Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
САГИТОВ ДАМИР ИЛЬДАРОВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТОКАРНЫХ РЕЗЬБОВЫХ РЕЗЦОВ ПУТЕМ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ
Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ульяновск - 2012
Работа выполнена на кафедре Металлорежущие станки и инструменты Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет
Научный консультант: ТАБАКОВ ВЛАДИМИР ПЕТРОВИЧ доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет, заведующий кафедрой Металлорежущие станки и инструменты
Официальные оппоненты: СУЛТАН-ЗАДЕ НАЗИМ МУЗАФАРОВИЧ доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Московский государственный индустриальный университет, профессор кафедры Технология и металлорежущие системы автомобилестроения МАЛЫШЕВ ВЛАДИМИР ИЛЬИЧ кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Тольяттинский государственный университет, заведующий кафедрой Оборудование и технологии машиностроительного производства Ведущая организация - ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов.
Защита диссертации состоится 26 октября 2012 г. в 14:30 на заседании диссертационного совета ДМ212.277.03 в первом корпусе ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет по адресу: г. Ульяновск, ул. Энгельса, 3 (почтовый адрес: 432700, ГСП, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32).
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет.
Автореферат размещен на сайте ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет www.ulstu.ru Автореферат разослан л 14 сентября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент Н.И. Веткасов 1.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Нанесение износостойких покрытий методом конденсации вещества в вакууме с ионной бомбардировкой (КИБ) позволяет существенно повысить работоспособность режущего инструмента (РИ). Наибольшее применение в настоящее время находят износостойкие покрытия (ИП) на основе нитрида титана, в том числе многослойные покрытия (МП). Несмотря на определенные успехи, достигнутые в области разработки ИП, остаются нерешенными вопросы, связанные с влиянием покрытий на работоспособность РИ, работающего в условиях стесненного резания, в частности на операциях нарезания резьбы. Не раскрыто влияние ИП на контактные процессы, тепловое и напряженное состояние режущего клина и интенсивность изнашивания токарных резьбовых резцов. Не разработана методика оценки теплового состояния РИ, учитывающая особенности стесненных условий резьбонарезания. Отсутствуют рекомендации по архитектуре и конструированию МП для РИ: составу, толщинам слоев и их взаимному расположению, общей толщине многослойного покрытия.
В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной дальнейшему повышению работоспособности РИ, работающего в условиях стесненного резания, путем совершенствования ИП является актуальной.
Автор защищает:
1. Результаты теоретико-экспериментальных исследований токарных резьбовых резцов с различными покрытиями на операциях нарезания резьбы, в частности методику расчета тепловых полей в режущем клине РИ, закономерности влияния состава ИП на контактные процессы, тепловое и напряженное состояние режущего клина токарных резьбовых резцов.
2. Результаты экспериментальных исследований влияния конструкции МП на их структурные параметры, механические свойства и интенсивность изнашивания РИ.
3. Технологические режимы нанесения МП на токарные резцы.
4. Результаты экспериментальных исследований работоспособности РИ с разработанными МП при нарезании резьбы на заготовках из углеродистых, низколегированных и нержавеющих сталей и результаты опытно-промышленных испытаний.
Цель работы:
Повышение работоспособности токарных резьбовых резцов, работающих в условиях стеснённого резания, путем разработки и применения многослойных износостойких покрытий.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1) Выявлена доля деформационно-силовой нагрузки, вызванной стесненностью процесса нарезания резьбы резцами без покрытия и с покрытиями различного состава. 2) Разработана методика расчета тепловых полей в режущем клине токарного резьбового резца. 3) Установлено влияние состава покрытий на контактные характеристики, тепловое и напряженное состояние токарного резьбового резца. 4) На основе результатов анализа теплового и напряженного состояния режущего клина инструмента и интенсивности его изнашивания выявлены требования, предъявляемые к покрытиям, и предложены архитектуры МП для токарных резьбовых резцов. 5) На основе выявленных взаимосвязей структурных параметров, механических свойств и интенсивности износа режущего инструмента разработаны конструкции МП. 6) Разработаны технологические режимы нанесения МП. 7) Экспериментально показана повышенная работоспособность инструмента с разработанными МП. 8) Оценена эффективность режущего инструмента с разработанными МП в условиях действующего производства.
Научная новизна:
1. Предложена методика расчета температурных полей в режущем клине токарного резьбового резца, учитывающая закономерности распределения деформационно-силовой нагрузки на контактной площадке передней поверхности инструмента, вызванной стесненностью процесса резания, выявлены закономерности влияния ИП на деформацию стружки, контактные процессы, тепловое и напряженное состояние режущего клина и интенсивность изнашивания токарного резьбового резца при различных схемах нарезания резьбы.
2. Установлено влияние архитектуры МП на их структурные параметры, механические свойства, предложены эмпирические зависимости этих факторов и интенсивности изнашивания токарного резьбового резца от общей толщины и толщины верхнего слоя МП, а также периода стойкости токарных резьбовых резцов при различных режимах резания.
