На правах рукописи

Филатов Павел Николаевич ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОТЯЖЕК ИЗ ПОРОШКОВОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО УПРОЧНЕНИЯ Специальность:

05.03.01 Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2009

Работа выполнена на кафедре Высокоэффективные технологии обработки (ВТО) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный технологический университет Станкин.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Григорьев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Рогов Владимир Александрович кандидат технических наук, профессор Михайлов Виталий Алексеевич Ведущее предприятие: Открытое акционерное общество Московский инструментальный завод

Защита диссертации состоится л14 мая 2009 г. в _._ на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный технологический университет Станкин по адресу: 127994, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер., 3А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ Станкин.

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направить по указанному адресу.

Автореферат разослан л14 апреля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. М.А. Волосова 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Качество режущего инструмента во многом определяет производительность процесса обработки, а в некоторых случаях является определяющим фактором для получения деталей требуемой формы и размеров. Поэтому повышение качества режущего инструмента является важнейшей задачей, которая стала особенно актуальна в последнее время, когда все большее распространение получают дорогостоящие станки с числовым программным управлением.

Получение пазов сложнофасонного профиля в дисках турбин сегодня является одним из самых трудоемких производственных процессов при изготовлении авиационных двигателей. Наиболее эффективным методом получения элементов такого типа является протягивание. В тоже время в условиях постоянной модернизации и усовершенствования двигателей, связанных с повышением их ресурса и увеличением тяговой способности, а также с использованием все более совершенных материалов при изготовлении дисков турбин, сохраняющих физико-механические свойства при повышенных температурах, становится все сложнее гарантировать требуемое качество изготовления деталей такого класса.

Помимо традиционных быстрорежущих сталей для изготовления протяжного инструмента все большее промышленное применение находят быстрорежущие стали, полученные методом порошковой металлургии типа Р6М6Ф3-МП, Р7М2Ф6-МП, Р12МФ5-МП, Р6М5К5-МП, Р9М4К8-МП и др.

Такие стали по сравнению со сталями аналогичного химического состава, изготовленными по традиционной технологии, имеют однородную структуру, являются более прочными и лучше шлифуются, а их применение позволяет повысить стойкость инструмента в 1,3Е2 раза. Однако при обработке жаропрочных сплавов на никелевой основе типа ХН77ТЮР (ЭИ437БУ), ХН73МБТЮ (ЭИ698), ХН62БМКТЮ (ЭП742) и др., которые используются для изготовления дисков турбин, стойкость протяжного инструмента из по рошковой быстрорежущей стали не всегда является достаточной. Как показывает производственный опыт, процесс протягивания указанной группы материалов сопровождается повышенным износом протяжного инструмента.

При этом протяжной инструмент является наиболее сложным в изготовлении и, как следствие, дорогостоящим инструментом, что, несомненно, сказывается на окончательной стоимости изделия (двигателя) в целом и ставит задачу повышения стойкости инструмента, являющуюся одним из основных показателей его качества.

Одним из наиболее перспективных способов повышения стойкости режущего инструмента является использование комплексной ионноплазменной обработки (упрочнения), включающей в себя последовательное применение двух технологических процессов - ионного азотирования и последующего нанесения износостойких покрытий на основе нитрида титана (TiN), окиси алюминия (Al2O3), нитрида циркония (ZrN) и др. Сегодня использование металлорежущего инструмента, подвергнутого указанной обработке, обеспечивает ряд важных преимуществ: повышение производительности обработки резанием, увеличение срока службы инструмента при обработке конструкционных сталей, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей;

также наблюдается эффект при обработке титановых и никелевых сплавов.

Исследованию процесса протягивания посвящен целый ряд работ, однако, ни в одной из них не решается проблема обработки жаропрочных сплавов инструментом из порошковой быстрорежущей стали, подвергнутым комплексной обработке. Поэтому настоящая работа, направленная на повышение стойкости и производительности протяжного инструмента при обработке УёлочныхФ пазов в жаропрочных материалах, применяемых при изготовлении деталей газотурбинных авиационных двигателей, за счет комплексного ионно-плазменного упрочнения является весьма актуальной и имеет важное практическое и научное значение.

