Концевой режущий инструмент (свёрла, торцовые фрезы, метчики, развёртки и т.п.) целесообразно изготавливать из разноимённых сталей. Режущая (рабочая) часть выполняется из быстрорежущей стали (Р9, Р18, Р6М5 и др.), имеющей высокую стоимость и отличающейся высокой износостойкостью, твёрдостью, красностойкостью. Для изготовления хвостовой части инструмента обычно применяют конструкционные стали марок 45 и 40Х, для придания этой части большей вязкости, что одновременно и значительно удешевляет стоимость инструмента.
При применении сварки трением: повышается качество соеди нения и значительно увеличивается стабильность ero свойств; достигается значительная экономия быстрорежущей стали; сокращается расход конструкционной стали; уменьшается установленная мощность оборудования; улучшается cos φ. Кроме того, как показал этот же опыт промышленноrо использования сварки трением, значительно сокращается брак по сварке и на 5- 15% (в зависимости от характера и условий производства на данном предприятии) повышается производительность труда.
Тщательно поставленные исследования сварки трением большой партии режущего инструмента, выполненной в производственных условиях, были проведены на заводе им. Воскова. Они убеди тельно подтвердили данные об увеличении стабильности качества сварки и надежности инструмента после замены контактной сварки сваркой трением (табл. 1).
Таблица 1. Характеристики соединений, полученных сваркой трением и стыковой электросваркой
Кроме статических испытаний было выполнено также исследование усталостной прочности cвapнoгo соединения (знакопере менный изгиб в процессе кручения образца). При базе 10^7 циклов усталостная прочность соединения из Р18 + сталь 45 состa вила 21 -22 кГ/кв.мм как для образцов, сваренных трением, так и для образцов, выполненных с помощью электрической контактной сварки. При этом надо заметить, что последние образцы сваривались в лаборатории, а образцы, сваренные трением, отобраны от партии, выполненной в производственном цехе.
В работе [1] сообщается также о результатах испытаний сваpeннoгo трением инструмента (шпоночных и концевых фрез, сверл) в условиях обычной eгo эксплуатации, но при нагрузках, значи тельно превышающих нормативные: шпоночные фрезы испытывались при подачах, в 4 раза превышающих нормы, и при двукратных, по сравнению с нормами, скоростях вращения. Концевым фрезам при удвоенных скоростях вращения задавались 5- 7 кpaтныe скорости подач. Все фрезы выдержали испытания: происходили поломки режущей части, но не было ни одноrо раз рушения cвapнoro соединения.
В работе [1] приведены также результаты испытаний серии сверл на кручение. Установлено, что инструмент, сваренный тpe нием, выдерживает момент с семикратным запасом по сравнению с тем моментом, который необходим для сверления стали с пределом прочности (σв = 75 кГ/кв.мм) при нормативных режимах pe зания. Высокие прочностные характеристики соединения вполне согласуются с результатами исследований eгo мaкpo- и микро структуры.
В соединениях, сваренных трением из сталей Р18 и 45, в стыке отсутствует характерная для электрической контактной сварки структура ледебурита. Вместо нее обнаруживается плохо про травливаемая до отжига полоса мелкозернистого аустенита. Обра зование мелкоrо зерна, вероятно, обязано высоким скоростям охлаждения стыка и малому времени пребывания металла при высоких температурах.
Обнаружение аустенитной прослойки в стыке авторы работы [1] связывают с тем, что процесс сварки протекает в интервале температур между точками Ас3 и плавления. При сварке трением наблюдается значительно меньше, чем при электрической сварке, обезуглероживание конструкционной стали и обеднение карбидами быстрорежущей стали. В зоне термического влияния образуется структура плавного перехода от металла стыка к основному металлу.
В заготовках инструмента, выполненных с применением сварки трением, благоприятная структура металла стыка и зон термиче cкoгo влияния сочетается с отсутствием макропороков соединения; при правильно выбранных режимах сварки в стыке отсутствуют поры, раковины, окисные включения, расслоения, трещины и дpy гие пороки.
На качество cвapнoгo соединения большое влияние оказывает правильность выбора режима сварки. Однако опыт промышлен нoгo применения сварки трением заготовок режущего инстру мента показал, что режимы ero сварки позволяют некоторое варьирование. Так, впервые сварка трением инструмента была нами выполнена при линейной скорости на поверхности образцов порядка 1 м/сек и при постоянном цикле давления Рн = Рnр = 12 — 14 кГ/кв.мм. Аналоrичные режимы сварки трением до сих пор (более 10 лет) успешно применяются на многих предприятиях.
Позднее был предложен ступенчатый цикл давления с повыше нием давления при проковке, который положен в основу работы большинства современных машин для сварки трением заготовок режущего инструмента, в том числе и специализированных автоматов и полуавтоматов.
Одной из исследовательских организаций был рекомендован значительно более жесткий режим сварки трением заготовок режу щего инструмента из сталей Р18 и 45; давление нaгpeвa и проковки составляли соответственно 8- 12 и 18- 22 кГ/кв.мм; при этом линей ная скорость вращения рекомендовалась повышенная порядка 1 2,5 м/сек.
С другой стороны, на нескольких предприятиях была успешно внедрена сварка трением тех же материалов на режимах, peкомендованных другим исследователем, снова применившим цикл с постоянным, но повышенным до 16 кГ/кв.мм давлением, благодаря чему оказалось возможным вести процесс сварки на значительно пониженных скоростях 0,25 -0,6 м/сек.
Наконец, режимы, разработанные в Польше, применительно к сварке трением сталей, весьма близких по своим теплофизическим свойствам к сталям российских марок, в свою очередь отличаются от режимов, названных выше. Для удобства сопоставления названные режимы сварки сведены в табл. 2.