3. Разработаны на уровне изобретений способы получения МП для токарных резьбовых резцов.
Практическая ценность и реализация работы:
1. Разработаны рекомендации по составу МП, соотношению толщин слоёв и общей толщины покрытия, обеспечивающие высокую работоспособность токарных резьбовых резцов.
2. Разработаны технологические параметры процесса нанесения МП:
компоновочные схемы, время осаждения слоёв, опорное напряжение, ток дуги, ток фокусирующих катушек.
Опытно-промышленные испытания, выполненные в производственных условиях завода Гидроаппарат (г. Ульяновск), подтвердили высокую работоспособность РИ с разработанными МП. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный курс и лабораторный практикум подготовки магистрантов, обучающихся по направлению 151900.68 - Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научнотехнических конференциях (НТК) УГТУ в 2008, 2009, 2010, 2011 годах; студенческой НТК Студент - науке будущего, г. Ульяновск, УГТУ, 2008 г.;
НТК УГТУ Вузовская наука в современных условиях, г. Ульяновск, УГТУ, 2009 г., седьмой международной конференции Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов, г. Ульяновск; УГУ, 2009 г., 11-й международной научно-практической конференции Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня, г. Санкт-Петербург., 2009 г.; IX Международной научно-технической конференции Материалы и технологии XXI века, г. Пенза, 2011 г.; международной молодежной научной школысеминара Физические основы высокоскоростной обработки и технологическое обеспечение компьютерных технологий в машиностроении, г. Ульяновск, УГТУ, 2011 г.; III международной НТК Теплофизические технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства (Резниковские чтения), г. Тольятти, ТГУ, 2011 г.; на научно-техническом семинаре кафедр Технология машиностроения и Металлорежущие станки и инструменты УГТУ в 2011 г.; на заседании научно-технического совета машиностроительного факультета УГТУ в 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях из перечня ВАК, получено 5 патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (175 наименований) и приложений (10 страниц), включает 196 страниц машинописного текста, 75 рисунков и таблицы.
2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, её практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен анализ методов и особенностей нарезания резьбы, методов повышения работоспособности токарных резьбовых резцов и состояния проблемы повышения работоспособности РИ путем нанесения ИП.
Рассмотрены особенности работы токарных резьбовых резцов, работающих в стесненных условиях резания. Приведен анализ методов повышения работоспособности РИ. Показано, что наиболее эффективными являются методы физического осаждения покрытий (ФОП), в частности метод КИБ. Рассмотрены механизмы формирования свойств ИП, полученных методами ФОП. Приведены методы совершенствования ИП, в том числе многослойных. Показано, что основной причиной потери работоспособности РИ с ИП является его разрушение в результате образования в нем трещин, являющихся следствием влияния теплосиловых нагрузок и адгезионно-усталостных процессов. Отмечены нерешенные вопросы, связанные с отсутствием данных о влиянии ИП на контактные процессы, тепловое и напряженное состояние режущего клина РИ токарных резьбовых резцов, методики оценки распределения температурных полей в режущем клине инструмента. В заключение сформулированы цель и задачи работы, приведенные выше.
Во второй главе представлена общая методика проведения экспериментальных исследований структурных параметров, механических свойств покрытий и работоспособности РИ. В исследованиях использовали многогранные неперетачиваемые твердосплавные резьбовые пластины полного профиля CoroThreadЩ R.166 фирмы Sandvik Coromant (Швеция) из сплава H13A и пластины формы DNMA из сплава НТi10 фирмы Mitsubishi Carbide (Япония).
Как образцы-свидетели при исследовании структурных параметров и механических свойств использовали пластины формы SNGN из сплава МС146 ЗАО Твердосплавная компания (Россия). Обрабатывали заготовки из легированных конструкционных сталей 38ХГН и 30ХГСА (ГОСТ 4543) и нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632).
Износостойкие ионно-плазменные покрытия наносили на установке Булат - 6. Использовали составные катоды с титановым корпусом из ВТ1-0 и вставками из хрома и циркония, а также интерметаллидные катоды из сплава титана и алюминия. Структурные параметры ИП исследовали методами рентгеновской дифрактометрии на установке ДРОН-3М с использованием фильтрованного CuK - излучения в режиме пошаговой съемки. Микротвердость Н ИП оценивали по восстановленному отпечатку с использованием пирамиды Кнуппа на микротвердомере MITUTOYO NH-125 (Япония). Коэффициент интенсивности напряжений К1С и модуль Юнга Е оценивали методом вдавливания алмазного конического индентора (пирамида Виккерса) с использованием твердомера ТК-2М при нагрузке 1000 Н. Прочность сцепления ИП с инструментальной основой оценивали методом вдавливания алмазного конического индентора Роквелла с использованием твердомера ТК-2М.