Цель работы. Повышение стойкости и производительности сложнофасонного протяжного инструмента при обработке дисков турбины из жаропрочных сплавов и теплостойких сталей за счет применения комплексного ионно-плазменного упрочнения, включающего ионное азотирование и последующее осаждение сложнолегированного износостойкого покрытия.

Общая методика исследований.

Сравнительные стойкостные испытания выполняли на специально изготовленном опытном протяжном инструменте, имитирующем предварительные прорезные протяжки, применяемые при обработке пазов в дисках из жаропрочных сталей и сплавов. Экспериментальное изучение свойств порошковой быстрорежущей стали проводили в лабораторных условиях с использованием металлографичеких и металлофизических методик по измерению микротвердости, исследованию структуры азотированного слоя, измерению толщины азотированного слоя и покрытия, рентгеноструктурному анализу образцов и оценке прочности адгезионной связи покрытия с поверхностью инструментальной основы. Подготовка металлографических шлифов осуществлялась на оборудовании фирмы Struers (Дания). Исследование образцов проводили с использованием оптического микроскопа УPolyvar MetФ, оснащенного приставкой для измерения микротвердости MICRO-DUROMAT 4000. Для проведения испытаний и оценки износа инструмента использовался индикатор часового типа для контроля величины подъема на зуб, микроскоп отсчетного типа МПБ-2 и др. Структуру и характер износа изучали с помощью инвертируемого металлографического микроскопа Olympus GX-51, оснащенного цифровой камерой. Производственные испытания проводились на вертикально-протяжном станке модели RASX 252600630 KURT HOFFMANN (Германия), оснащенном системой ЧПУ УSinumerik 840DФ фирмы Siemens.

Научная новизна работы заключается:

- в разработке и научном обосновании принципов ионно-плазменного упрочнения протяжек из порошковой быстрорежущей стали типа Р12М3К5Ф2-МП, обеспечивающих повышение стойкости и производительности инструмента при обработке дисков турбины из жаропрочных материалов;

- в математической зависимости, устанавливающей связь между соотношением газов N2 и Ar при комплексном ионно-плазменном упрочнении протяжек, влияющем на формирование рельефа рабочих поверхностей инструмента, и шероховатостью обрабатываемого изделия;

- в установлении закономерности изнашивания рабочих поверхностей протяжек из порошковой быстрорежущей стали типа Р12М3К5Ф2-МП с различными вариантами ионно-плазменного упрочнения при обработке теплостойких сталей типа ЭП609Ш и никелевых сплавов типа ЭП741НП.

Практическая ценность работы состоит:

- в рекомендациях по назначению режимов комплексного ионноплазменного упрочнения порошковых быстрорежущих сталей типа Р12М3К5Ф2-МП, обеспечивающих максимальное повышение стойкости протяжного инструмента при обработке жаропрочных материалов;

- в установлении оптимального состава износостойкого покрытия и режимов его нанесения на протяжной инструмент из порошковой быстрорежущей стали Р12М3К5Ф2-МП, предназначенный для обработки жаропрочных материалов;

- в установлении оптимальных параметров поверхностного слоя, формируемого в процессе комплексного ионно-плазменного упрочнения, в зависимости от группы обрабатываемых материалов и режимов резания для протяжного инструмента из порошковых быстрорежущих сталей типа Р12М3К5Ф2-МП;

- в технологических рекомендациях по назначению режимов протягивания изделий из жаропрочных сталей инструментом из порошковой быстрорежущей стали с износостойким покрытием, позволившим повысить производительность обработки указанных материалов;

- в технологических рекомендациях по назначению режимов протягивания изделий из жаропрочных никелевых сплавов инструментом из порошковой быстрорежущей стали с комплексным упрочнением, позволившим увеличить стойкость протяжного инструмента при обработке указанных материалов.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на заседаниях кафедры УВысокоэффективные технологии обработкиФ ГОУ ВПО МГТУ УСтанкинФ.