Таблица 2. Различные режимы сварки заготовок режущего инструмента из сталей Р18 и 45
Все эти режимы позволяют получить вполне удовлетворитель ные по механическим свойствам сварные заготовки режущего инструмента. Это еще лишний раз доказывает возможность варьи рования режимов сварки трением и в частности значений скорости вращения. Это позволяет назначать режимы сварки трением не только исходя из технологии процесса, но и учитывая другие соображения, например конструкцию машины, условия произ водства на данном предприятии и др.
В связи с изложенным, однако, необходимо еще раз подчерк нуть, что недопустимо варьировать лишь один из параметров процесса; изменение, например, скорости вращения влечет за собой необходимость изменения величины удельного давления нaгpeвa или времени нaгpeвa при сварке.
На качество соединения большое влияние оказывает и правильность выбора режима термической обработки заготовки после сварки.
Соединение сталей с различными теплофизическими свойствами может приводить к возникновению внутренних напряжений. Пластическая деформация переохлажденного аустенита препят ствует росту этих напряжений до недопустимых пределов. Появле ние трещин можно ожидать лишь после начала мартенситного превращения в районе стыка. При медленном охлаждении свapeнных заготовок «вместе с печью» от температуры порядка 400С весь объем металла в каждый момент времени оказывается нaгpe тым до одной и той же температуры, мартенсит образуется одновременно по всему сечению заготовки и трещинообразование этим предотвращается. Поэтому заготовка после сварки должна быть немедленно помещена в сборник (корзину) с указанной выше температурой для последующего охлаждения всей корзины, коrда она наполнится заготовками. При этом процесс охлаждения должен протекать тем медленнее, чем массивнее заготовки. Этот тепло вой режим применяется на подавляющем большинстве заводов для предотвращения появления трещин после сварки. Но и при таком замедленном охлаждении зона стыка все же обладает повышенной твердостью; перед снятием грата и механи ческой обработкой заготовки рекомендуется подвергать отжигу по одному из следующих режимов:
нормальный отжиг (предварительно охлажденные заготовки) нaгpeв в течение 8- 10 ч до температуры 850С, выдержка при этой температуре до 2 ч и медленное охлаждение с печью до температуры около 500С, в течение 10- 12 ч, после чего охлаждение на воздухе;
изотермический отжиг заготовки, минуя сбор ник, помещаются непосредственно в нагретую печь, которая после заполнения медленно (3 ч) нагревается до температуры 850С, за тем выдержка при этой температуре около 2 ч, и ступенчатое охлаждение: до температуры 740- 750С в течение 4- 5 ч, выдержка при этой температуре 5 -6 ч и далее охлаждение (вместе с печью или вне печи в сборниках).
После механической обработки сваренные детали подвергаются закалке и трехкратному отпуску:
закалка - предварительный нaгpeв до 800- 850С в хлористо -бариевой с поваренной солью ванне; окончательный нaгpeв до 1260- 1270С в соляной хлористобариевой ванне; охлаждение до 400- 500С в расплавленной каустической соде; трехкратный отпуск в селитровой ванне при температуре 550- 560С в течение часа.
Приведенные режимы термической обработки заимствованы из опыта Сестрорецкого инструментальноrо завода им. Воскова [1], но не исключена возможность применения и других режимов, отличающихся от приведенных.
Практика промышленноrо использования сварки трением многими предприятиями нашей страны и за рубежом показала не только существенные ее технические преимущества, но и значи тельный экономический эффект от замены ею применявшейся ранее для этой цели электрической контактной сварки. Сварка трением отличается от электрической контактной сварки встык заготовок инструмента значительным сокращением расхода быстрорежущей стали. При электрической сварке оплавлением общее укорочение свариваемых заготовок происходит преимущественно за счет выгорания быстрорежущей стали; одновременно, но в меньшей мере, выгорает и вторая часть заготовки из конструкционной стали.
При сварке трением быстрорежущая сталь материал твердый и плохо деформируемый при температурах сварки почти не укорачивается; потери конструкционной стали при сварке тpe нием, в особенности в случае ведения процесса с применением матрицы, также уменьшаются. Машина, работающая в течение года в две смены со средней производительностью 80 сварок в час (теорети ческая производительность такой машины 110 -120 сварок в час), даёт экономию быстрорежущей стали более 4 т.
К этому следует добавить, что оборудование для свapки трением позволяет получать заготовки, сваренные с большей соосностью, чем при контактной сварке, а это дает возможность сократить припуск на обработку по диаметру и в результате получить добавочную экономию дорогостоящей стали и денежных средств.
Сокращение электроэнергии на сварку, улучшение cos φ, co кращение установленной мощности оборудования и оплаты ее, уменьшение необходимых производственных площадей, сокраще ние брака по сварке делают экономический эффект от замены контактной сварки инструмента сваркой трением еще более ощу тимым.
Улучшение свойства cвapнoгo соединения и высокая экономи ческая эффективность процесса, позволяющие окупить затраты, связанные с внедрением сварки трением, в течение нескольких месяцев эксплуатации оборудования, объясняют успешное внeдpe ние сварки в сферу производства металлорежущего инструмента как в инструментальных цехах металлообрабатывающих заводов, так и на специализированных инструментальных заводах. В последнем случае эффект от внедрения, разумеется, гораздо значи тельнее.
Источник: Сварка металлов трением. Вилль В. И., «Машиностроение», 1970.
Литература:
1. Аверин И.В., Кабанов Н.Н. Сварка трением в инструментальном производстве. Л. Машгиз, 1962.