ИССЛЕДОВАНИЕ ФРЕЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ 40ХН2МА

RESEARCH ON MILLING OF ALLOY STEEL 40KHN2MA

Semenova Yulia Aleksandrovna

Master's student, East Siberian State University of Technology and Management, Russia, Ulan-Ude

Baturin Valery Nikolaevich

Scientific supervisor, Ph.D., Associate Professor, East Siberian State University of Technology and Management, East Siberian State University of Technology and Management, Russia, Ulan-Ude

Аннотация. Статья посвящена экспериментальному исследованию фрезерной обработки легированной стали 40ХН2МА (твердость 30–35 HRC), применяемой в авиа- и машиностроении.

Цель работы - оптимизация режимов резания для твердосплавных концевых фрез с покрытиями TiN, TiCN, AlTiN и без покрытия.

В ходе полного факторного эксперимента (матрица Бокса-Бенкена) измерялись силы резания, температура в зоне резания, шероховатость поверхности и стойкость инструмента. Установлено, что покрытие AlTiN обеспечивает максимальную стойкость (42 мин против 12 мин у непокрытого инструмента при Vc=120 м/мин, fz=0,12 мм/зуб, ap=1,5 мм). Получены статистически значимые регрессионные модели (R²>0,92). Оптимальные режимы для чистовой обработки: Vc=110-130 м/мин, fz=0,08-0,12 мм/зуб, ap≤0,5 мм; для черновой: Vc=60-80 м/мин, fz=0,15-0,20 мм/зуб, ap≤2,5 мм. Экономический анализ показал преимущество AlTiN (снижение затрат на инструмент на 37% по сравнению с TiN).

Abstract. The article presents an experimental study of milling of alloy steel 40KhN2MA (hardness 30-35 HRC), widely used in aerospace and mechanical engineering.

The aim is to optimize cutting parameters for carbide end mills with TiN, TiCN, AlTiN coatings and uncoated tools.

A full factorial experiment (Box-Behnken design) was conducted to measure cutting forces, temperature, surface roughness (Ra), and tool life. AlTiN coating demonstrated the highest tool life (42 min vs. 12 min for uncoated tool at Vc=120 m/min, fz=0.12 mm/tooth, ap=1.5 mm). Regression models with R²>0.92 were obtained. Optimal finishing parameters: Vc=110-130 m/min, fz=0.08-0.12 mm/tooth, ap≤0.5 mm; roughing: Vc=60-80 m/min, fz=0.15-0.20 mm/tooth, ap≤2.5 mm. Economic analysis shows 37% cost reduction with AlTiN compared to TiN.

Ключевые слова: Сталь 40ХН2МА, легированная сталь, фрезерная обработка, оптимизация режимов резания, твердосплавные фрезы, покрытия AlTiN, TiCN, TiN, СОЖ.

Keywords: Steel 40KhN2MA, alloy steel, milling, cutting parameters optimization, carbide cutters, AlTiN, TiCN, TiN coatings, cutting fluids.

Введение

Легированная сталь 40ХН2МА (хромоникельмолибденовая) благодаря высокой прочности (σв ≈ 1000-1200 МПа), ударной вязкости (KCU ≥ 0,8 МДж/м²) и износостойкости широко используется для изготовления ответственных деталей - валов, шестерен, элементов шасси и двигателей. Однако низкая теплопроводность (≈ 30 Вт/(м·К)) и склонность к наклепу затрудняют механическую обработку, вызывая интенсивный износ инструмента.

Цель работы - повышение эффективности фрезерования стали 40ХН2МА путем обоснованного выбора инструментальных покрытий и оптимизации режимов резания.

Задачи:

1. Экспериментально оценить влияние покрытий (TiN, TiCN, AlTiN) на стойкость, силы резания и качество поверхности.

2. Получить регрессионные зависимости выходных параметров от режимов резания.

3. Определить оптимальные диапазоны режимов для черновой и чистовой обработки.

1. Методология исследования

Оборудование и условия:

Эксперименты выполнены в лаборатории механической обработки АО «У-УАЗ» (г. Улан-Удэ) на пятиосевом обрабатывающем центре Hermle C40U (ЧПУ iTNC 530, макс. 15000 об/мин, 25 кВт). Использовалась система подачи СОЖ под давлением 8 бар (эмульсия 5%, масляная основа).

Материал образцов:

Сталь 40ХН2МА (ГОСТ 4543-71), улучшенная (закалка 850 °C, масло + отпуск 600 °C, вода) до твердости 32±2 HRC (измерено по ГОСТ 9013-59). Размеры пластин - 100×60×20 мм.