Испытания РИ с ИП проводили при нарезании резьбы на токарновинторезном станке 16К20, оснащенном приводом бесступенчатого регулирования частоты вращения шпинделя. Использовали резьбовые державки с механическим креплением режущих пластин из сплава H13A ( = 0, = 7, = 60, r = 0,2 мм) и из сплава НТi10 ( = 0, = 7, = 55, r = 0,2 мм). Резьбовые пластины испытывали без применения СОЖ. При выявлении рациональных конструкций МП работоспособность РИ оценивали по интенсивности износа, а при стойкостных исследованиях - по его периоду стойкости путем измерения фаски износа по задней поверхности на микроскопе МИМ-2.
Для экспериментальной оценки теплового состояния режущего клина токарных резьбовых резцов (полей распределения температуры на контактных площадках) использовали специальные термоиндикаторные краски Tempilstik (США) с различными температурными порогами перехода:
253 С, 302 С, 399 С и 510 С.
Планирование эксперимента и построение регрессионных моделей при определении рациональной конструкции МП проводили с использованием ротатабельного планирования второго порядка.
В третьей главе представлены результаты теоретикоэкспериментальных исследований структурных и механических свойств ИП, влияния ИП на контактные процессы, тепловое и напряженное состояние режущего клина РИ и интенсивность его износа. Исследовали структурные параметры и механические свойства однослойных ИП, тепловое и напряженное состояние РИ с этими покрытиями различных составов. По результатам исследования сформированы требования, предъявляемые к ИП на операциях нарезания резьбы, принцип формирования многослойных покрытий и предложены архитектуры многослойных покрытий.
В качестве исследуемых ИП были выбраны TiN, TiCrN, TiCrAlN и TiCrZrN (табл. 1.).
1. Структурные параметры и механические свойства ИП КоэфПолуши- Остаточ- КоэфПериод МоМикро- фициент кристал- рина ные фициент дуль твер- интенсивПокрылической рентгенов- напряже- отсло- Юнга дость тие ности решетки ской линии ния ения Е, H, МПа напряжеа, нм 111, град 0, МПа Ко МПа ний K1C TiN 0,4235 0,5 775 1,1 26,4 3,70 2TiCrN 0,4215 0,6 1391 1,2 29,5 3,80 3TiCrAlN 0,4224 0,62 1394 1,25 30,1 4,05 3TiCrZrN 0,4279 0,63 1422 1,25 33,5 4,10 3Нарезание резьбы по профильной схеме резания является самым распространенным способом нарезания резьбы резцами с твердосплавными резьбонарезными пластинами. Принципиальной особенностью этого способа является сход стружки от двух режущий кромок, одновременно участвующих в процессе резания. Для оценки доли деформационно-силовой нагрузки, вызванной стесненностью процесса нарезания резьбы, использовали специальную заготовку, позволяющую исключить из процесса резания вершину резца, где происходит наложение стружки от двух режущих кромок. Это позволяет нарезать резьбу левой и правой режущими кромками. Контактные характеристики процесса резания, полученные при такой схеме (свободное резание), сравнивали с соответствующими характеристиками обычной профильной схемы, и различие между ними определяло долю деформационной и силовой нагрузок, приходящуюся на стесненность процесса резания.
Исследованиями установлено, что нанесение покрытий уменьшает долю деформационной и силовой нагрузок, обусловленных стесненностью процесса резания. Наибольшее снижение присуще трехэлементным покрытиям. Выявлено, что влияние покрытий на составляющие силы резания и коэффициент укорочения стружки KL больше при свободном резании (табл. 2). Наличие же стесненных условий резания снижает влияние покрытий на указанные параметры.
Проведенные исследования позволили выявить долю деформационной и силовой нагрузки на режущий клин резьбового резца, вызванных стесненностью процесса резания для резцов без покрытия и с различными покрытиями. С этой целью исследовали распределение микротвердости стружки вдоль её ширины. Установлено, что по толщине стружки микротвердость остается практически постоянной и увеличивается по ширине в направлении вершины резьбового резца (рис. 1).
2. Влияние износостойких покрытий на составляющие силы резания при нарезании резьбы по профильной схеме резания Покрытие Pz, Н Py, Н Px, Н C, мм KL Без покрытия 4330/5090 1670/2000 810/940 1,2 1,44/1,TiN 3400/4440 1300/1680 670/750 0,67 1,26/1,TiCrN 3640/4460 1390/1700 670/790 0,7 1,32/1,TiCrAlN 3640/4470 1400/1720 690/860 0,73 1,39/1,TiCrZrN 3660/4480 1390/1730 710/840 0,75 1,41/1,Примечание. В числителе - значения для схемы, исключающей из процесса резания вершину резьбового резца (свободное резание), в знаменателе - для профильной схемы нарезания резьбы При этом большая величина микротвердости и интенсивность её роста по направлению к вершине резца характерны для профильной схемы резания. Установлено, что микротвердость стружки при нарезании резьбы по этой схеме больше по сравнению с генераторной на 10Е30 % в зависимости от ширины стружки, что свидетельствует о более тяжелых условиях стружкообразования.
