Features of Quench Deformational Cutting

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. An effective method of increasing the wear resistance of machine parts is surface hardening. The direct use of metal-cutting equipment to heat the material of the part in the process of abrasive or edge cutting machining is a new promising direction in surface hardening methods. The heating of the surface is achieved in the cutting process due to plastic deformation and friction between the tool and the workpiece and is accompanied by a chip separation. There is also a relatively new method of deformational cutting (DC), which is based on both the cutting process and the targeted deformation of the cut layers. In contrast to the known methods of hardening the surface by turning or grinding, DC hardening is made without separation of the workpiece material as chips. The clipped layer remains on the surface in the form of tightly stacked layers firmly attached to the base. The aim of the work: testing the DC as a method of surface quenching, as well as the identification of the basic laws and features of such surface hardening. The hardened layers on the outer surface of steel samples obtained by the quench DC (QDC) with the thickness of the hardened layer up to 0.6 mm on steel 20, 35, 40Kh are invesigated. Research methods are metallographic tests of hardened structures, including the distribution of hardness, measurement of forces and temperature QDC and tribological tests. Results and discussion. For QDC the special tool is used, providing process of cutting by the main cutting edge and excluding process of cutting on an auxiliary edge. At QDC the undercut layers are intensively deformed, heated and after that cooled by heat transfer into the core of the workpiece. This leads to the formation of hardened inclined thin fins on the surface, having a strong bond with the base and tightly pressed against each other. In the article it is shown that at QDC temperature of the undercut layer sufficient for structural and phase transformations in steels is reached. It is established that the rate of heating is up to two million degrees Celsius per second at ultra-high degrees and rates of strain accompanying the QDC process. These conditions and high cooling rates lead to the formation of non-equilibrium nanostructures with increased hardness and wear resistance. The paper shows the possibility of obtaining quench structures with a thickness of the hardened layer up to 1 mm, including those consisting of alternating inclined layers of different hardness, similar in structure to Damascus steel. The exponential decrease in the hardness across the thickness of the hardened layer, common to all methods of surface hardening for QDC is not observed. The method of QDR has a unique ability to influence the material of the workpiece, comparable with the explosive processes in power density, developed pressures and heating rates. The samples are hardened, by QDC showed the advantages in wear resistance in comparison with samples of bulk hardening. Surface hardening of the part using the QDC method is economically feasible, because it has high performance, low power consumption and allows to abandon the traditional heat treatment operations that require expensive special equipment.

About the authors

N. N. Zubkov

Email: zoubkovn@bmstu.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Bauman Moscow State Technical University, zoubkovn@bmstu.ru

S. G. Vasil'ev

Email: sergv@bmstu.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Bauman Moscow State Technical University, sergv@bmstu.ru