Инструмент: 

Концевые монолитные твердосплавные фрезы (WC-Co с размером зерна 0,6 мкм) диаметром 10 мм, 4 зуба. Покрытия: TiN, TiCN, AlTiN (наноструктурированные, толщина 3-4 мкм). Контрольная группа - без покрытия.

Измерительное оборудование: 

- Динамометр Kistler 9257B (погрешность ±1%) - составляющие силы резания Fx, Fy, Fz. 

- Термопара типа K (хромель-алюмель) - температура в зоне резания (ГОСТ Р 8.585-2001). 

- Профилометр Mitutoyo Surftest SJ-210 - шероховатость Ra (ГОСТ 2789-73). 

- Микроскоп Nikon MM-40 - износ режущей кромки (h3, затупление по задней поверхности).

План эксперимента: 

Трехфакторная матрица Бокса-Бенкена с варьированием скорости резания Vc (50-150 м/мин), подачи на зуб fz (0,05-0,20 мм/зуб) и глубины резания ap (0,5-3,0 мм). Постоянные параметры: ae = 6 мм (60% D), попутное фрезерование. Повторность - 3 раза. Критерии: стойкость T (по затуплению h3=0,3 мм), шероховатость Ra, температура Θ.

Статистическая обработка - в Statistica 13: расчет среднего, доверительный интервал (p=0,95), регрессионный анализ (адекватность по F-критерию).

2. Результаты эксперимента

2.1. Влияние покрытия на стойкость инструмента

Наибольшая стойкость достигнута для покрытия AlTiN (табл. 1). При Vc=120 м/мин, fz=0,12 мм/зуб, ap=1,5 мм стойкость составила 42 мин против 22 мин у TiCN, 15 мин у TiN и 12 мин у непокрытого инструмента. Износ носил преимущественно абразивный характер; у непокрытого инструмента наблюдалось наростообразование.

Таблица 1.

Стойкость инструмента (T, мин) при различных покрытиях (Vc=120 м/мин, fz=0,12 мм/зуб, ap=1,5 мм)

где %ДИ - это параметр, который используется для оценки состояния инструмента и определения момента его замены или переточки.

2.2. Регрессионные модели

Для AlTiN получены следующие уравнения (коэффициенты значимы при p<0,05, R²=0,94–0,96):

- Сила резания Fz (Н) = 245 + 38·Vc* + 72·fz* + 105·ap* + 15·(Vc·ap) 

  (* - нормированные значения)

- Температура Θ (°C) = 520 + 85·Vc* + 45·fz* + 30·ap* - 12·(Vc²)

- Шероховатость Ra (мкм) = 0,85 + 0,12·fz* + 0,08·ap* - 0,05·(Vc·fz)

Анализ показывает, что наиболее сильно на температуру влияет скорость резания (квадратичный член указывает на перегрев при Vc>130 м/мин), а на шероховатость - подача и глубина.

2.3. Оптимальные режимы

Таблица 2.

Рекомендуемые режимы для фрезерования стали 40ХН2МА (фреза Ø10 мм, AlTiN)

При выходе за пределы Vc>140 м/мин наблюдалось падение стойкости до 18 мин из-за термического растрескивания покрытия.

2.4. Экономическая оценка

Сравнение по критерию «объем снятого материала на единицу стоимости инструмента» показало: для AlTiN - 142 см³/у.е., для TiCN - 98 см³/у.е., для TiN - 67 см³/у.е., без покрытия - 45 см³/у.е. Применение AlTiN снижает затраты на инструмент на 37% по сравнению с TiN при годовой программе 1000 деталей.

3. Обсуждение

Полученные результаты согласуются с известными данными о термостойкости покрытий: AlTiN образует оксидную пленку Al₂O₃ при высоких температурах, снижая тепловой поток в инструмент. Рекомендуемые режимы близки к данным справочника [8], но уточнены для современных наноструктурированных покрытий.

Ограничение исследования - фрезы одного диаметра и одна партия материала. В перспективе требуется изучение влияния различных СОЖ и стратегий HSC.

Заключение

1. Покрытие AlTiN обеспечивает наибольшую стойкость (42 мин) при фрезеровании стали 40ХН2МА, что в 3,5 раза выше, чем у непокрытого инструмента.

2. Получены регрессионные модели (R²>0,92), адекватно описывающие силы резания, температуру и шероховатость.

3. Рекомендованы дифференцированные режимы для черновой и чистовой обработки.

4. Экономический эффект от применения AlTiN - снижение инструментальных затрат на 37%.