Нанесение износостойких покрытий приводит к уменьшению микротвердости стружки H, что свидетельствует о меньшей степени её деформации вследствие меньшей силовой нагрузки на режущий клин. При профильной схеме нарезания резьбы меньшее снижение микротвердости при нанесении покрытий наблюдается у вершины резца, а наибольшее - на противоположной стороне стружки.
Полученные результаты говорят о том, что в наиболее 4стесненных участках зоны стружко400 МПа 2 образования покрытие в меньшей 3степени влияет на процесс деформа3ции стружки. По Н мере удаления от 2вершины влияние покрытий возрас2тает. При генера0 0,5 1 1,5 2 мм 2,торной схеме резания влияние поbc крытий на микроРис. 1. Распределение микротвердости Н стружки по её ширине bc твердость по всей при нарезании резьбы на заготовке из стали 38ХГН по профильной ширине стружки (сплошная линия) и генераторной (штриховая линия) схемам:
1 - Без покрытия; 2 - TiN; 3 - TiCrN; 4 - TiCrAlN; 5 - TiCrZrN; примерно одинаСкорость резания V = 120 м/мин, шаг резьбы P = 3 мм ковое. Коэффициенты регрессии распределения микротвердости стружки Н по её ширине bc для различных схем резания представлены в табл. 3 и 4.
3. Коэффициенты регрессии распределения микротвердости стружки Н по её ширине bc при нарезании резьбы по профильной схеме резания Коэффициенты регрессии зависимости Величина H a bc k Покрытие достоверности аппроксимации Ra k Без покрытия 301 0,12 0,TiN 259 0,15 0,TiCrN 225 0,19 0,TiCrAlN 218 0,18 0,TiCrZrN 214 0,17 0,4. Коэффициенты регрессии распределения микротвердости стружки Н по её ширине bc при нарезании резьбы по генераторной схеме резания Коэффициенты регрессии Величина H a bc с Покрытие достоверности аппроксимации Ra c Без покрытия 3,71 270 0,TiN 3,74 247 0,TiCrN 3,77 234 0,TiCrAlN 3,71 224 0,TiCrZrN 3,66 219 0,Для расчета температурных полей в режущем клине резьбового резца разработана методика, учитывающая распределение деформационно-силовых нагрузок на контактных площадках, вызванных стесненностью процесса резания. Для этого в пакете прикладных программ ANSYS была создана трехмерная модель режущего клина инструмента, на контактные площадки которой прикладывали интенсивности тепловых потоков. Эти интенсивности по длине режущих кромок прикладывали с учетом полученных регрессионных законов распределения микротвердости стружки (см. табл. 3, 4), учитывая, что повышение микротвердости свидетельствует об увеличении пластической деформации и соответственно сил резания и теплоты, образующейся при резании.
Нанесение покрытий позволяет снизить температуру на контактных площадках и в режущем клине резьбового резца (рис. 2). Наибольшее снижение температуры наблюдается при нарезании резьбы резцом с покрытием TiN, при этом изотермы температуры из-за уменьшения длины контакта стружки с передней поверхностью резца смещаются в сторону задней поверхности. Применение многоэлементных покрытий приводит к меньшему снижению максимальной температуры, но большая длина контакта стружки для резцов с данными покрытиями по сравнению с покрытием TiN способствует смещению изотерм температуры в направлении от режущей кромки и задней поверхности, тем самым снижая тепловую напряженность режущего клина. Режущая кромка при нарезании резьбы по генераторной схеме находится в более благоприятных тепловых условиях по сравнению с профильной схемой резания. Нанесение покрытия TiN снижает температуру на режущей кромке в 1,15 - 1,34 раза в зависимости от расстояния рассматриваемой точки на режущей кромке до вершины инструмента. Для резцов с однослойными многоэлементными покрытиями TiCrN и TiCrZrN характерно небольшое повышение температуры.
а) б) Рис. 2. Влияние покрытий на распределение температурных полей (С) на контактных площадках (а) и в главной секущей плоскости (б) резьбового резца без покрытия (сплошная линия), с покрытием TiN (лдлинный пунктир) и с покрытием TiCrZrN (лкороткий пунктир) Оценка теплового баланса процесса нарезания резьбы резцами показала, что при нарезании резьбы независимо от схемы резания происходит перераспределение количества теплоты, выделяющейся в зоне резания, между инструментом, стружкой и заготовкой. Уменьшение коэффициента укорочения стружки KL и полной длины контакта стружки C при нанесении покрытий приводит к увеличению скорости перемещения стружки относительно режущего инструмента и уменьшению площади контакта. В результате доля теплоты, уходящей в стружку, увеличивается, а в инструмент и заготовку - уменьшается.
Большая площадь контакта стружки с передней поверхности резца и меньшая скорость перемещения стружки по передней поверхности вследствие большего коэффициента укорочения стружки при профильной схеме резания способствуют большему поступлению теплоты в инструмент по сравнению с генераторной схемой.
