figure 2 is a drawing of a plate, side view;

Фиг.3 - вид I-I (сечение) из фиг.1 в увеличенном (в десять раз) масштабе;Figure 3 - view I-I (section) of figure 1 in an enlarged (ten times) scale;

Фиг.4 - вид II-II (сечение) из фиг.1 в увеличенном (в десять раз) масштабе;Figure 4 - view II-II (section) of figure 1 in an enlarged (ten times) scale;

Фиг.5 - вид III-III (сечение) из фиг.1 в увеличенном (в десять раз) масштабе;Figure 5 is a view of III-III (section) of figure 1 in an enlarged (ten times) scale;

Фиг.6 - вид IV-IV (сечение) из фиг.1 в увеличенном (в десять раз) масштабе.6 is a view of IV-IV (section) of figure 1 in an enlarged (ten times) scale.

Режущая пластина из керамики, выполненная в виде многогранника имеет верхнюю поверхность 1, нижнюю поверхность 2 и боковые поверхности 3, режущие кромки 4, образованные пересечением верхней поверхности 1 и нижней поверхности 2 с боковыми поверхностями 3, а также расположенные по периметрам верхней поверхности 1 и нижней поверхности 2 наклонные фаски 5, выполненные виде винтовой радиусной поверхности. Фаски имеет ширину 0,15-0,35 мм и примыкают к режущим кромкам 4 таким образом, что часть каждой криволинейной (в поперечном сечении) поверхности фаски 5 является частью режущей кромки 4. Поверхность наклонной фаски 5 в поперечном сечении представлена частью окружности с радиусом R, шириной f, измеряемой в проекции на переднюю поверхность, и углом наклона γ к передней поверхности. Угол наклона у фаски 5 составляет 10-25°, ширина фаски f составляет 0,15-0,35 мм, а радиус фаски R равен 1,0-5,0 ширины фаски f. Указанные диапазоны значений геометрических параметров конструкции пластины из керамики получены расчетным путем и подтверждены экспериментально.A ceramic cutting insert made in the form of a polyhedron has an upper surface 1, a lower surface 2 and side surfaces 3, cutting edges 4 formed by the intersection of the upper surface 1 and the lower surface 2 with the side surfaces 3, and also located along the perimeters of the upper surface 1 and lower surface 2 inclined chamfers 5 made in the form of a helical radius surface. The chamfer has a width of 0.15-0.35 mm and is adjacent to the cutting edges 4 so that part of each curved (in cross section) surface of the chamfer 5 is part of the cutting edge 4. The surface of the inclined chamfer 5 in cross section is represented by a part of a circle with a radius R, the width f, measured in projection onto the front surface, and the angle of inclination γ to the front surface. The angle of inclination of the chamfer 5 is 10-25 °, the width of the chamfer f is 0.15-0.35 mm, and the radius of the chamfer R is equal to 1.0-5.0 of the width of the chamfer f. The indicated ranges of values of the geometric parameters of the ceramic wafer design were obtained by calculation and confirmed experimentally.

Технологический процесс изготовления режущих пластин из нитридной керамики включал следующие операции: термическая обработка исходного порошка нитрида кремния, смешивание компонентов керамического материала, прессование порошковых заготовок, горячее изостатическое прессование заготовок, заточка режущих пластин. Режущая пластина имеет состав - 68%Si₃N₄-5%Y₂O₃-2%Al₂O₃-25%SiC.The technological process for the manufacture of nitride ceramic cutting inserts included the following operations: heat treatment of the initial silicon nitride powder, mixing the components of the ceramic material, pressing the powder billets, hot isostatic pressing of the billets, sharpening the cutting plates. The cutting insert has a composition of 68% Si ₃ N ₄ -5% Y ₂ O ₃ -2% Al ₂ O ₃ -25% SiC.

Рациональный выбор компонентов нитридной керамики, ширины и угла упрочняющей фаски на режущих кромках обеспечил уменьшение напряжений в режущих пластинах, снижение на 15-20% вероятности появления в них поврежденностей (эксплуатационных дефектов), что позволило повысить стойкость разработанных режущих пластин на 30-50% по сравнению с пластинами РКС22 и РКС31.The rational choice of the components of nitride ceramics, the width and angle of the reinforcing chamfer on the cutting edges reduced the stresses in the cutting inserts, reduced by 15-20% the likelihood of damage (operational defects) in them, which made it possible to increase the resistance of the developed cutting inserts by 30-50% by compared with the plates PKC22 and PKC31.