V. V. Poptsov

Email: poptsov-v.v@yandex.ru
LLC “Seco Tools”, poptsov-v.v@yandex.ru

References

  1. Rajan T.V., Sharma C.P., Sharma A. Heat treatment principles and techniques. – Delhi, India: PHI Learning, 2011. – 408 p. – ISBN 812030716X.
  2. Davis J.R. Surface hardening of steels understanding the basics. – Materials Park, OH, USA: ASM International, 2002. 319 p. – ISBN 0871707640.
  3. Guo Y.B., Janowski G.M. Microstructural characterization of white layers by hard turning and grinding // Transactions of NAMRI/SME. – 2004. – Vol. 32. – P. 367–374.
  4. Упрочнение покрытий специальным точением / С. Скобло, В.В. Коломиец, В.Ф. Ридный, Р.В. Ридный // Вісник СевНТУ. – 2010. – № 110. – C. 208–211.
  5. Experimental investigation of hard turning / S. Naik, C. Guo, S. Malkin, D.V. Viens, C.M. Pater, S.G. Reder // 2nd International Machining and Grinding Conference. – Dearborn, MI, 1997. – P. 224–308.
  6. Surface layer microhardness changes with high-speed turning of hardened steels / J. Kundrak, A.G. Mamalis, K. Gyani, V. Bana // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2011. – Vol. 53 (1). – P. 105–112.
  7. Liu Z.Q., Ai X., Wang Z.H. A comparison study of surface hardening by grinding versus machining // Key Engineering Materials. – 2006. – Vol. 304–305. – P. 156–160.
  8. An investigation of the grinding-hardening induced by traverse cylindrical grinding / T. Nguyen, M. Liu, L. Zhang, Q. Wu, D. Sun // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2014. – Vol. 136 (5). – P. 051008-1–05100-10. – doi: 10.1115/1.4028058.
  9. Hyatt G. Integration of heat treatment into the process chain of a mill turn center by enabling external cylindrical grind-hardening // Production Engineering – Research and Development. – 2013. – Vol. 7 (6). – P. 571–584. – doi: 10.1007/s11740-013-0465-3.
  10. Patent 5775187 U.S. Method and apparatus of producing a surface with alternating ridges and depressions / N. Zoubkov, A. Ovtchinnikov. – N 8/545,640; appl. date 27.04.1994; publ. date 07.07.21998.
  11. Патент 2556897 Российская Федерация. Способ поверхностного закалочного упрочнения режуще-деформирующим инструментом / Н.Н. Зубков, С.Г.Васильев, В.В. Попцов. – № 2014101642/02; заявл. 21.01.2014; опубл. 20.07.2015, Бюл. № 20.
  12. Kukowski R. MDT – Micro deformation technology // Proceedings of ASME 2003 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. – Washington, DC, 2003. – P. 305–308.
  13. Boiling heat transfer of different liquids on microstructured surfaces / I.A. Popov, A.V. Shchelchkov, N.N. Zubkov, R.A. Lei, Yu.F. Gortyshov // Russian aeronautics. – 2014. – Vol. 57, N 4. – P. 395–401. – doi: 10.3103/S1068799814040138.
  14. Investigation of heat transfer in evaporator of microchannel loop heat pipe // A. Yakomaskin, V. Afanasiev, N. Zubkov, D. Morskoy // Journal of Heat Transfer. – 2013. – Vol. 135 (10). – Art. 101006. – doi: 10.1115/1.4024502.
  15. Novel electrical joints using deformation machining technology. Part I: Computer Modeling / L. Solovyeva, N. Zubkov, B. Lisowsky, A. Elmoursi // IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology. – 2012. – Vol. 2 (10). – P. 1711–1717. – doi: 10.1109/TCPMT.2012.2207723.
  16. Novel electrical joints using deformation machining technology. Part II: Experimental verification / L. Solovyeva, N. Zubkov, B. Lisowsky, A. Elmoursi // IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology. – 2012. – Vol. 2 (10). – P. 1718–1722. – doi: 10.1109/TCPMT.2012.2199755.
  17. Zubkov N.N., Sleptsov A.D. Influence of deformational cutting data on parameters of polymer slotted screen pipes // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2016. – Vol. 138, N 1. – P. 011007-1–011007-7. doi: 10.1115/1.4030827.
  18. Klocke F. Manufacturing processes. 1. Cutting. – Berlin: Springer, 2011. – 504 p. – ISBN 978-3-642-11978-1. – doi: 10.1007/978-3-642-11979-8.
  19. Chou S.K., Evans C.J. White layers and thermal modeling of hard turning surfaces // International Journal of Machine Tools & Manufacture. – 1999. – Vol. 39. – P. 1863−1881.
  20. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 663 c. – ISBN 978-5-7038-2701-7.
  21. Mohamad A. Wear performance of a laser surface hardened ASTM 4118 Steel // Engineering and Technology Journal. – 2013. – Vol. 31, N 17. – P. 2335–2344.
  22. Маслов А.Р. Резание металлов в современном машиностроении. – М.: ИТО, 2008. – 299 c. – ISBN 5-94275-049-1.
  23. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. – М.: Атомиздат, 1968. – 483 c.
  24. Davim P. Machining of hard materials. – London: Springer, 2011. – 211 p. – ISBN 978-1-84996-449-4. – doi: 10.1007/978-1-84996-450-0.
  25. Burakowski T., Wierzchon T. Surface engineering of metals: principles, equipment, technologies. – Boca Raton, FL: CRC Press, 1998. – 592 p. – ISBN 9780849382253.
  26. Altgilbers L. Explosive pulsed power. – London, UK: Imperial College Press, 2011. – 596 p. – ISBN-10: 1848163223.
  27. Majumdar J.D., Manna I. Laser-assisted fabrication of materials. – Berlin: Springer, 2013. – 485 p. – ISBN 978-1848163225.
  28. Оценка триботехнических характеристик стали 40Х после закалки деформирующим резанием [Электронный ресурс] / С.Г. Васильев, А.Г. Дегтярева, Н.Н. Зубков, В.В. Попцов, В.Н. Симонов // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2017. – № 11. – URL: http://engjournal.ru/articles/1698/1698.pdf (дата обращения: 14.05.2018). – doi: 0.18698/2308-6033-2017-11-1698.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».