End cutting tool (drill bits, end mills, taps, reamers etc.) is practicable to make from heterogeneous steels. Cutting (working) part is made of high-speed steel, which is more wear-resistant, firm, red-resistant and therefore costly. On the other hand, construction steels are used for production of tale part of the instrument. That gives more viscosity for this part and reduces cost of the instrument significantly.
There are several beneficial effects that are accomplished with a use of friction welding in the production of end cutting tools. Firstly, the quality of the joint and cos φ is significantly improved. This method is efficient in terms of high-speed and construction steel wastes. Research has shown that the method of friction welding reduces the defect percentage and increases productivity of the workforce by 5-15%, depending on the factors and conditions of the particular production facility.
Studies of working conditions of a large batch production of cutting tools with usage of friction welding, were carried out on Voskov’s plant. They convincingly confirmed the assumptions about the increase of stability of the welding quality and reliability of the instrument after switching from resistance welding to friction welding (table 1).
Table 1. Friction welding and electric resistance welding joints’ characteristics
In addition to the static test a study of the fatigue strength of the welded joint was carried out. With the basis of 10^7 cycles, fatigue strength of the R18 high-speed + 45 steel equals 21 -22 kgF/mm^2 as for the samples welded by friction, and for samples made by electric resistance welding. It should be noted that the latter samples were welded in the laboratory, and the samples welded by friction, selected from the party, made on the production facility.
The research has also demonstrated the results of tests of friction welded tool (keyway and end mills, drills) during a normal exploitation, but at mean loads that exceeds the normative. Slot drills were tested at feed rates that are 4 times higher than the norm, and for double speed compared to the standards. End mills were tested at twice the speed of rotation and 5 to 7 times feed rates. All mills has passed the test since there were no brakes in the place of joint.
The work shows the results of torsion testing for series of drills. It has been established that the tool welded by friction maintains torque with the seven fold margin comparing with the moment, which is required for drilling in steel with a tensile strength (Rm = 75 kgF / mm^2) for regulatory regimes of cutting. High strength characteristics of the compound is consistent with the results of its macro and micro structure.
There is no characteristic for resistance welding structure ledeburite at the junction in the compounds of friction welded steel R18 and 45. The strip of fine-grained austenite before annealing is found instead. Fine grain is probably emerged because of the high cooling rate interface and low residence time of the metal at high temperatures.
The authors of [1] attribute the detection of an austenitic layer in the junction to the fact that the friction process occurs within the temperature range from the melting point to the Ac3. Decarburization of structural steel and contraction of high speed steel occurs significantly less with use of the friction welding than with electrical resistance welding. Structure of smooth transition from the joint metal to the base metal is formed In the heat-affected zone.
The favorable structure of the metal joint and zones of thermal influence combined with the absence of macro defects of compounds is reached in the tool-workpiece, which is made using friction welding. With properly selected welding modes there are no pores, sinks, oxide inclusions, bundles, cracks and other vices at the junction.
The quality of welded joints is greatly influenced by the selection of welding mode. However, experience in industrial application of friction welding of workpieces of the cutting instrument showed that its welding modes allow some variation. Thus, the initial friction welding tool that was made by our workforce at a linear velocity on the surface of samples of the order of 1 m / s and at a constant cycle pressure Ph = PNP = 12 – 14 kg / mm. Analogical friction welding modes has been successfully applied in many enterprises so far (over 10 years).
He was later offered a step cycle with higher pressure? Tion pressure forging, which is the basis of most modern machines for friction welding blanks cutting tools, including specialized machines and semi-automatic machines.
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.