Данная конструкция режущей пластины была изготовлена и прошла испытания на лабораторной базе ГОУ ВПО МГТУ «Станкин» с положительным результатом при прерывистом точении отливок из серых чугунов, (см. таблицу 1).This design of the cutting insert was made and tested on the laboratory base of GOU VPO MSTU "Stankin" with a positive result with intermittent turning of castings from gray cast iron, (see table 1).

Таблица 1.Table 1. Ширина фаски износаWear Chamfer Width Значение упрочняющей фаски f∙γThe value of the reinforcing bevel f ∙ γ 0,1 мм ∙5°0.1 mm ∙ 5 ° 0,15 мм ∙10°0.15 mm ∙ 10 ° 0,25 мм ∙20°0.25 mm ∙ 20 ° 0,35 мм ∙25°0.35 mm ∙ 25 ° 0,4 мм∙30°0.4 mm ∙ 30 ° h_{з вершина} h _{s top} 0,350.35 0,210.21 0,260.26 0,310.31 0,380.38 h_{з переферия} h _{z periphery} 0,70.7 0,40.4 0,420.42 0,470.47 0,60.6

Как видно из таблицы ширина фаски и угол ее наклона при выходе за границы заявленного интервала приводит к увеличению интенсивности изнашивания по задней поверхности на всем участке активной части лезвия. При достижении значений фаски износа h_з=0,5-0,7 мм значительно увеличиваются термические напряжения в режущих пластинах из керамики, что приводит к резкому повышению вероятности их непрогнозируемых отказов и выходу из работоспособного состояния.As can be seen from the table, the width of the chamfer and the angle of its inclination when going beyond the boundaries of the declared interval leads to an increase in the wear rate along the back surface over the entire area of the active part of the blade. When the values of the chamfer wear h _h = 0.5-0.7 mm are achieved, the thermal stresses in the ceramic cutting inserts increase significantly, which leads to a sharp increase in the probability of their unpredictable failures and exit from a healthy state.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимых пунктах формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата. Свойства, регламентированные в заявленной режущей пластине из керамики отдельными признаками общеизвестны из уровня техники, и не требуют дополнительных пояснений. Однако, следует отметить, что заявленная совокупность существенных признаков на дату приоритета неизвестна из уровня техники и обеспечивает эффективное применение режущей пластины из керамики при прерывистом точении отливок из серых чугунов.The analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the characteristics indicated in the independent claims are essential and interconnected with each other with the formation of a stable set of necessary features sufficient to obtain the desired technical result. The properties regulated in the claimed ceramic cutting insert by certain features are well known in the art and require no further explanation. However, it should be noted that the claimed combination of essential features for the priority date is unknown from the prior art and provides effective use of a ceramic cutting insert for intermittent turning of gray cast iron castings.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования в области машиностроения, а в частности, на предприятиях автомобиле- и тракторостроения на операциях точения и растачивания деталей, выполненных из отливок из серых чугунов;- the object embodying the claimed technical solution, when it is implemented, is intended for use in the field of mechanical engineering, and in particular, at automobile and tractor manufacturing enterprises, in the operations of turning and boring parts made of gray cast iron castings;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the claimed object in the form described in the independent clause of the formula below, the possibility of its implementation using the means and methods described above or known from the prior art on the priority date is confirmed;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- the object embodying the claimed technical solution, when implemented, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствуют требованию условия патентоспособности «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed subject matter meets the patentability requirements “industrial applicability” under applicable law.

Claims

A ceramic cutting insert made in the form of a polyhedron, having upper, lower and side surfaces, cutting edges formed by the intersection of the upper and lower surfaces with the side surfaces, as well as with reinforcing chamfers on the cutting edges, characterized in that each of the reinforcing chamfers is made in in the form of a helical radius surface, while the angle of inclination of the reinforcing chamfer to the front surface along the cutting edge is from 10 to 25 °, and the width of the chamfer is 0.15-0.35 mm.