Для экспериментальной проверки полученных данных по тепловому состоянию инструмента с различными покрытиями были проведены исследования по определению температурных полей на контактных площадках резьбовых резцов с помощью термоиндикаторных красок Tempilstik (США). Сравнение расчетных значений температур и полученных экспериментально показало их хорошее совпадение (рис. 3). Наибольшее расхождение между расчетными и экспериментальными значениями не превысило 15Е30 %.
Установлено, что более высокие силовые нагрузки, характерные для профильной схемы резания, вызывают и более высокие напряжения x по сравнению с генераторной схемой. При переходе от профильной схемы нарезания резьбы к генераторной схеме напряжения x в режущем клине уменьшаются на 16Е17 % (рис. 4). Независимо от схемы нарезания резьбы уменьшение сил резания при использовании покрытия TiN ведет к снижению напряжений в режущем клине инструмента, а снижение длины контакта C сдвигает изобары напряжений к режущей кромке. Нанесение покрытий TiCrN и TiCrZrN по сравнению с покрытием TiN способствует уменьшению напряжений x и смещению изобар напряжений в сторону от задней поверхности и режущих кромок инструмента.
а) б) в) Рис. 3. Распределение температуры (С) в режущем клине резьбового резца:
а - без покрытия; б - TiN; в - TiCrZrN Применение покрытий TiN, независимо от схемы нарезания резьбы, снижает эквивалентные напряжения экв в 1,86 раза у вершины инструмента и в 1,56 раза на середине длины контакта по сравнению с инструментом без покрытия. Повышение длины контакта C по сравнению с покрытием TiN при нанесении многоэлементных покрытий TiCrN и TiCrZrN способствует еще большему снижению эквивалентных напряжений - в 2,1 и 2,3 раза соответственно.
Сжимающие нормальные напряжения, действующие в покрытиях в процессе резания, выше при нарезании резьбы по профильной схеме резания. Независимо от схемы нарезания резьбы наименьшая величина данных напряжений характерна для покрытия TiN. В многоэлементных покрытиях TiCrN и TiCrZrN они выше в 2,5 и 2,8 раза соответственно. Высокий уровень сжимающих напряжений, действующих в многоэлементных покрытиях, способствует торможению процессов образования и развития трещин в материале покрытия и его разрушению по сравнению с покрытием TiN.
Интенсивность изнашивания токарных резьбовых резцов при нарезании резьбы по профильной схеме резания выше на 30 % по сравнению с генераторной схемой резания для резца без покрытия, а минимальную интенсивность изнашивания резьбовых резцов обеспечивает многоэлементное покрытие TiCrZrN.
а) б) Рис. 4. Распределение напряжений x (МПа) в режущем клине резьбового резца без покрытия (сплошная линия), с покрытием TiN (лдлинный пунктир) и с покрытием TiCrZrN (лкороткий пунктир) при нарезании резьбы по профильной (а) и генераторной (б) схемам резания На основе анализа полученных результатов по контактным процессам, тепловому и напряженному состоянию режущего клина токарных резьбовых резцов с различными покрытиями и интенсивности их изнашивания были сформулированы требования, предъявляемые к покрытиям, и предложен принцип формирования и архитектуры МП.
В четвертой главе представлены данные по технологии нанесения МП, результаты исследований влияния конструкции МП на структурные параметры, механические свойства и интенсивность износа РИ. Исследовали двухслойные покрытия TiCrN-TiCrAlN и TiCrN-TiCrZrN. Толщиной верхнего слоя МП TiCrNTiCrZrN варьировали в пределах 2 - 4 мкм, общей толщиной - от 5 до 7 мкм.
Установлено, что толщина верхнего слоя TiCrZrN и общая толщина МП практически не влияют на период кристаллической решетки. Полуширина рентгеновской линии 111 также не зависит от толщины верхнего слоя МП, но увеличивается с повышением общей его толщины. Изменение параметра текстуры носит экстремальный характер. Существенное влияние конструкция МП оказывает на уровень остаточных напряжений 0 в покрытии: увеличение толщины верхнего слоя МП ведет к росту остаточных напряжений, а рост общей толщины МП их снижает.
Установлено, что МП по сравнению с однослойными покрытиями имеют более высокую микротвердость H, модуль Юнга Е, коэффициент интенсивности напряжений К1С и более высокую прочность сцепления с инструментальной основой (табл. 4, рис. 5) Увеличение общей толщины МП в меньшей степени повышает микротвердость. Наибольшее влияние на изменение микротвердости МП оказывает увеличение толщины верхнего слоя, с ростом которой микротвердость повышается.
4. Механические свойства многослойных покрытий КоэфХим. состав покрытия, % Коэф- фициент МоМикроПокры- Слой фициент интенсив- дуль твердость тие покрытия отслоения ности Юнга H, МПа Ti Cr Al Zr Ко напряжений Е, МПа K1C TiCrAlN- TiCrAlN 78 16 6 - 0,12 36,5 4,6 4TiCrN TiCrN 77 23 - Ц TiCrZrN- TiCrZrN 84,5 16 - 0,0,12 37,5 4,9 4TiCrN TiCrN 77 23 - Ц Прочность сцепления МП с инструментальной основой повышается с уменьшением толщины нижнего слоя TiCrN. Увеличение общей толщины МП ведет к снижению прочности сцепления.