Производственное внедрение результатов работы произведено в рамках договора, заключенного между МГТУ Станкин и ФГУП ММПП САЛЮТ, на выполнение научно-исследовательских работ по теме: Проведение исследований по влиянию износостойких покрытий на стойкость протяжек при протягивании пазов в дисках турбины из жаропрочных сплавов типа ЭП741НП и теплостойких сталей типа ЭП517, ЭП609. Разработка технологии и внедрение комплексной ионно-плазменной обработки протяжного инструмента.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, раскрывается её содержание, формулируется научная и практическая значимость.

Первая глава посвящена обзору литературных источников, посвященных особенностям процесса протягивания и методам повышения режущей способности инструмента из быстрорежущей стали, постановке цели и задач исследования. Проанализированы основные конструктивные особенности протяжного инструмента, применяемые схемы резания при протягивании, достоинства и недостатки каждой из них. Приведена характеристика материалов, применяемых в газотурбостроении, отмечены основные трудности, возникающие при обработке жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов.

Установлено, что на сегодняшний день процесс протягивания жаропрочных сплавов является недостаточно изученным и малоосвященным в литературе. Как правило, в имеющихся публикациях весьма скудно представлены рекомендации по изготовлению и эксплуатации протяжного инструмента применительно к обработке жаропрочных никелевых сплавов. Зарубежные данные имеются лишь в ограниченном объеме и зачастую носят лишь рекламный характер.

Исследованию процесса протягивания посвящен ряд работ, однако, ни в одной из них не решается проблема обработки жаропрочных сплавов быстрорежущим инструментом с износостойким покрытием. Так, в работе В.Ф.

Макарова большое внимание уделяется повышению эффективности процесса протягивания труднообрабатываемых материалов и интенсификации режимов резания методом скоростного протягивания твердосплавным инструментом. В работе А.К. Кириллова рассматривается повышение работоспособности протяжного инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 методом комплексной обработки применительно к обработке конструкционных сталей.

Проведенный анализ методов повышения работоспособности режущего инструмента показал, что одним из наиболее эффективных методов на сегодняшний день является комплексная ионно-плазменная обработка контактирующих при резании поверхностей инструмента.

На основе анализа научно-технической информации была сформулирована цель исследований, для достижения которой необходимо было решить следующие задачи:

1. Установить влияние технологических факторов на закономерности процесса ионного азотирования порошковой высоколегированной стали Р12М3К5Ф2-МП.

2. Определить оптимальные параметры структуры и толщину азотированного слоя порошковой высоколегированной стали Р12М3К5Ф2-МП и степень влияния последующего процесса осаждения нитридного покрытия на свойства азотированного поверхностного слоя.

3. Выбрать оптимальный состав сложнолегированного износостойкого покрытия исходя из параметров структуры покрытия, шероховатости, показателей микротвёрдости и прочности адгезионной связи.

4. Разработать технологию комплексной ионно-плазменной упрочняющей обработки протяжного инструмента из порошковой высоколегированной стали Р12М3К5Ф2-МП на установке СТАНКИНАПП-2.

5. Установить зависимость между режимами комплексной ионноплазменной обработки и характером изнашивания протяжного инструмента при обработке жаропрочных никелевых сплавов типа ЭП741НП и жаропрочной мартенситной стали типа ЭП609.

6. Провести сравнительные испытания протяжного инструмента в производственных условиях при обработке жаропрочных сталей и сплавов с оценкой эффективности технологических процессов комплексного ионно-плазменного упрочнения.

Во второй главе описаны методики проведения экспериментальных и производственных испытаний, позволяющие оценить влияние различных вариантов вакуумно-плазменной поверхностной обработки протяжного инструмента на процесс резания и его работоспособность. Большое внимание бы ло уделено методикам металлографических и металлофизических исследований: измерению микротвердости, исследованию структуры азотированного слоя, измерению толщины азотированного слоя и покрытия, рентгеноструктурному анализу образцов и оценке прочности адгезионной связи покрытия с поверхностью инструментальной основы. Приведено описание используемого в работе станочного оборудования с краткими техническими характеристиками. Описан режущий инструмент и режимы резания, дана характеристика обрабатываемых материалов.