Влияние криогенной обработки на покрытые и непокрытые твердосплавные пластины при точении и торцевании легированной стали с использованием метода Тагучи

Как увеличить срок службы режущих инструментов

От автомобильных коленчатых валов до деталей авиационной техники современные механизмы зависят от металлических компонентов, которые трудно и дорого обрабатывать. Каждая дополнительная минута работы инструмента на производственной линии экономит деньги и уменьшает отходы. В этом исследовании рассматривается простой, но эффективный способ значительно продлить срок службы распространённых сменных режущих пластин — их охлаждение до экстремально низких температур с последующим щадящим прогревом — обработка, которая может помочь заводам снизить затраты и повысить надёжность.

Почему важно охлаждать инструменты до крайне низких температур

Исследователи сосредоточились на стали марки EN24, широко используемой для деталей, подвергающихся большим нагрузкам, таких как валы и шестерни. Такие детали обычно обрабатывают на токарных станках с использованием небольших сменных твердосплавных пластин, иногда покрытых тонкими керамикоподобными покрытиями. В промышленности покрытые пластины уже популярны, поскольку они лучше сопротивляются износу по сравнению с непокрытыми. Вопрос заключался в том, может ли глубокое замораживание этих покрытых пластин (криогенная обработка) с последующим умеренным отпуском дополнительно повысить их вязкость и долговечность — особенно в условиях прерывистой режущей нагрузки, которые склонны вызывать сколы.

Как команда проверяла инструменты

Команда использовала два типа операций. При непрерывном точении пластина режет вращающийся стальной стержень без прерывания, моделируя длительные равномерные резы. При прерывистом торцевании инструмент многократно входит в контакт и выходит из него с несколькими заготовками, создавая импульсную нагрузку, которая гораздо более агрессивна для режущей кромки. Пластины либо оставляли как при поставке с завода, либо охлаждали до примерно −186 °C в течение 24 часов, затем медленно возвращали к комнатной температуре. Некоторые из криогенно обработанных пластин дополнительно отпускали при 200 °C в течение 150 минут. Исследователи варьировали скорость резания и подачу в соответствии со структурированным планом Тагучи, что позволило им выделить влияние параметров станка, наличия покрытия и обработки на срок службы инструмента.

Что микроскопы показали внутри пластин

Изображения, полученные с помощью растрового электронного микроскопа, показали, что криогенно обработанные твердосплавные пластины приобрели более однородную и тонкую зернистую структуру по сравнению с необработанными. Само покрытие образовывало «сэндвич» из слоёв: более толстый внутренний стэк титановых соединений, сверху которого находился тонкий слой, содержащий оксид алюминия и карбид титана. Полная толщина покрытия составляла около 18 микрометров. Хотя между внутренним и наружным слоями наблюдались некоторые поры и небольшие участки отслоения, в целом адгезия и микроструктура были улучшены у глубоко охлаждённых инструментов. Эта более тонкая и равномерная внутренняя структура помогает лучше распределять напряжения, делая пластины менее склонными к сколам при внезапных нагрузках.

Насколько дольше работали обработанные инструменты

При испытаниях выгоды оказались заметными. В условиях непрерывного точения криогенно обработанные покрытые пластины служили примерно на 43% дольше по сравнению с необработанными покрытыми пластинами при одинаковом уровне износа. Когда к глубокому охлаждению добавлялся отпуск, срок службы увеличивался примерно на 47% при тех же условиях. При более жёстких прерывистых торцевых испытаниях прирост был ещё больше: криогенно обработанные покрытые пластины работали примерно в два раза и ещё на треть дольше, чем необработанные, а глубокое охлаждение с последующим отпуском увеличивало срок службы более чем на 70%. Измерения показали, что скорость резания и подача также имеют значение, но обработка пластины была одним из наиболее важных факторов производительности как при непрерывной, так и при прерывистой обработке.

Что это значит для реального производства

Для неспециалиста главный вывод таков: дополнительная криогенная обработка с последующим отпуском стандартных покрытых твердосплавных пластин может существенно продлить их срок службы и повысить сопротивляемость сколам, не меняя их базовой твердости. На практике это означает меньше замен инструментов, более стабильное качество поверхности и потенциально более низкие производственные затраты при обработке тяжёлых сталей, таких как EN24, особенно в операциях, где инструмент многократно входит и выходит из заготовки. Исследование указывает, что глубокая криогенная обработка с последующим отпуском — многообещающее и относительно простое улучшение для режущих инструментов, используемых в ответственных прерывистых операциях.

Цитирование: Chand, R.P., Shekar, A.C., Rao, C.R.P. et al. Effect of cryogenic treatment on coated and uncoated carbide inserts during turning and facing of alloy steel using Taguchi method. Sci Rep 16, 9962 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40235-w

Ключевые слова: криогенная обработка, твердосплавные режущие пластины, износ инструмента, механическая обработка легированной стали, оптимизация методом Тагучи