Модуль Юнга Е и коэффициент интенсивности напряжений К1С, как и микротвердость H МП, определяются составом и свойствами верхнего слоя покрытия. Увеличение толщины этого слоя ведёт к повышению модуля Юнга Е и коэффициента интенсивности напряжений К1С, что свидетельствует о повышении прочности и сопротивляемости хрупкому разрушению материала покрытия.
450 5 0,МПа 4 МПа 0,400 0,E Н 30 К К о 1С 375 0,мкм 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,h TiCrZrN Рис. 5. Влияние толщины верхнего слоя TiCrZrN покрытия на микротвердость H (1), коэффициент отслоения K0 (2), модуль Юнга Е (3) и коэффициент интенсивности напряжений K1C (4) многослойного покрытия TiСrN - TiCrZrN общей толщиной 6 мкм Регрессионные зависимости структурных параметров и механических свойств МП TiCrN-TiCrZrN от толщины верхнего слоя и общей толщины покрытия представлены в табл. 5 (Х1 и Х2 - соответственно толщина верхнего слоя и общая толщина МП).
Определена оптимальная конструкция МП, обеспечивающая минимальную интенсивность изнашивания резьбовых резцов: общая толщина 7 мкм и толщина верхнего слоя - 50Е65 % от общей толщины МП (рис. 8).
На основании полученных рекомендаций по рациональным конструкциям МП разработаны компоновочные схемы и технологические режимы их нанесения.
5. Коэффициенты регрессии зависимостей структурных параметров, механических свойств и интенсивности изнашивания токарного резьбового резца с МП TiCrN-TiCrZrN от толщины верхнего слоя и общей толщины покрытия Коэффициенты регрессии Параметры yi = a0 + a1x1 + a2x2 + a3x12 + a4x22 + a5x1xa0 a1 a2 a3 a4 aПериод кристалличе0,435 0 0 2,768 0 ской решетки a, нм Полуширина рентге3,42 0 3,215 0 3,495 новской линии 111, град Остаточные напря- - 3,25 жения 0, МПа 103 3,827 2,698 - 8,98 - 3,4Параметр текстуры - 894,1 3,75 3,782 -5,814 - 3,987 J111/J2Микротвердость H, - 4,8 5,894 9,516 2,673 - 6,592 - 6,4МПа Коэффициент от- - 5,215 - 1,383 0,08 4,134109 1,5971010 5,3251слоения Ко 109 10Модуль Юнга Е, 381 - 11,129 6,584 3,742 - 11,225 19,4МПа Коэффициент интенсивности напряже- - 10,6 19,816 26,724 - 18,708 - 23,697 - 6,4ний K1C, МПам Интенсивность из11,12 - 2,554 0 10,813 2,406 - 6,8нашивания J, мм/м В пятой главе представлены результаты исследования работоспособности РИ с разработанными МП. Приведены результаты опытно-промышленных испытаний и технико-экономическое обоснование эффективности РИ с разработанными МП. Установлено, что при нарезании резьбы на заготовках из стали 38ХГН (рис. 6) применение МП повышает период стойкости резьбовых резцов в 2,4 - 4,6 раза по сравнению с резьбовым резцом без покрытия и в 2,5 - 3,разаЦ с покрытием TiN. При нарезании резьбы на заготовках из стали 12Х18Н10Т (рис. 7) эффективность МП ниже.
Период стойкости резьбовых резцов с МП в 1,8 - 2,0 раза превышает период стойкости резьбовых резцов без покрытия и в 1,3 - 1,раза по сравнению с резцами с покрытием TiN. На основании экспериментальных исследований получены эмпирические зависимости периода стойкости токарных резьбовых резцов без покрытия и с а) б) разработанными МП Рис. 6. Зависимость периода стойкости режущего инструмен(табл. 6).
та T от скорости резания V (а) и шага нарезаемой резьбы P (б) Опытно-промышпри обработке заготовок из стали 38ХГН:
1 - Н13А; 2 - TiN; 3 - TiCrN-TiCrAlN; 4 - TiCrN-TiCrZrN ленные испытания, проведенные в производственных условиях завода Гидроаппарат (г.
Ульяновск), показали повышение периода стойкости токарных резьбовых резцов в 1,Ц 1,74 раза по сравнению с резьбовыми резцами с покрытием TiN и в 3,5 - 4,0 раза - без поа) б) крытия (в зависимости Рис. 7. Зависимость периода стойкости режущего инструменот обрабатываемого мата T от скорости резания V (а) и шага нарезаемой резьбы P (б) териала).
при обработке заготовок из стали 12Х18Н10Т:
1 - Н13А; 2 - TiN; 3 - TiCrN-TiCrAlN; 4 - TiCrN-TiCrZrN 6. Математические модели периода стойкости режущего инструмента Инструментальный Обрабатываемый материал материал 38ХГН 12Х18Н10Т 0,88106 2,181H13A T T 2,49 2,V P0,41 V P1,10,701010 26,21H13A+TiCrN-TiCrAlN T T 4,53 3,V P0,93 V P0,8,131010 0,301H13A+TiCrN-TiCrZrN T T 4,40 2,V P0,94 V P0,3. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ В результате выполненных исследований получены следующие научные выводы и практические результаты:
1. Выявлены особенности процесса деформации стружки при профильной и генераторной схемам нарезания резьбы и определена доля деформационной и силовой нагрузок, приходящейся на стесненность процесса резания.
2. Установлены закономерности влияния покрытий различного состава на процесс деформации стружки, контактные характеристики, тепловое и напряженное состояние режущего клина и интенсивность изнашивания токарных резьбовых резцов при профильной и генераторной схемах резания. Установлено, что наиболее благоприятные контактные характеристики, тепловое и напряженное состояние режущего клина инструмента независимо от схемы нарезания резьбы обеспечивают трехэлементные нитридные покрытия.
3. Разработана методика расчета тепловых полей в режущем клине резьбовых токарных резцов, учитывающая закономерности распределения деформационно-силовой нагрузки на контактных площадках резца, вызванные стесненностью процесса нарезания резьбы. Адекватность методики подтверждена экспериментальными исследованиями.
4. На основе анализа контактных характеристик процесса резания, теплового и напряженного состояния режущего клина инструмента и интенсивности его изнашивания сформулированы требования к износостойким покрытиям для токарных резьбовых резцов, уточнен принцип формирования МП для РИ, работающих при непрерывном точении, применительно к стесненным условиям резания. Предложены архитектуры МП для токарных резьбовых резцов.
5. Выявлены закономерности влияния конструкции МП на их структурные параметры, механические свойства и интенсивность изнашивания режущего инструмента. Наибольшее влияние конструкция МП оказывает на остаточные напряжения, которые возрастают с ростом толщины верхнего слоя и уменьшаются с увеличением общей толщины МП. Механические свойства МП (микротвердость, модуль Юнга, коэффициент интенсивности напряжений) возрастают с увеличением толщины верхнего слоя МП. Микротвердость МП выше микротвердости покрытия TiN в 1,38 - 1,42 раза, покрытия TiCrN - в 1,25 - 1,раза и покрытия TiCrZrN - в 1,1 - 1,12 раза в зависимости от их конструкции.
Модуль Юнга Е МП по сравнению с однослойными покрытиями больше в 1,Ц 1,43 раза, а коэффициент интенсивности напряжений К1С - на 12Е32 %.
Прочность сцепление МП с инструментальной основой возрастает с уменьшением толщины нижнего слоя и снижается с ростом общей толщины МП. Наибольшая величина прочности сцепления имеет место при толщине нижнего слоя равной 1,5 - 3,5 мкм, в зависимости от общей толщины МП.
6. Разработаны рациональные конструкции МП, обеспечивающие уменьшение интенсивности изнашивания токарных резьбовых резцов. С учетом полученных рекомендаций по составу, механическим свойствам, толщинам слоев и общей толщине МП разработаны технологические режимы их нанесения.
7. Применение разработанных МП по сравнению с токарными резьбовыми резцами с покрытием TiN повышает период стойкости РИ в 1,4 - 1,5 раза при нарезании резьбы на заготовках из стали 38ХГН и в 1,3 1,5 раза - из стали 12Х18Н10Т, а по сравнению с резцами без покрытия - в 2,4 - 4,6 раза и в 1,8 - 2 раза соответственно, в зависимости от конструкции МП, обрабатываемого материала и режима обработки.
8. Опытно-промышленными испытаниями, проведенными в производственных условиях завода Гидроаппарат (г Ульяновск), подтверждена высокая эффективность разработанных МП. Период стойкости резьбовых резцов с МП по сравнению с резцами без покрытия больше в 3,5 - 4 раза, а по сравнению с резцами с покрытием TiN - в 1,67 - 1,74 раза в зависимости от конструкции покрытия, режима резания и материала обрабатываемой заготовки. Результаты работы внедрены в учебный процесс подготовки магистрантов по направлению 151900.68 - Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств.
Основные положения диссертации отражены в следующих работах:
Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ и приравненные к ним:
1. Табаков В.П., Сагитов Д.И. Исследование влияния износостойких покрытий на тепловое и напряженное состояние резьбонарезного токарного инструмента // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2012. - № 4. - С. 33-38.
2. Табаков В.П., Сагитов Д.И. Применение износостойких покрытий при резьбонарезании // Вестник МГТУ СТАНКИН. - 2012. - №1, том 2 (19). - C. 15-19.
3. Пат. № 2410466 Российская Федерация, МПК7 С 23 С 14/24, 14/48. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента / Табаков В.П., Сагитов Д.И., Смирнов М.Ю., Циркин А.В.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - № 2009141122/02; заявл. 06.11.2009; опубл. 27.01.2011, Бюл. № 03. - 6 с.
4. Пат. № 2410467 Российская Федерация, МПК7 С 23 С 14/24, 14/48. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента / Табаков В.П., Сагитов Д.И., Смирнов М.Ю., Циркин А.В.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - № 2009141156/02; заявл. 06.11.2009; опубл. 27.01.2011, Бюл. № 03. - 6 с.
5. Пат. № 2414527 Российская Федерация, МПК7 С 23 С 14/06, 14/48. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента / Табаков В.П., Сагитов Д.И., Смирнов М.Ю., Циркин А.В.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - № 2009140889/02; заявл. 03.11.2009; опубл. 20.03.2011, Бюл. № 8. - 6 с.
6. Пат. № 2414528 Российская Федерация, МПК7 С 23 С 14/06, 14/48. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента / Табаков В.П., Сагитов Д.И., Смирнов М.Ю., Циркин А.В.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - № 2009140893/02; заявл. 03.11.2009; опубл. 20.03.2011, Бюл. № 8. - 6 с.
7. Пат. № 2402634 Российская Федерация, МПК7 С 23 С 14/24, 14/48. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента / Табаков В.П., Сагитов Д.И., Смирнов М.Ю., Циркин А.В.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - № 2009141119/02; заявл. 06.11.2009; опубл. 27.10.2010, Бюл. № 30. - 6 с.
Публикации в других изданиях:
8. Табаков В.П., Сагитов Д.И. Исследование контактных характеристик процесса нарезания резьбы и работоспособности режущего инструмента с покрытием // Теплофизические технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства: труды III международной научно-технической конференции. - Тольятти: ТГУ, 2011. - С. 304 - 307.
9. Сагитов Д.И. Исследование контактных характеристик процесса нарезания резьбы режущим инструментом с покрытием // Физические основы высокоскоростной обработки и технологическое обеспечение компьютерных технологий в машиностроении: материалы международной молодежной научной школы-семинара. - Ульяновск: УГТУ, 2011. - С. 1Ц 161.
10. Повышение работоспособности твердосплавного инструмента путем нанесения многослойных покрытий на основе модифицированного нитрида титана / Табаков В.П., Сагитов Д.И., Смирнов М.Ю., Чихранов А.В. // Теплофизические технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства: труды III международной научно-технической конференции. - Тольятти: ТГУ, 2011. - С. 307 - 311.
11. Исследование параметров структуры и физико-механических свойств износостойких покрытий / Табаков В.П., Смирнов М.Ю., Сагитов Д.И. и др. // Материалы и технологии XXI века: сборник статей IX международной научно-технической конференции.
Ц Пенза: Изд-во Приволжский дом знаний, 2011. - С. 39 - 41.
12. Табаков, В.П. Сагитов Д.И. Чихранов А.В. Многоэлементные нитридные покрытия режущего инструмента // Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня: материалы 11-й международной научнопрактической конференции. - СПб., 2009. - С. 303 - 307.
13. Моделирование теплового состояния режущего инструмента с многоэлементными нитридными покрытиями / Табаков В.П., Тулисов А.Н., Циркин А.В., Сагитов Д.И. // Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов: труды Седьмой Международной конференции. - Ульяновск: УГУ, 2009. - С. 262 - 263.
14. Моделирование напряженного состояния режущего инструмента с многоэлементными нитридными покрытиями / Табаков В.П., Тулисов А.Н., Циркин А.В., Сагитов Д.И. // Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов: труды Седьмой Международной конференции. - Ульяновск: УГУ, 2009. - С. 260 - 262.
15. Исследование напряженного состояния износостойких покрытий / Табаков В.П., Тулисов А.Н., Циркин А.В., Сагитов Д.И. // Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов: труды Седьмой Международной конференции. - Ульяновск: УГУ, 2009. - С. 259 - 260.
16. Сагитов Д.И., Циркин А.В., Порохин С.С. Износостойкие покрытия для режущего инструмента, работающего в стесненных условиях резания // Вузовская наука в современных условиях: тезисы докладов 43-й научно-технической конференции УГТУ. - Ульяновск:
УГТУ, 2009. - С. 36.
17. Сагитов, Д. И. Исследование износостойких покрытий для резьбонарезного токарного инструмента, работающего в стесненных условиях резания // Студент - науке будущего студенческая научно-техническая конференция: тезисы докладов. - Ульяновск:
УГТУ, 2008. - С. 12.
Автореферат САГИТОВ Дамир Ильдарович ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТОКАРНЫХ РЕЗЬБОВЫХ РЕЗЦОВ ПУТЕМ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ Подписано в печать 20.08.2012. Формат 60х84/16.
Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 Экз. Заказ 767.
Типография УГТУ. 432027, Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям