Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Мокрицкий Борис Яковлевич
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТОЙКОСТИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ПРИ ОБРАБОТКЕ ЗАГОТОВОК ИЗ СПЕЦИАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Специальность 05.02.07 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
доктора технических наук
Иркутск, 2011
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Комсомольский - на - Амуре государственный технический университет (ГОУВПО КнАГТУ).
Официальные оппоненты (по алфавиту) | Доктор технических наук, профессор Киричек Андрей Викторович (Орловский ГТУ, г. Орёл) Доктор технических наук, профессор Куликов Михаил Юрьевич (МИИТ, г. Москва), Доктор технических наук, профессор Табаков Владимир Петрович (Ульяновский ГТУ, г. Ульяновск) |
Ведущая организация | Институт материаловедения хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук |
Защита состоится 20 апреля 2011 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.02 Иркутского государственного технического университета по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, конференц-зал.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по указанному адресу.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета.
Автореферат разослан ЕЕЕ
Учёный секретарь диссертационного совета,
профессор В.М. Салов
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы.
В машиностроении и других отраслях промышленности производительность труда, качество обработки и эффективность производства в значительной мере зависят от работоспособности применяемого металлорежущего инструмента. Требования к повышению работоспособности инструмента постоянно растут в связи с необходимостью повышения производительности и качества обработки, с появлением новых конструкционных материалов.
Существенное повышение работоспособности быстрорежущего и твердосплавного инструмента достигается за счет нанесения покрытий. Однако проблема обеспечения требуемого качества инструмента ещё далека от решения и наиболее остро стоит при обработке деталей из специальных (нетиповых) конструкционных материалов, в том числе труднообрабатываемых. Например, металлорежущие пластины, выпускаемые ведущими в мире инструментальными фирмами (Sandvik Coromant, Metallwork Plansee, Krupp Widia, Kennametall, Balzers, Cimicon, Metaplas и др.) не обеспечивают необходимую работоспособность инструмента при токарной и фрезерной обработке деталей из титановых сплавов, судостроительных сталей, высокопрочных чугунов, специальных сплавов типа стеллит, сормайт и т.д. Применение наноструктурированных инструментальных материалов и нанометрических слоёв покрытий вносят положительный вклад в решение проблемы повышения работоспособности инструмента, но не исчерпывают её для указанных групп труднообрабатываемых материалов, однако поднимают цену на инструмент настолько, что в цене продукции затраты на инструмент достигают 30-70%.
Вопросами повышения работоспособности инструмента занимались многие отечественные и зарубежные исследователи, в том числе: Бабичев А.П., Базров Б.М., Безъязычный В.Ф., Беккер М.С., Бобров В.Ф., Бржозовский Б.М., Верещака А.С., Верхотуров А.Д., Григорьев С.Н., Гуревич Д.М., Евсеев Д.Г., Заковоротный В.Л., Зорев Н.Н., Кабалдин Ю.Г., Клушин М.И., Ким В.А., Киричек А.В., Костецкий Б.И., Колесников В.И., Куликов М.Ю., Куфарев Г.Л., Кудинов В.А, Лоладзе Т.Н., Макаров А.Д., Овсеенко А.Н., Петрухин С.С., Подураев В.Н., Промптов А.И., Резников А.Н., Старков В.К., Соломенцев Ю.М., Табаков В.П., Талантов Н.В., Питц Г., Трент В., Третьяков И.А., Шатерин М.А., Фадеев В.С., Эльясберг М.Е., Якубов Ф.Я., Iochen M. Schneider, Fuch M., Scheffer M., Gunterrez G и другие. Однако, разработанные технологии повышения стойкости инструмента в большинстве случаев не обеспечивают получение желаемого результата при обработке деталей из специальных материалов, что связано со сложностью и многофакторностью решаемых задач. Следовательно, проблема повышения работоспособности инструмента остается актуальной не только для специализированных инструментальных заводов, но и для машиностроительных предприятий широкого профиля.
Актуальность проблемы подтверждается ее включением в координационные планы научно-исследовательских программ Авиационная технология (1992 г), Сибирь (1988 г), Дальний Восток России (1996 г).
Целью работы является обеспечение стойкости металлорежущих пластин инструмента при токарной и фрезерной обработке деталей из специальных труднообрабатываемых сталей и сплавов за счёт разработки арсенала многостадийных технологий их изготовления из твёрдых сплавов, режущей керамики и сверхтвёрдых материалов.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
1. Разработать комплекс методов оценки качества инструмента и прогнозирования его работоспособности по параметрам контроля физико-механических свойств инструментального материала.
2. Выявить наиболее слабые элементы структуры инструментальных материалов, определяющих их прочность.
3. Разработать арсенал технологических методов (процессов) повышения периода стойкости на различных этапах изготовления металлорежущих пластин.
4. Апробировать разработанные технологические процессы в производстве.
Научная новизна работы состоит в:
а) предложенной концепции многостадийного упрочнения материала режущих пластин на различных этапах технологического процесса изготовления, включая стадию изготовления основы инструментального материала, стадию архитек-турирования покрытия и стадию упрочнения покрытия, причём многостадийность упрочнения обеспечивает управление эксплуатационными параметрами режущих пластин по градиенту свойств основы за счёт термообработки, термомеханического воздействия, вакуумной ионной бомбардировки и других приёмов, по градиенту свойств покрытия - за счёт слойности покрытия, чередования свойств в слоях покрытия, регулирования размера зёрен в слоях, применения материалов, композиций и методов нанесения покрытий, по снижению дефектности покрытия- за счёт ионного азотирования, лазерного воздействия и т.д.;
б) разработанной энергетической модели инструментального материала, позволяющей оценивать его способности накапливать и рассеивать подводимую энергию по критическому числу взаимодействий агрегаций до начала разрушения материала, сформулировать с этих позиций требования к инструментальному материалу, учитывать различия в условиях внешнего нагружения режущей пластины, в том числе, различия из-за непостоянства условий стружкообразования;
в) разработанном арсенале технологических методов (процессов) повышения периода стойкости металлорежущих пластин инструмента, который позволяет создать эффективный технологический процесс изготовления пластин в зависимости от заданных условий эксплуатации инструмента, и включает в себя:
- термообработку, ионное азотирование или другие воздействия на основу,
- управление количеством, составом, материалами, размером зёрен или толщинами слоёв при архитектурировании покрытия,
- вакуумную термообработку, ионное азотирование, лазерное воздействие или другие воздействия по снижению дефектности покрытия;
г) установлении вида связи сигналов акустической эмиссии с эксплуатационными показателями металлорежущих пластин и в разработке на этой основе совокупности методов оценки качества пластины и прогнозирования ее работоспособности, в том числе за счёт применения разных схем нагружения инструментального материала (индентирования или скрайбирования), контроля нескольких параметров сигналов акустической или экзоэлектронной эмиссии и выявления превалирующего механизма микроразрушения;
д) разработанных рекомендациях по сочетанию и совокупности технологических методов воздействия на металлорежущие пластины в процессе их изготовления, а также режимной области их применения, которые позволяют управлять эксплуатационными свойствами пластин и обеспечивать требуемую производительность при обработке деталей из конкретных марок специальных материалов назначением экономически целесообразного периода стойкости инструмента.
Обоснованность и достоверность полученных результатов исследований подтверждается совпадением расчётных и экспериментальных данных, экспериментальной проверкой моделей, согласованностью результатов с результатами других исследований в пограничных условиях и областях.
Полученные автором научные результаты обоснованы экспериментальными закономерностями, установленными при испытаниях широкого ассортимента инструментальных материалов для токарного и фрезерного инструмента и значительной номенклатуры обрабатываемых конструкционных материалов. При этом использованы современные методы исследования и инструментарий смежных научных специальностей. Достоверность выводов и научных результатов подтверждена большим количеством экспериментальных данных и широким объёмом внедрения разработок в промышленности.
Практическая ценность и реализация работы заключается в создании и внедрении в промышленность оригинальных высокоэффективных технологических процессов упрочнения инструментальных материалов для конкретных условий эксплуатации, а также в разработке рекомендации по режимам резания и областям применения различного упрочнённого инструмента при обработке деталей из специальных материалов. Большое значение для практики имеют разработанные оперативные методы оценки качества инструмента и прогнозирования его работоспособности. Экономический эффект от внедрения разработок в промышленность превысил миллион рублей (в ценах 1987...1994 годов), что в пересчете на текущий момент только за счёт учёта инфляционных процессов достигает 10 миллионов рублей. Новизна технических решений по конструкции (архитектуре) инструментальных материалов и способам их изготовления или упрочнения защищена более чем 40 изобретениями.
На защиту выносятся:
1. Концепция многостадийного упрочнения твёрдосплавного, керамического и сверхтвёрдого инструментального материала, позволяющая управлять работоспособностью токарного и фрезерного инструмента, что обеспечивает высокую эффективность обработки специальных материалов.
2. Арсенал технологических процессов изготовления режущих пластин, обеспечивающих выбор или создание высокоэффективного процесса для конкретных условий эксплуатации инструмента.
3. Энергетическая модель инструментального материала, позволяющая оценивать его способность накапливать и рассеивать подводимую энергию и критическое число взаимодействий зёрен и их агрегаций до начала разрушения материала.
4. Совокупность разработанных методов оценки качества инструмента и прогнозирования его работоспособности на основе установленных видов связи
сигналов акустической и экзоэлектронной эмиссии с эксплуатационными показателями инструмента.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, Всероссийских, республиканских, межрегиональных и региональных научно-технических конференциях, форумах и семинарах, например на Всесоюзной научно-технической конференции "Прогресссивные методы обработки резанием" (г. Ленинград, 1981г), "Новейшие достижения в резании, проектировании и изготовлении инструмента" (г. Свердловск, 1983г), "Повышение эффективности использования оборудования с ЧПУ" (г. Пермь, 1985г.), "Комплексная автоматизация и механизация" (г. Кемерово, 1984г.), "Структура и свойства материалов" (г. Новокузнецк, 1988г.), "Инструментальное обеспечение автоматизированного производства" (г. Москва, 1990г), Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов (г. Комсомольск-на-Амуре, 2009 г), международной НТК Проблемы и перспективы обработки материалов и заготовительных производств (г. Комсомольск-на-Амуре, 2010 г).
Работа в разных стадиях завершённости докладывалась в Институте машиноведения и металлургии ДВО РАН, на расширенных заседаниях профилирующих кафедр Комсомольского-на-Амуре, Красноярского, Иркутского государственных технических университетов, Тихоокеанского государственного университета, Московского технического университета СТАНКИН.
Реализация результатов.
Выполненные разработки внедрены на машиностроительных предприятиях ОАО Амурский судостроительный завод (г. Комсомольск-на-Амуре, изобретения защищы авторскими свидетельствами СССР №1324325, 1383621), ОАО Амурлитмаш (г. Комсомольск-на-Амуре), Томский инструментальный завод, использованы во ВНИИТС и НИИАвтопром.. Отдельные решения (изобретения, защищённые авторскими свидетельствами СССР №1342227, 1382175) по оценке качества инструментальных материалов внедрены в учебный процесс.
ичный вклад автора.
Обобщенный в работе материал является результатом исследований, выполненных автором лично, под его руководством (научное консультирование соискателей учёной степени кандидата технических наук Тараева С.П. и Мокрицкой Е.Б.), с непосредственным участием автора. Вклад автора является преобладающим в постановке проблемы и задач исследований, в получении экспериментальных данных, в анализе и обобщении результатов исследований, в разработке способов оценки качества инструмента и способов повышения его работоспособности.
Автор благодарен за помощь ряду сотрудников ВНИИТС, МГТУ СТАНКИН, КнАГТУ. Особую признательность автор выражает профессорам Верещаке А.С., Кабалдину Ю.Г., Семашко Н.А. и заведующим лабораториями ВНИИТС Аникину В.Н. и Аникееву А.И.
Публикации. Основные положения работы опубликованы в 99 публикациях, в том числе в 3 монографиях, в 21 статье в журналах, рекомендованных ВАК, в 66 изобретениях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы, приложения. Объем диссертации составляет 379 страниц, в том числе 130 рисунков и 85 таблиц.
Основное содержание работы
Во введении охарактеризована актуальность проблемы повышения работоспособности инструмента при лезвийной механической обработке специализированных конструкционных материалов.
В первой главе выполнен обзор и анализ работ по проблеме повышения работоспособности инструмента, механизмам его разрушения и изнашивания. В результате анализа сформулирована цель работы, поставлены задачи исследования.
Во второй главе проведена оценка влияния механики процесса резания на работоспособность инструмента при динамическом непостоянстве стружкообразования и условий нагружения инструмента. Стружкообразование принято в качестве процесса, совокупно отражающего состояние технологической системы резания. В основу анализа стружкообразования положена известная теория минимальной работы, сущность которой состоит в том, что разрушение металла при больших деформациях сдвига реализуется в той плоскости, где для этого требуется минимальная мощность. Это положение дополнено аксиомой о том, что работа, необходимая при резании для сдвига упрочненного в плоскости сдвига металла, может быть больше работы, необходимой для сдвига неупрочнённого металла.
Модель динамического непостоянства процесса стружкообразования при адаптации системы резания за счет изменения положения плоскости сдвига основана на неустойчивости сдвиговой деформации при пластическом (при термопластическом) деформационном упрочнении. В качестве исходной позиции для этого использованы положения Подураева В.Н., из которых следует, что при хрупком механизме стружкообразования скорость реализации акта сдвига элементарного объема стружки выше скорости реализации упругих деформаций инструмента. Разница этих скоростей и является причиной импульсного изменения силы резания, что переводит упругую систему из состояния циклического знакопеременного нагружения в состояние импульсного нагружения.
Оценка влияния непостоянства условий импульсного нагружения инструмента на его работоспособность на примере зубофрезерования (как наиболее циклически нагруженного процессе резания) показала изменение периода стойкости инструмента до 6 раз при срезании одинакового объёма металла. Установлено, что по ширине обода колеса микротвердость не постоянна, ее изменение не линейно, характер изменения микротвердости для встречного и попутного зубофрезерования различен. Рост микротвердости на 30 ÷ 60 МПа характерен для периода врезания инструмента. Указанное позволяет заключить, что с ростом непостоянства условий нагружения инструмента всё более необходим учёт импульсного характера взамен традиционного знакопеременного циклического характера нагружения.
В третьей главе выполнено исследование механизмов разрушения инструмента на основе учёта взаимодействия агрегаций инструментального материала и приведены результаты теоретических исследований прочности элементов структуры различных инструментальных материалов. Использована зависимость (по Новикову Н.В.) напряжений в связующей фазе инструментальных материалов от коэффициента интенсивности напряжений и толщины прослойки. По аналогии, рассматривая зерно как дефект, можно определить разрушающее напряжение для зерен (твёрдой фазы) инструментального материала:
σр = ,
где lkp - размер критического дефекта, К1с - коэффициент интенсивности напряжений.
Соответственно для границ разрушающее напряжение может быть определено по зависимостям:
для межкристаллитных границ
σр = ,
для межфазных границ
σр = ,
где σВ - напряжение у вершины трещины, обеспечивающее ее рост по хрупкому механизму (по Кремневу Л.С. и Майстренко А.Л.) разрушения, GЗ и GМ - модуль сдвига соответственно для зерна и связки, τсдв -сопротивление пластической деформации.
Использование указанных зависимостей (при экспериментальном определении К1С методом микроиндентирования по моменту образования трещин в углах отпечатка при внедрении алмазной пирамидки на микротвёрдомере и величины критического дефекта lkp методом электронной фрактографии) позволяет рассчитать величину разрушающих напряжений для всех элементов структуры материала и, тем самым, выявить наиболее слабое звено, т.е. тот элемент структуры, который первым исчерпает свою прочность при действующих условиях нагружения.
Результаты расчета разрушающих напряжений по различным элементам структур основных групп твёрдых сплавов приведены на рис.1. Анализ показывает:
а) для сплавов групп ВК и ТК связка и зерно не являются "слабым" звеном структуры, здесь наименее прочны границы, причем для сплавов группы ВК разрушающее напряжение межкристаллитных границ меньше, чем для межфазной границы, т.е. согласно расчетным величинам σр развитие трещины преимущественно может проходить по межкристаллитным границам и границам зерно-связка;
б) в сплавах групп ТТК и ТН разрушающие напряжения для зерна (наименьшее σр у ТТК отмечается для ТаС, у ТН - для TiC), межкристаллитных границ и границ зерно-связка отличаются несущественно (минимальное σр у ТТК для границы зерно-связка, у ТН - для границы зерно-зерно), т.е. трещина согласно расчетам σр может развиваться по границам со сколом зёрен.
Для подтверждения необходимости учёта прочности элементов структур инстру- ментальных материалов проведены экспериментальные исследования периода стой- кости для различных марок инструментальных материалов при точении и фрезеровании. Они подтверждают полученные выводы. Причем, чем меньше
Рис.1. Соотношение разрушающих напряжений элементов структур инструментальных материалов различных групп твёрдых сплавов. Примечание: здесь и далее на гистограммах статистическая обработка данных проводилась по рекомендациям работы Информационно-статистические методы в технологии машиностроения: пособие по обработке результатов эксперимента./ В.Г. Григорович, В.Я. Кершенбаум, Д.А. Козочкин и др. ЦМ.: ГУП Издательство Нефть и газ РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000, - 184 с. |
разница в величинах разрушающих напряжений у межфазных и межкристал-литных границ, тем меньше разброс периода стойкости инструмента.
Результаты оценки прочности твёрдых сплавов с позиций структурной механики разрушения показывают возможность реализации двух разных механизмов хрупкого разрушения твердых сплавов:
а - развитие магистральной трещины в сплавах групп ВК, ТН и КНТ по формирующимся впереди неё микротре-щинам, слияние которых ускоряет её рост;
б - распространение магистральной трещины в сплавах группы ТК путём непрерывного скола по межкристаллитным границам, межфазным границам и зернам.
Подтверждением этому является то, что при микрофрактографических исследованиях поверхностей разрушения выявлено наличие значительных участков разрушения с характерным чашечным (ямочным) микрорельефом и наличие системы микротрещин на межфазных границах. Образование реечного узора при сколе зерен, очевидно, вызвано объединением в одном потоке отдельных микротрещин, развивающихся в разных плоскостях.
Результаты расчета прочности элементов структуры режущей керамики приведены на рис.2. Анализ полученных данных позволяют сделать вывод о том, что работо-
Рис.2. Соотношение прочности (величин разрушающих напряжений) элементов структур для различных видов режущей керамики. |
способность режущей керамики в первую очередь ограничена прочностью (величиной разрушающих напряжений) границ между зернами упрочняющей фазы (добавок), причем их прочность возрастает в последовательности: оксидная керамика, оксидно-карбидная, оксидно-нитридная и нитридная керамика. Выполненный анализ прочности элементов режущей керамики позволяет прогнозировать разрушение в следующей последовательности лотказа её структурных элементов: вначале исчерпывается прочность межкристал-литных границ упрочняющей фазы (добавок), затем - прочность зерен упрочняющей фазы, затем - межфазных границ зерен матрицы с зернами упрочняющей фазы, затем - границ зерен матрицы и только потом - зерен матрицы.
Проведена оценка взаимодействия агрегаций (зерна с зерном и зерна со связкой) с позиций передачи энергии, ее накопления и рассеяния для определения условий критического взаимодействия, вызывающего исчерпание возможности накапливать и рассеивать далее энергию. Модель такого динамико-энергетического взаи-модействия агрегаций разработана в двух вариантах: а - для взаимодействия зёрен; б - для взаимодействия зерен через связку (прослойку). Модель представлена на рис.3. Использование зависимостей теории соударения тел (как приложение энергии на неоднородностях) позволяет выразить величину энергии тела после
Рис.3. Модель взаимодействия зерен: 1 - зерно (агрегация), получившее энергию при приложении импульса Р силы; 2 - зерно, получившее импульс J от зерна 1 в результате взаимодействия при соударении зерен 1 и 2; d - диаметр зерна; l - расстояние между зернами. |
удара в виде уравнения Еn+1 = (1 - Kn2 ⋅sin2αn)En, где Еn+1 - энергия зерна 2, возбужденного при соударении зерном1, импульс удара которого направлен под углом αn; Kn= l/d (где l - расстояние между зернами; d - размер зерен) безразмерный параметр; Еn - энергия удара зерна 1 при подводе к зерну энергии Е0.. Это создает основу для оценки работоспособности инструмента по энергетическим критериям и позволяет определить критическое число nкр взаимодействий до накопления в зерне предельной энергии
,
где Ео и Екр - соответственно начальная и критическая величины энергии, Е - текущее значение энергии, αо - угол (в радианах) взаимодействия зёрен, j - параметр, характеризующий размер зёрен.
С развитием методов оценки Ео и Екр это уравнение может служить критерием энергетичекой оценки качества инструмента. Для твёрдого сплава экспертная оценка показывает, что критическое число взаимодействий минимально для зерен WC и возрастает для зёрен TiN, затем TiC. Это адресно указывает элементы структуры материалов, с которых могут начинаться процессы разрушения инструментального материала.
При достижении критической величины накопления энергии инстру-ментальный материал как саморегулирующаяся система может изменять своё состояние: а) механическим путем, т.е. изменив целостное состояние на дробное посредством изменения параметра j (размера d зерна) путём раскола зерна; б) геометрическим путем, т.е. изменив угол α передачи энергии путем смещения зерна и увеличения расстояния между зернами; в) физическим путем, т.е. перестроив структуру, например дислокационную, и создав тем самым каналы оттока энергии.
Модель взаимодействия агрегаций в инструментальном материале предусматривает наличие прослойки между зёрнами упрочняющей фазы. Прослойка, как модель прокладки в контактной области между двумя твердыми телами, испытывает упругопластические деформации. При передаче ударного импульса (F, U) на границах прослойки выполняются условия:
F1(x=0) = F2(x=0); F2(x=l) = F3(x=l)
U1(x=0) = U2(x=0); U2(x=l) = U3(x=l),
где F - сила, U - перемещение, l - расстояние (толщина прослойки), 1 и 3 - зёрна, 2 - прослойка между ними.
На основе изложенного подхода к оценке прочности инструментального материала проведено исследование механизмов разрушения инструмента с привлечением физических методов исследования. Исследования термостойкости покрытий показали, что природа образования трещин в покрытии преимущественно термическая, причём трещины в покрытии появляются быстрее и большим числом, чем в твёрдом сплаве. Интенсивность образования трещин и их число в твёрдых сплавах с покрытием выше, чем без покрытия, причем у инструментов без переходного металлического слоя в покрытии и у твёрдых сплавов с многослойным покрытием типа TiC+ TiCN + TiN интенсивность появления трещин в начальный момент нагружения чрезвычайно высока и ведёт к образованию сетки трещин, что значительно облегчает дальнейший вырыв объёмов покрытия с поверхности инструмента. Исследования микрофрактограмм показывают, что в начальный период эксплуатации трещины образуют сетку трещин, рис.4, конгломераты отслоившегося покрытия вовлекаются обрабатываемым материалом в движение
Рис.4. Схема разрушения покрытия: 1 - основа; 2 - покрытие; 3 - трещины; 4 - оголенная поверхность основы; 5 - изношенный участок; 6 - контур режущей кромки. |
и пропахивают основу нанося ей повреждения.
В качестве резюме по выявленным особенностям разрушения и изнашивания твёрдосплавного инструмента конста-тировано следующее:
- уточнены представления о механизме вязко-хрупкого разрушения твёрдого сплава, он представляется как сово-купность межзёренного разрушения вследствие формирования микротрещин впереди магистральной трещины и разрушения из зерна в зерно вследствие непрерывного роста магистральной трещины.
- модель хрупкого разрушения сколом твёрдых сплавов состоит в следующем: концентрация напряжений в поверхностных слоях вызывает зарождение субмикротрещин, рост напряжений до критических значений в локальных объемах способствует развитию субмикротрещин, рост напряжений в их устьях приводит к разрыву связей между карбидными зернами и связкой, происходит слияние субмикротрещин, формируется магистральная трещина, направление и темп роста которой обусловлен интенсивностью образования и слияния трещин в зоне предразрушения.
В четвёртой главе приведена методология многостадийной комплексной технологии упрочнения исходного инструментального материала и кратко описаны разработанные технологические процессы изготовления режущих пластин инструмента как последовательность упрочняющих воздействий (технологических приёмов) для повышения периода стойкости инструмента, приведены результаты его эксплуатации и рекомендации по применению.
Методология многостадийного повышения работоспособности инструмента основана на вовлечении различных иерархических уровней механизмов упрочнения инструментального материала. Выбор механизмов упрочнения основывается на выявленных ранее превалирующих механизмах разрушения и изнашивания инструмента. Чтобы повысить сопротивляемость материала такому виду разрушения необходимо затормозить или локализовать превалирующий механизм разрушения, например, повысить сопротивление деформированию путем создания препятствий на пути движения дислокаций. Пути создания препятствий могут быть различными, они положены в основу технологических приёмов упрочнения инструмента и реализованы как последовательности воздействия на основу инструментального материала, как приёмы архитектурирования покрытий и как приёмы воздействия на покрытия. Сведения об отдельных приёмах приведены ниже. В рамках объёма автореферата описать приёмы как технологии изготовления инструмента не представляется возможным, поэтому здесь даны лишь определённые сведения о сути приёмов. Возможности доказательства эффективности приёмов в рамках автореферата также ограничены, поэтому здесь даны ссылки на источники, где эти доказательства приведены первоначально.
Концептуально методология комплексного подхода к многостадийному повышению работоспособности режущих пластин инструмента состоит в следующем:
- работоспособность инструментального материала, взятого в исходном состоянии, можно повышать до необходимого уровня путём упрочняющих воздействий на каждой стадии изготовления инструмента;
- если этого недостаточно, то работоспособность можно повысить изменением исходного состояния инструментального материала;
- для каждого этапа изготовления инструмента, в том числе для этапа изготовления основы инструментального материала, необходимо иметь многостадийный набор последовательность упрочняющих воздействий, это позволяет создать арсенал технологических процессов изготовления инструмента для выбора эффективного из них под конкретные условия его эксплуатации.
Схематично концепция представлена на рис.5, где ТП обозначены технологические процессы, которые можно разрабатывать под требуемые условия эксплуатации используя упрочняющие воздействия на той или иной стадии изготовления инструмента. Каждый этап может содержать несколько вариантов упрочняющих воздействий, следовательно число технологических процессов может быть значительным.
Рис.5. Алгоритм концепции создания арсенала технологических процессов изготовления инструмента.
В рамках этапа изменения исходного состояния основы разработано два технологических приёма: стадийное спекание режущей пластины и послойное спекание. Ниже кратко описан один из них.
Технологический приём стадийного спекания твёрдого сплава позволяет ограничить диффузию углерода из карбидов в связку, повышает жаропрочность поверхностных слоёв твердого сплава и термодинамическую стабильность его карбидных фаз. Осуществляется (новизна защищена авторскими свидетельствами СССР на изобретения №1436347, 1446769) приём следующим образом: на первой стадии твёрдый сплав спекают предварительно, на второй стадии - воздействуют ионами для пассивации связки, на третьей стадии - спекают окончательно. Пассивация связки
наиболее просто осуществима в установках для ионного азотирования и нанесения покрытий. Так, ионное азотирование связывает кобальт, а бомбардировка ионами тугоплавких металлов обеспечивает легирование связки. То и другое снижает химическую активность связки и этим ограничивает диффузию в неё углерода из карбидов. Результаты эксплуатации такого инструмента при обработке титановых сплавов показали повышение периода стойкости до двух раз в сравнении с типовым твёрдым сплавом.
Далее проанализированы возможности повышения периода стойкости при упрочнении типовых режущих пластин. В этом случае разработка технологических приёмов ориентирована на три разных этапа технологического процесса изготовления инструмента, а именно на этап упрочнения основы инструментального материала, на этап архитектурирования (создания конструкции, состава, толщин и последовательности слоёв, методов их нанесения и т.д.) покрытия и на этап упрочнения (снижения дефектности) покрытия (это выделено жирной линией 1-2-3-4-.5-6 на рис.5). При избыточной работоспособности какой-либо этап может быть опущен (например, этап упрочнения покрытия). При необходимости число этапов может быть дополнено по линии 1-7-8-3 рисунка 5 за счёт применения специальных приёмов изготовления основы инструментального материала. Это формирует многовариантный подход к выбору процесса изготовления инструмента. Даже если на каждом из этапов предусмотреть только по три варианта технологических приёмов изготовления, то образуется комплект из 27 разных технологических процессов ТП, отличающихся своей последовательностью упрочняющих воздействий. Но ещё имеется возможность комбинирования ТП за счёт пропуска (невыполнения) одного или нескольких воздействий на одном или нескольких этапах. Следовательно, количество ТП является n-факториальной функцией возможных сочетаний вариантов для каждого из этапов. Благодаря этому можно управление работоспособностью инструмента свести к выбору эффективного ТП из некого арсенала (комплекта) ТП. Разработка этого арсенала является предметом настоящей работы и генеральной концепцией комплексного подхода к проблеме повышения работоспособности инструмента. Общее представление о масштабе этого арсенала дано в указанных далее публикациях по работе. Здесь приведены решения лишь для части арсенала из-за ограничений объёма работы. Например, только для этапа упрочнения основы исходного инструментального материала разработано более 10 ТП. Самым простым примером, является применение термомеханического упрочнения путём термозаточки режущей пластины, т.е. путём реализации алмазного шлифования предварительно нагретой пластины. Это даёт повышение периода стойкости за счёт температурной стабилизации внутренних напряжений в пластине, за счёт снижения уровня повреждаемости заточным кругом карбидных зёрен на поверхности пластины, за счёт создания в процессе заточки новых ювенильных областей на поверхности пластины, готовых к последующему химическому взаимодействию с материалом наносимого покрытия и за счёт иных эффектов.
Далее основное внимание сосредоточено на этапах архитектурирования и упрочнения покрытия.
Технологический приём управления работоспособностью инструмента путём управления размером зерна в покрытии реализован при уменьшении размера зерна карбида титана от основы к поверхности при изменении температуры (новизна защищена авторским свидетельством СССР на изобретение №1407099) осаждения газовой фазы (данный приём является развитием предложенного профессором Табаковым В.П. способа управления размером зерна при осаждении покрытия методом КИБ). Суть разработанного решения состоит в возможности изменения размера зерна на порядок. Осуществлено изменение от 3 мкм до 0,3 мкм. Необходимость высокой температуры в начале процесса осаждения покрытия связана с обеспечением условий диффузионного взаимодействия покрытия с основой. Последующее уменьшение температуры ведёт к уменьшению размера зерна и снижению его нестихиометрии. Осаждение такого покрытия обеспечивает компромисс свойств покрытия: за счёт высокой температуры получена высокая прочность сцепления с основой и за счёт мелкозернистой структуры покрытия получена повышенная сопротивляемость разрушению, выросла энергоемкость и термическая стабильность. Это позволяет в 1,5 и более раз повысить период стойкости в сравнении с инструментом с типовым покрытием карбидами титана.
Технологический приём повышения работоспособности твёрдосплавного инструмента комбинацией методов нанесения покрытия основан на использовании (новизна защищена авторскими свидетельствами СССР на изобретения №1354557, 1372976,1767773, 1670873,1342047, 1354757) достоинств осаждения покрытия из газовой фазы газотермическим методом (ГТ) и нанесения покрытия конденсацией с ионной бомбардировкой (метод КИБ). Основным достоинством метода ГТ является обеспечение высокой прочности сцепления покрытия с основой. Достоинством метода КИБ является возможность нанесения мягких металлических слоёв покрытия, выполняющих демпфирующую функцию и повышающих сцепление твёрдых слоёв покрытия между собой за счет обеспечения материалом металлического мягкого слоя химической совместимости слоёв. Демпфирование подтверждено измерением микротвёрдости (методика описана в приложении к диссертации), рост прочности сцепления подтверждён методом маятниково-акустического скрайбирования. Приём ГТ+КИБ+ГТ использует метод КИБ для нанесения "мягкого" промежуточного слоя из металла между двумя "твёрдыми" слоями покрытия, осаждаемых методом ГТ. Приём КИБ+ГТ+КИБ использует метод КИБ для осаждения "мягкого" металлический слой на основу и повторно использует метод КИБ для осаждения "мягкого" слоя поверх "твердого" (осаждаемого методом ГТ) слоя для "залечивания" его дефектов. Наиболее просто технологический приём реализуется методом ГТ+КИБ при нанесении покрытия ТiC+Me+MeN, где металлический слой и нитридный слой получены из одного металла. Пример использования циркония показан в таблице 1 для торцевого фрезерования стали У8А со скоростью 250 м/мин, подачей 0,21 мм/зуб и глубиной 2 мм.
Таблица 1
Величина износа инструмента за 105 циклов нагружения
Исполне-ние покрытия | ВК8 + +TiC (5мкм) | ВК8+TiC (3 мкм)+ ZrN (4мкм) | ВК8+TiC (3мкм)+ Zr (1мкм)+ ZrN (4мкм) | ВК8+TiC (3мкм)+ Zr (1,5 мкм)+ ZrN (4мкм) | ВК8+TiC (3мкм)+Zr (0,5мкм)+ ZrN(4мкм) |
Износ по задней грани, мм | 0,56 | 0,42 | 0,21 | 0,23 | 0,36 |
Примечание: В таблице приведены величины износа как среднее значение по 3-5 измерениям с коэффициентом вариации менее 0,2. Здесь и далее статистическая обработка данных проводилась в соответствие с работой Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Машиностроение, 1974, 231 с. | |||||
Эффективность данного технологического приёма подтверждена также при других составах и толщинах покрытий, при обработке судостроительных сталей группы АК и титановых сплавов.
Промежуточный металлический слой между карбидным (ГТ) и нитридным (КИБ) слоями может быть выполнен состоящим из нескольких подслоев из разных металлов Ме1, Ме2, Ме3, рис.6. Назначение этих слоёв состоит в обеспечении компромисса свойств между нижним и верхним слоями покрытия за счёт химического родства элементов. В частности промежуточный металлический слой между карбидным (ГТ) и нитридным (КИБ) слоями был выполнен состоящим из разных металлов, а именно: нижний подслой - из титана для обеспечения химического родства со слоем TiC; верхний подслой - из циркония для обеспечения химического родства с нитридным слоем ZrN ; средний подслой - из молибдена для
обеспечения удовлетворительной растворимости одновременно с титаном и цирконием. Условие максимальной работоспособности инструмента обеспечено в
Рис.6. Схема конструк-ции покрытия с мяг-кими металлическими слоями. |
следующем соотношении толщин слоев: толщина слоя карбида Ме1 (карбид титана, осажденный методом ГТ) составляет 2 мкм; подслой этого же металла Ме1 выполнен с максимальной толщиной среди всех подслоев металлов, т.е. t1 =tmax = 0,1÷1 мкм; толщины среднего подслоя металла Ме2 и верхнего подслоя металла Ме3 выбраны из одновременного удовлетворения требования b = (1,2÷3,0)t1 (где большее значение интервала соответствует меньшему значению t1) и требования b = (0,1÷1,1)a (где большее значение интервала соответствует большей толщине а верхнего нитридного слоя Me3N покрытия). Толщина а верхнего слоя покрытия выбрана из условия трещиностойкости и не превышения итоговой толщины покрытия величины 7 - 12 мкм.
Рис.7. Микрофрактограмма участка заполнения (лзалечи-вания) металлом (молибден толщиной 3 мкм) слоя покрытия на твёрдосплавной инструмен-тальной основе. |
Технологический приём залечивания дефектов применён для снижения влияния дефектов основы инструментального материала на работоспособность инструмента (новизна защищена авторскими свидетельствами СССР на изобретения №1394745, 1322605, 1412370,1351154) и залечивания дефектов его твёрдых слоёв покрытия. Пример залечивания вырыва в основе путём нанесения металлического слоя для заделывания вырыва показан на рис.7. Одним из видов "залечивания" дефектов ос- новы является её ионное азотирование перед нанесением покрытия. Роль ионного азоти-рования здесь состоит в микролегировании связки поверхностных слоев основы (чем обеспечивается ее сопротивляемость микро-ползучести) и энергетической стабилизации поверхности перед нанесением мягкого слоя покрытия. Пример влияния ионного азотирования на работоспособность твёрдого сплава показан на рис.8 для случая торцевого фрезерования сплава ВТ-20 при скорости резания 80 м/мин, подаче 0,125 мм/об., глубине 2 мм.
Технологический приём повышения работо-способности твёрдосплавного инструмента путём применения многослойных покрытий использует принцип сэндвича для торможения процесса роста трещин в покрытии. Приём исполнения покрытия с чередующимися "мягкими и твердыми слоями основан (новизна защищена авторскими свидетельствами СССР на изобретения №1367529, 1324325, 1610920, 1372976, 1354557, 1670876, 1342047 и др.) на трёх эффектах: изменение направления развития трещины на границе раздела слоев покрытия; демпфирующей роли мягких слоев; микролегировании твердого слоя в процессе нанесения мягкого слоя. При этом проявляются также эффект залечивания мягким слоем дефектов расположенного ниже слоя, эффект активизации диффузионных процессов, эффект снижения скорости роста трещины в мягком слое покрытия и т.д. При достижении трещиной границы раздела покрытие-основа направление дальнейшего развития трещин зависит от свойств этой границы.
Фрактографическими исследованиями установлено, что на границе раздела трещина разветвляется: частично разрушение идёт вдоль границы; частично трещина продолжает расти в основу. Пример сравнительных результатов испытаний
инструмента с чередующимися слоями покрытия представлен на рис. 9 для прерывистого точения (обработка цилиндра с пазом) специализированной стали АК-32ПК со скоростью резания 80 м/мин, подачей 0,2 мм/об и глубиной 2 мм.
Рис.8. Гистограмма величины износа, мм, инструмента за равное время (5000 циклов нагружения режущей кромки) эксплуатации: 1 - ВК8; 2 - ВК8+ионное азотирование + Тi; 3 - ВК8 + ионное азотирование; ВК8 + ионное азотирование + Zr. |
Данные рисунка показывают повышение работоспособности по величине износа задней грани режущей пластины с промежуточным слоем молибдена в сравнении с инструментом без промежуточного мягкого слоя до 1,6 раз.
Рис.9. Результаты сравнительных испытаний работоспособности инструмента: 1 - ВК8+TiC; 2 - ВК8+Mo+TiC; 3 - ВК8+Ti+TiC+Ti. |
Технологический приём повышения работо-способности твёрдосплавного инструмента путём нанесения композиционных покрытий основан на стремлении обеспечить компромисс требуемых эксплуатационных свойств инструмента составом покрытия. Под композиционным покрытием понимается покрытие с таким его составом, в котором присутствует соединение нескольких (новизна защищена авторскими свидетельствами СССР на изобретения №1556013, 1413839, 1385641, 1383620) материалов, например, в составе слоя покрытия находятся нитриды титана и циркония, т.е. (TiZr)N. Наиболее просто получение композиционного покрытия (новизна защищена авторскими свидетельствами СССР на изобретения №1549103, 1468002) реализуется методом КИБ. При этом используют сборный катод или получают катод методом порошковой металлургии. Второй путь перспективней по возможности получения композиции металлов или соединений, в том числе боридов, силицидов. Результаты испытания инструмента, изготовленного таким приёмом, представлены на рис.10 для случая прерывистого точения специализированной стали АК-32ПК при скорости резания 80 м/мин, подаче 0,2 мм/об и глубине 1,5 мм.
|
Рис.10. Зависимость величины износа по задней грани от времени работы твердосплавного инструмента ВК8 с: 1 - покрытием TiN (КИБ); 2 - покрытием TiC (ГТ); 3 - композиционным покрытием, полученным при испарении спеченного катода, содержащего молибден, цирконий, титан, бор, кремний; 4 - композиционным покрытием, полученным при испарении спеченного катода, содержащего титан, молибден, диборид ниобия, диборид тантала, диборид циркония. |
Технологический приём лазерного упрочнения покрытий позволяет (новизна защищена авторскими свидетельствами СССР на изобретения №1383621, 1385393) завершить диффузионные процессы между основой и покрытием и осуществить залечивание несплошностей твёрдого слоя покрытия материалом верхнего мягкого слоя. В таблице 2 приведены результаты применения такого упрочнения при токарной обра-
ботке стали 31Х19Н9МВБТ со скоростью резания 160 м/мин, подачей 0,1 мм/об, глубиной резания 1,5 мм и стали АК-32ПК при скорости резания 80 м/мин, подаче 0,2 мм/об и глубине 1,5 мм. Из данных таблицы следует, что лазерное воздействие
Таблица 2
Величина износа, мм, инструмента за равное время эксплуатации
| Инструмент | Т15К6+ Тi+ТiC+Zr | Т15К6+ Тi+ТiN+Zr | ||
Без воздей-ствия лазером | С воздейст-вием лазером | Без воздей-ствия лазером | С воздейст-вием лазером | |
Обрабатываемый материал сталь 31Х19Н9МВБТ | 1,2 | 0,86 | 1,8 | 1,1 |
Обрабатываемый материал сталь АК-32ПК | 0,72 | 0,53 | 1,3 | 0,77 |
Примечание: в таблице приведены значения как среднее значение по 5-7 измерениям с коэффициентом вариации менее 0,2 при вероятности 0,95 и отбрасывании крайних значений. | ||||
Рис.11. Дефекты нитридного покрытия в виде капельных фаз и окислов. |
как приём снижения дефектности нанесённого покрытия обеспечивает снижение величины износа до 40%. Пример дефектности покрытий приведен на рис.11. Возможны также другие приёмы упрочняющего воздействия на покрытие и основу инструментального материала. Они ранжируются по достигаемому эффекту повышения работоспособности инструмента и могут применяться раздельно или в совокупности. Являясь самостоятельными они входят составной частью в арсенал разработанных технологических процессов изготовления инструмента в рамках концепции многостадийного упрочняющего воздействия на исходный инструмен- тальный материал. Эта группа приёмов для твёрдого сплава относится к этапу снижения дефектности нанесённого покрытия и доля вклада разных стадий этого этапа изготовления инструмента может быть разной. Принципиально важным является не сама величина доли вклада этого или иного этапа, а величина эффекта прироста работоспособности инструмента в результате упрочняющих воздействий на всех этапах изготовления. Это позволяет управлять работоспособностью твёрдосплавного инструмента как последовательностью упрочняющих многостадийных воздействий на всех этапах. Добавление хоть одной стадии (технологического приёма) в этой последовательности упрочняющих воздействий или пропуск хоть одной стадии проявляется на величине прироста работоспособности инструмента. Этот комплексный подход позволяет из арсенала разработанных технологических процессов изготовления твёрдосплавного инструмента выбирать или создавать наиболее эффективный технологический процесс для конкретных условий эксплуатации инструмента по тому или иному критерию оценки эффективеости, в том числе по достигаемому экономическому эффекту. Общее представление об арсенале разработанных технологических процессов даёт схема, приведённая на рис.12 и её интерпретация в таблице 3.
Рис. 12. Структура создания арсенала технологических процессов изготовления инструмента для выбора и создания эффективного технологического процесса.
Таблица 3
Схема построения эффективного технологического процесса изготовления инструмента
Технологический процесс изготовления ТП | Инструментальный материал | Этапы технологического процесса ТП изготовления инструмента | Показатели качества ТП | ||||||||||
Изготовле-ние основы | Упрочне-ние основы | Архитектури-рование покрытия | Упрочне-ние покрытия | Стойкость | Стоимость | Эффективность | |||||||
Примеры вариантов упрочняющего воздействия | |||||||||||||
Типовой ТП | Разработанные варианты ТП | Термомеханическое упрочнение | Разработанные варианты ТП | Однослойное или многослойное покрытие | С чередованием слоёв | Разработанные варианты ТП | Воздействие лазером | Разработанные варианты ТП | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
ТП1 | Твёрдый сплав | + | + | Т1 | С1 | Э1 | |||||||
ТП2 | + | + | + | + | + | Т2 | С2 | Э2 | |||||
ТП3 | + | + | + | + | + | + | Т3 | С3 | Э3 | ||||
ТП4 | + | + | + | + | + | + | Т4 =Т3 | С4 | Э4 | ||||
ТП5 | Керамика | + | Т5 | С5 | Э5 | ||||||||
ТП6 | + | + | Т6 | С6 | Э6 | ||||||||
ТП7 | + | + | + | Т7=Т3 | С7=С3 | Э7=Э3 | |||||||
ТП8 | СТМ | + | Т8 | С8 | Э8 | ||||||||
ТП9 | + | + | + | + | Т9 | С9 | Э9 | ||||||
Примечание: ТП - технологический процесс; курсивом выделены типовые процессы для инструментальных материалов; жирно выделены показатели, совпадающие для вариантов ТП; разработанные варианты ТП - это один или несколько технологических приёмов упрочняющего воздействия для данного этапа изготовления инструмента. | |||||||||||||
Градация эффективности разработанных технологических процессов изготовления инструмента в работе проведена в основном по величине периода его стойкости в сравнении с известными решениями. Градация по величине экономического эффекта выполнена ограниченно из-за хаоса в ценообразовании на инструмент. Но даже это хаосное состояние инструментального рынка показывает, что предложенная концепция и методология повышения работоспособности инструмента создаёт базу для разработки принципов управления работоспособностью за счёт многокритериальной оценки эффективности технологического процесса изготовления инструмента как последовательности целенаправленных воздействий по упрочнению исходного инструментального материала.
Здесь и далее приведены отдельные результаты такой сравнительной оценки эффективности разработанных и известных решений по повышению работоспособности инструмента. Так, из рис.13 следует, что в целом разработанные решения превосходят известные, однако в области больших скоростей резания эффективность решений может выравниваться.
Рис. 13. График влияния элементов режима резания (V - скорость резания) на период стойкости Т инструмента при токарной обработке заготовок из специализированной судостроительной стали АК-29 (а,б,с) и АК-32П (d,с) при подаче S = 0,3 мм/об, глубине резания 1,5 мм и разной величине допустимого износа hз : 1- ВК8+TiN; 2- ТТ10К8Б+TiN; 3- инструмент с покрытием производства фирмы Мицубиси; 4- ВК6ОМ+(TiMo)N (изменение размера зерна в покрытии по В.П.Табакову); 5- ТТ10К8Б+TiC+(TiCr)N (по А.С.Верещаке); 6- ВК8+и.а.+TiC(ГТ)+Ti+Zr +(TiZrMo)N+ZrMo; 7- ТТ10К8Б+и.а.+ TiC(ГТ)+Ti+Zr+(TiZrMo)N+ZrMo; 8- ВК8+и.а.+Ti+ (TiZrMo)N+ZrMo+лазер; 9- ТТ10К8Б+TiC(ГТ)+Ti+Zr+(TiZr)N; 10- ВК8+тз+Ti+(TiZrMo)N +Zr+лазер; 11 - инструмент с покрытием изготовлен фирмой Сандвик Коромант; 12- инструмент с покрытием изготовлен фирмой Corlov; 13- ТТ10К8Б+и.а.+TiC(ГТ)+ Ti+(TiZrMo)N+ZrMo; приняты условные обозначения: ГТ - газотермический метод осаждения покрытия; и.а.- ионное азотирование; тз- термозаточка основы инструментального материала. |
В этих случаях эффективность разработанных решений может быть ещё повышена за счёт того, что к данной последовательности действий (к данному технологическому приёму) по изготовлению инструмента может быть добавлено ещё несколько действий. Например, к технологическому приёму, обозначенному позицией 6 на рис.13 может быть добавлено упрочнение верхнего слоя покрытия или дополнительное упрочнение основы термозаточкой перед ионным азотированием. Это повысит работоспособность инструмента. Возможность такого варьирования последовательностью действий в процессе изготовления инструмента на этапе подготовки основы, на этапе архитектурирования покрытия и на этапе упрочнения покрытия является идеологией разработанного комплексного подхода по повышению работоспособности инструмента и принципом выбора эффективного ТП.
Это означает, что возможность повысить работоспособность есть на любом этапе изготовления инструмента, важно чтобы это было рационально для конкретных условий производства. Попытка увязать эту рациональность с экономической эффективностью пока не удалась из-за хаоса цен на сырьё, материалы, услуги и инструмент.
Получены отдельные полиномные и вероятностные регрессивные уравнения зависимости стойкости инструмента от условий эксплуатации. Этот подход в данном случае признан не рациональным, т.к. каждому технологическому приёму изготовления инструмента соответствует своё уравнение, т.е. образуется многовариантная система уравнений, неудобная для инженерного пользования.
Проведено сравнение эффективности разработанных технологических приёмов повышения работоспособности твёрдосплавного инструмента с эффективностью применения покупного инструмента с современными покрытиями ведущих в мире производителей. Пример такого сравнения по периоду стойкости инструмента приведены в таблице 4. В подавляющем числе случаев лучшим оказался
Таблица 4
Сопоставление эффективности разработанных и существующих приёмов упрочнения твёрдого сплава
Матери-ал | Вид обработки | а 1 | учшие (в порядке роста периода стойкости) инструментальные материалы | ||
1 | 2 | а | 3 | 4 | 5 |
| АК-29 | Точение | 2а | Balzers | ВК8 + иа + TiC + Ti + Zr + (TiZrMo)N + ZrMo; ВК8 + иа + TiC+Ti+Zr + (TiZr)N + Zr | |
Фрезерование | 3а | ВК8 + TiC+Ti+Zr + (TiZr)N + Zr | ВК8 + иа + TiC+ Ti+Zr + (TiZr)N + Zr | ВК8 + иа + TiC+Ti+Zr + (TiZrMo)N + ZrMo | |
| ВТ-3-1 | Точение в нормальных условиях | 4а | ВК8 + иа + TiC+Ti+Zr + (TiZrMo)N + ZrMo; Мицубиси; Balzers | Corloy Jnc. | ВК8 + TiC+Ti+Zr + (TiZr)N + Zr |
Точение на удар | 5а | Corloy Jnc. ; Сандвик коромант | ВК8 + TiC+Ti+Zr + (TiZr)N + Zr | ВК8 + иа + TiC+ Ti+Zr + (TiZr)N + Zr | |
Фрезерование | 6а | Мицубиси; Corloy Jnc. | ВК8 + иа + TiC+Ti+Zr + (TiZrMo)N + ZrMo | ВК8 + TiC+Ti+Zr + (TiZr)N + Zr | |
Примечание: 1. иа - ионное азотирование; 2. Мицубиси, Balzers , Corloy Jnc., Сандвик коромант - условное обозначение импортного инструмента (место производства) с современным многослойным покрытиием, остальное - инструмент собственного производства по разработанным технологическим приёмам; 3. Режимы резания: для точения - глубина 0,15 мм, подача 0,1 мм/об, скорость 80 м/мин до износа 0,5 мм; для фрезерования - глубина 2 мм, подача 0,1 мм/зуб, скорость 80 м/мин до износа 1 мм; данные получены по результатам многократных (от 5 до 10 экспериментов с коэффициентом вариации стойкости не более 0,3) испытаний. | |||||
инструмент, изготовленный по разработанным методам. Это объясняется комплексностью воздействия на инструментальный материал для повышения работоспособности инструмента. Совокупность такого комплексного воздействия не только изменяет трибологические свойства инструменталь-ного материала, но и повышает его хрупкую прочность. Рост хрупкой прочности констатирован по результатам оценки трещиностойкости и вязкости разрушения при исследовании микротвёрдости по моменту образования трещины в углу отпечатка пирамидки микротвёрдомера. При более высокой работоспособности такой инструмент оказывается дешевле на 15 - 40% и время на его получение (изготовление) меньше до 3 раз. Эффективность разработанного инструмента оценена также на примере токарной восстановительной обработки поверхности катания колёс грузовых железнодорожных вагонов. Конкурентность разработанных в настоящей работе решений показана в таблице 5 на примере обработки колёс на станке серии UBB с ЧПУ со скоростью резания 50 - 90 м/мин, подачей 2,0 - 0,8 мм/об при глубине резания 4-12 мм (меньшие значения - для чистовой обработки) тангенциальной пластиной формы LNMX (301940) из твёрдого сплава АТ15S.
Таблица 5
Сравнительная износостойкость разработанного и импортного инструмента
Сравниваемые показатели | Инструмент фирмы Sandvik Coromant с нанострук-турным мно-гослойным покрытием АТ15S+TiCN+ Al2O3+TiN | Инструмент фирмы Corloy Jnc. (Корея) с наноструктур-ным много-слойным пок-рытием Тi+TiCN + Al2O3+TiN | Разработанный инструмент АТ15S + иа + TiC+Ti+Zr+ (TiZrМо)N + ZrМо+лазерное упрочнение | Разработан-ный инструмент Т14К8+иа+ ТiC+Ti+Zr+ (TiZr)N+ Zr |
Коэффициент стойкости до износа 0,8 мм | 1,0 | 1,2 | 1,6 | 1,3 |
Коэффициент вариации стойкости | 0,47 | 0,33 | 0,32 | 0,29 |
Примечание: иа - ионное азотирование поверхности пластины; лазерное упрочнение - воздействие лучом лазера на покрытие с целью залечивания его дефектов. | ||||
Отмечено не только более высокое среднее значение периода стойкости (96 мин) разработанного инструмента, но и снижение коэффициента вариации стойкости, что указывает на повышенную надёжность работы инструмента.
Технологические приёмы повышения работоспособности металлорежущего инструмента, оснащённого режущей керамикой, ориентированы на устранение тех дефектов, которые сформированы в процессе размерного шлифования керамических пластин и основаны (новизна защищена авторскими свидетельствами СССР №1520890,1639087, 1707991, 1720250, 1766095, 1759035, 1642692,
1616056,1720249, 1670880, 1723828) на вакуумной термообработке и "залечивании" дефектов. С помощью термообработки производится снятие и перераспределение напряжений в пластине, выравнивание дислокационной структуры и завершение диффузионных процессов. "Залечивание" дефектов осуществляется посредством удаления (ионной очисткой с последующим азотированием) наиболее разрушившихся при алмазной заточке микрообъемов и путём нанесения покрытий.
Пример совокупного воздействия термообработки и ионного азотирования для повышения работоспособности режущей керамики при наружном точении высокопрочного чугуна (марка Спецчугун, резание на "удар") показан в табл.6 (скорость резания 167 м/мин, подача 0,3 мм/об, глубина 1,5 мм).
"Залечивание" дефектов удобно осуществлять путём нанесения покрытия. Достаточно покрытия из чистого металла. При его нанесении реализуется микролегирование и "заделка" трещин и пор в поверхностном слое. Толщины подслоев металлов незначительны и могут составлять доли микрона. Поверх металлического слоя покрытия может быть нанесено нитридное покрытие. Оно на керамике выполняет несколько функций: общепринятую роль; защищает мягкий слой покрытия; сдерживает диффу-
Таблица 6
Период стойкости, мин, режущей керамики до износа 0,5 мм или скола пластины
Состояние инструмента | ВОК-71 | ВОК-71 + вакуумная термообработка | ВОК-71 + вакуумная термообработка + ионное азотирование |
Период стойкости, мин | 5 | 12 | 23 |
Примечание: в таблице приведены значения как среднее значение по 5-7 измерениям с коэффициентом вариации менее 0,2 при вероятности 0,95 и отбрасывании крайних значений. | |||
зионное взаимодействие между керамикой и обрабатываемым материалом.
Такое упрочнение керамики позволило применить её там, где она не использовалась ранее, например, при точении на удар высокопрочных чугунов, вязких судостроительных сталей, твёрдого сплава, спецматериалов сормайт и стеллит и т.д.
Рис.14. Период стойкости инструмента из СТМ: 1 - киборит в состоянии поставки; 2 - киборит с вакуумной термообработкой;3 -киборит с вакуумной термообработкой и металлическим слоем циркония; 4 - киборит с ионным азотированием + (Ti, Zr)+ZrN. |
В ряде случаев применение керамики позволило исключить операцию шлифования деталей. Проведенные исследования прочности (микроиндентированием) и износостойкости керамик ВОК-60 и ВОК-71 показывают, что вакуумная термообработка является важным технологическим средством повышения её работоспособности. Последующие технологические приемы (азотирование, очистка, нанесение покрытия) также оказывают влияние на работоспособность керамики, но вклад термообработки более значим.
Технологические приёмы повышения работоспособности металло-режущего инструмента, оснащённого сверхтвёрдым инструментальным материалом (СТМ) ориентированы на устранение дефектов, сформированных в результате размерной шлифовки такого инструмента. Разработанные (новизна защищена авторскими свидетельствами СССР №1670880, 1723828) решения носят технологический характер и связанны с вакуумной термообработкой и с "залечиванием" поверх-ностного дефектного слоя путем осаждения метали-ческого слоя покрытия. Пример сопоставления типо-вого и упрочнённого сверхтвёрдого инструмен-тального материала марки Киборит приведён на рис.14. Из него видны преимущества разработанных приёмов упрочнения сверх-твёрдого инструмента.
В завершение главы можно отметить единство предло-женного подхода к упроч-нению твёрдосплавного, карамического и сверхтвёрдого инструмента. Оно
состоит в алгоритме воздействий на основу инструментального материала, действий по нанесению покрытия и воздействий на покрытие. Схему этого алгоритма иллюстрирует рис. 15.
Заключительной частью этой главы являлась разработка рекомендаций по рациональным областям применения разработанных технологических приё- мов изготовления инструмента и режимов резания. Например, выше в качестве примера показано, что упрочнение керамики позволило при обработке детали из высокопрочного (HRCэ 64-66) чугуна марки Специальный чугун по ТУ 2-043-762-85 позволило заменить твёрдосплавной инструмент с ростом периода стойкости в 6 раз и ростом скорости резания в 2 раза без ущерба качеству обработки. Иллюстрация рациональных режимов резания для этого примера дана в таблице 7.
Таблица 7
Карта обоснования рациональных режимов резания для обработки детали лимпеллер из высопрочного чугуна
Точение высокопрочных термообработанных отбелённых чугунов (на примере детали лимпеллер дробемётного аппарата) | Карта | ||||||
Подача, мм/об | Скорость резания, м/мин | Период стойкости инструмента, мин. | Вид разруше-ния инстру-мента | Мощ-ность резания, кВт | Площадь поверхнос-ти, обработанной за период стойкости инструмента, тысяч мм. квадратных | ||
Для случая точения на удар, типовой режущая пластина из инструментального материала ВОК-60 с типовой геометрией | |||||||
0,08 | 195 | 22 | износ, микро-выкрашивание | 0,28 | 760 | ||
0,08 | 150 | 24 | износ, микровыкра-шивания | 0,22 | 840 | ||
0,08 | 120 | 20 | скол | 0,2 | 540 | ||
0,08 | 250 | 20 | скол | 0,38 | 920 | ||
0,1 | 250 | 16 | скол | 0,34 | 960 | ||
Для случая точения на удар режущей керамикой ВОК-60, прошедшей стабилизирующую термообработку и нанесение покрытия из циркония + нитрид циркония | |||||||
0,08 | 195 | 46 | износ | 0,28 | 2150 | ||
Частично рекомендации по выбору эффективного технологического процесса изготовления инструмента для обработки отдельных специальных материалов даны в табл.9.
В пятой главе изложены результаты разработки методов контроля качества, оценки состояния, диагностики и прогнозирования работоспособности инструмента.
Для оценки качества инструмента привлечён метод экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ). Установлено, что уровень интенсивности тока электронов ЭЭЭ характеризует эксплуатационные свойства инструментального материала исходя из следующего положения: чем выше уровень интенсивности тока электронов, тем меньше величина работы, необходимой для излучения вторичных электронов с поверхности материала; чем больше перепады в уровнях интенсивности тока электронов при сканировании поверхностиинструментального материала, тем меньше энергетическая стабильность материала, тем дефектнее состояние поверхности, тем быстрее такой инструмент должен разрушиться. Качественно связь параметров экзоэлектронной эмиссии и эксплуатационных свойств инструментального материала соответствует постулату: чем меньше величина интенсивности ЭЭЭ, тем выше работоспособность инструмента.
Разработанные методы исследования свойств инструмента с использованием акустической эмиссии (АЭ) разнообразны по назначению и используемому
Таблица 9
Рекомендации по областям применения разработанного инструмента
Группа обрабатываемых материалов | Вид обработки | Схема технологического процесса изготовления инструмента | Рекомен дуемая скорость резания, м/мин | Коэффициент повышения стойкости |
Специальные легированные стали для колёс локомотивов и вагонов | Колёсотокар-ная обработ-ка | АТ15S + иа + TiC+-Ti+Zr+ (TiZrМо)N + ZrМо+лазерное упрочнение | 50 - 80 | 1,6 в сравнении с АТ15S+TiCN + Al2O3+TiN |
Т14К8+иа+ ТiC+Ti + Zr+ (TiZr)N+ Zr | 1,3 в сравнении с АТ15S+TiCN + Al2O3+TiN | |||
Титановые сплавы ВТ-3-1, ВТ 20 | Точение в нормальных условиях | ВК8 + TiC+Ti+Zr + (TiZr)N + Zr | 40-80 | 2,1 в сравнении с инструметом фирмы Сандвик Коромант |
Точение на удар | ВК8 + и.а. + TiC+ Ti+Zr + (TiZr)N + Zr | 35-60 | 2,6 в сравнении с инструметом фирмы Сандвик Коромант | |
Торцевое фрезерование | ВК8 + TiC+Ti + Zr + (TiZr)N + Zr ВК8 + и.а.+ TiC+ Ti+Zr + (TiZrMo)N + ZrMo | 60- 80 | 1,4 -1,6 в сравнении с инструметом фирмы Сандвик Коромант | |
Судостроительные стали АК-29, АК-32ПК | Точение | ВК8 + иа + TiC + Ti + Zr + (TiZrMo)N + ZrMo; ВК8 + и.а. + TiC+Ti +Zr + (TiZr)N + Zr | 140-200 | 3,6 - 4,2 в сравнении с инструментом фирмы Corlov |
Торцевое фрезерование | ВК8 + и.а. + TiC+ Ti +Zr + (TiZrMo)N + ZrM ВК8 + и.а. + TiC+ Ti+Zr + (TiZr)N + Zr | 120-160 | 4,2 - 4,4 в сравнении с инструментом фирмы Corlov | |
Точение | ВОК 71+ вакуумная термообработка +Nb+Zr | 150-280 | 1,8 в сравнении с ВК8+TiN+TiCN+TiN | |
ВОК-60+науглера-живание + термо-обработка + ионная очистка+ Zr+ZrN+ термообработка | 120 | 2,6 в сравнении с ВОК-60 | ||
Высокопрочный чугун | Точение на удар | ВОК-60 + вакуумная термообработка+Zr+ ZrN | 195 | 2,0 в сравнении с ВОК-60 |
Киборит с ионным азотированием + (Ti, Zr)+ZrN. | 195 | 6,4 в сравнении с ВК8 и 3,5 раза в сравнении с ВОК-60 |
Рис.15. Структура концепции многостадийных технологических процессов изготовления инструмента как последовательности воздействий по упрочнению исходного инструментального материала.
параметру. Установлено, что акустический метод оценки свойств более достоверен, чем традиционный коэрцитивный метод. Метод оценки качества инструмента при индентировании с выдержкой времени прило-жения нагрузки разработан (новизна защищена авторским свидетельством СССР на изобретение № 1382175) для экспрессной оперативной оценки качества сцепления покрытия с основой у разных инструментальных материалов. Решение предусматривает несколько стадий нагружения, что позволяет обеспечить релаксацию напряжений при внедрении индентора. Суммарный счет импульсов АЭ за весь период испытания обозначен , суммарный счет за время нагрузки обозначен . По ним вычисляют количественный сравнительный параметр , характеризующий качество сцепления покрытия с основой. Установлено, что чем ближе параметр К к единице, тем выше прочность сцепления покрытия с основой.
Оценка трещиностойкости наиболее просто обеспечивается при использовании эталона путём сравнения испытываемого образца с эталоном. Отношение числа N2 сигналов акустической эмиссии при нагружении инструмента к числу сигналов N1 при нагружении эталона характеризует трещиностойкость инструмента: чем меньше это отношение, тем выше сопро- тивляемость материала инструмента образованию и росту трещин. Физический смысл этого состоит в следующей посылке: чем меньше суммарный счёт N2 у исследуемого образца, тем меньше событий в нём произошло за время нагружения. Наиболее вероятные события - это образование и рост трещин. Точность оценки качества инструмента повышена (новизна защищена авторскими свидетельствами СССР № 1522913, 1342227) за счет возможности статистической обработки результатов и разделения сигналов АЭ в амплитудный спектр. Контролируемое тело нагружали индентором, принимали сигналы акустической эмиссии, образующиеся при внедрении индентора, и выполняли их амплитудный анализ. Трещиностойкость определяли по безразмерной величине: где: N - число каналов амплитудного анализатора; n - номер канала с максимальным числом сигналов акустической эмиссии; - число сигналов в i-ом канале анализатора; - число сигналов в n-ом канале анализатора, т.е. максимальное число сигналов в каналах анализатора. Установлено, что чем ближе величина Т к единице, тем выше трещино-стойкость контролируемого изделия.
Большими возможностями оценки качества инструмента обладают те методы, которые позволяют исследовать параметры акустической эмиссии в кинетике нагружения материала. Из всех разработанных динамических методов нагружения здесь приведены сведения по маятниковому скрайбированию (новизна защищена патентами РФ на изобретение №2140075, 2140076, 2138039, 2138038, 2147735, 2147737, 2124715). Установлен вид связи отдельных параметров акустической эмиссии с физико-механическими или эксплуата-ционными свойствами инструментального материала. Так, например, из анализа графиков накопления энергии Е сигналов (физический смысл: площадь под кривой графика пропорциональна накопленной работе разрушения) во время нагружения образца следует, что образование трещин в твёрдосплавном материале с покрытием начинается позже, чем без покрытия, хотя на разрушение покрытия не требуется значительной работы. Этим, в частности, подтверждена сложная и многофункциональная роль покрытий на инструменте, в том числе во взаимосвязи с материалом основы и процессами в поверхностных слоях основы инструментального материала.
При анализе графиков скорости изменения плотности энергии по безразмер-
ному коэффициенту Кр оценки долей вязкого и хрупкого механизмов разрушения с учётом распределения амплитуд акустических сигналов установлено, что традиционные архитектуры покрытий провоцируют развитие хрупкого механизма разрушения в инструментальном материале, причем акты хрупкого разрушения протекают с большими амплитудами сигналов, число таких актов велико, а интенсивность сигналов значительна. Применение в покрытиях мягких металлических слоёв даже при малости толщины такого слоя резко повышает долю вязкого механизма разрушения, что требует большей величины работы на разрушение и, соответственно, влечёт за собой повышение работоспособности инструмента. Этим, в частности, подтверждена целесообразность и необходимость исполнения покрытий с чередованием мягких и твёрдых слоёв в покрытии.
Методология исследования свойств материалов маятниково-акустическим методом положена в основу разработки методов оценки свойств инструментальных материалов с тем, чтобы на основе большего, чем при обычном акустическом методе оценки, числа параметров акустической эмиссии без субъективного фактора оперативно производить оценку свойств. Разработанные методы подразделяются по назначению и используемому параметру акустической эмиссии. По назначению они подразделяются следующим образом: для оценки трещиностойкости, для оценки качества сцепления покрытия с основой, для идентификации материала, для отбраковки и сортировки изделий, для выявления превалирующего механизма разрушения, для прогнозирования работоспособности. Каждая из методик использует свои параметры (накопление энергии сигналов, частота, спектральная плотность, скорость счёта, интенсивность сигналов, скорость изменения плотности энергии по коэффиценту Кр) акустической эмиссии, они определяются без вмешательства человека из одного потока информации (сигналов акустической эмиссии при маятниковом скрайбировании).
Например, метод оценки трещиностойкости инструмента по частоте сигналов акустической эмиссии реализуется на основе сравнительного анализа зависимости спектральной плотности (спектра мощности) от частоты сигналов акустической эмиссии, рис. 16.
Рис.16. Пример записи спектров частот сигналов образцов: 1 - ВК8; 2 - ВК8+Zr+ZrN; 3 - ВК8+TiC+TiCN+NiN. |
Установлено, что значение частоты, характеризующей пик спектральной плотности (значение f1 для кривой 1 на рис. 16, значение f2 для кривой 2 и
т.д.), имеет корреляцию с трещиностойкостью инструментального материала. Установлено, что чем выше значение характеристической частоты f, тем выше работоспособность инструмента за счёт лучшей его трещиностойкости. Физический смысл установленных зависимостей состоит в следующем: образование и рост мелких трещин сопровождается генерацией сигналов акустической эмиссии большой (высокой) частоты, крупных трещин - генерацией сигналов малой (низкой) частоты.
Указанные выше и другие разработанные методы контроля качества, оценки состояния, диагностирования и прогнозирования работоспособности инструмента являются неотъемлемой и составной частью решения проблемы повышения работоспособности инструмента. Сформулированная методология использования физических методов в указанных целях меняет функцию контроля и трансформирует ее из отбраковочного процесса к диагностирующим и прогнозирующим функциям.
В приложении помещены материалы по внедрению результатов работы, рекомендации по выбору рационального технологического процесса изготовления инструмента для отдельных групп обрабатываемых материалов, выбору режимов резания и т.д.
В качестве резюме по работе отмечается следующее:
а) В основу методологии решения проблемы повышения работоспособности инструмента на примере повышения периода стойкости и трещиностойкости пластин твёрдосплавного, керамического и сверхтвёрдого материалов, положена концепция многостадийного воздействия на материал для того, чтобы задействовать все иерархии уровней упрочнения на разных стадиях процесса изготовления инструмента;
б) Разработан комплекс технологических процессов многостадийного воздействия на пластины режущего инструмента, позволяющий выбрать эффективный технологический процесс для конкретных условий эксплуатации инструмента (обрабатываемый материал, режущий материал, вид обработки, режимы резания).
в) Оценка качества инструмента и прогнозирования его работоспособности включены в методологию как составная часть решения проблемы повышения работоспособности, при этом уточнение существующих представлений о взаимосвязи параметров акустической эмиссии и эксплуатационных свойств инструмента позволили разработать комплекс технических решений, позволяющих функцию аттестации и отбраковки инструмента перевести в
функцию прогнозирования трещиностойкости и периода стойкости инструмента.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
На основании выполненного комплекса теоретико-экспериментальных исследований предложены научно обоснованные технологические и технические решения, направленные на повышение периода стойкости металлорежущего инструмента при обработке деталей из специальных материалов, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.
В работе получены следующие основные результаты и выводы:
1. Разработаны методология и концепция комплексного подхода к решению проблемы повышения эксплуатационных свойств металлорежущих пластин инструмента, состоящие в разработке арсенала технологических упрочняющих воздействий на каждой стадии их изготовления. Это позволяет управлять работоспособностью инструмента и выбирать эффективный технологический процесс изготовления металлорежущей пластины применительно к конкретным условиям эксплуатации инструмента и обеспечивает увеличение периода стойкости пластины в 2...6 раз по сравнению с неупрочнённым инструментом и до 2 раз по сравнению с новейшими решениями.
2. Эффективность упрочняющих воздействий существенно различна для разных инструментальных материалов. Например, вакуумная термообработка твёрдого сплава по величине прироста периода стойкости инструмента до 30% менее эффективна, чем вакуумная термообработка режущей керамики или сверхтвёрдого инструментального материала и наоборот, нанесение покрытия до 2 раз более эффективно для твёрдого сплава, чем для режущей керамики и сверхтвёрдых инструментальных материалов.
3. Уровень эффективности одинакового упрочняющего воздействия на режущую керамику и сверхтвёрдые инструментальные материалы сопоставим (отличие в несколько процентов). Это объясняется ограниченными возможностями вовлечения механизмов упрочнения по сравнению с твёрдым сплавом и создаёт предпосылки для применения более дешёвого материала и технологического приёма упрочнения.
4. Степень повышения периода стойкости металлорежущей пластины в результате воздействия на нее совокупности нескольких технологических воздействий не равна алгебраической сумме эффектов его повышения от каждого воздействия в отдельности. Как правило, общий эффект прироста стойкости меньше суммы эффектов повышения стойкости отдельных технологических воздействий. Однако, при реализации смежных механизмов упрочнения в совокупности воздействий общий эффект прироста стойкости значительно выше суммы эффектов повышения стойкости отдельных воздействий. Так чередование в покрытии слоёв различной твёрдости по сравнению с таким же количеством слоев одинаковой твёрдости обеспечивает более высокую стойкость.
5. Достижение сверхэффектов повышения периода стойкости осуществимо при реализации смежных механизмов упрочнения (деформационный, твёрдорастворный, субструктурный и дисперсионный, перечислены в порядке роста уровней иерархии). Таким образом, в совокупности воздействий следует использовать сразу нескольких иерархических уровней механизмов упрочнения инструментального материала, причём, чем больше уровней, тем выше эффект, а пропуск хотя бы одной стадии хотя бы на одном из этапов изготовления сопровождается снижением эффекта.
6. Эффективность технологических процессов изготовления твёрдосплавных металлорежущих пластин наиболее значимо растёт:
- на стадии подготовки основы инструментального материала за счет термообработки ионной бомбардировкой - в 1,5 раза, а также в 1,8 раза за счёт удаления дефектных зёрен, образовавшихся при алмазно-абразивной обработке пластин, стабилизации внутренних напряжений в пластине и образования ювенильных химически активных областей;
- на стадии архитектурирования покрытий за счет однократного чередования мягких и твёрдых слоёв в покрытии в 3 раза, за счет многократного чередования мягких и твёрдых слоёв в 5 раз вследствие торможения роста трещин вязкой составляющей покрытия;
- на стадии снижения дефектности покрытий в 1,5 раза за счёт лазерного упрочнения, способствующего локальному перераспределению внутренних напряжений в режущей пластине и технологическому заполнению трещин и несплошностей.
7. Разработаны рекомендации по выбору рациональных технологических процессов изготовления металлорежущих пластин в зависимости от требуемого уровня периода стойкости и экономических ограничений. При невысоких требованиях к уровню периода стойкости (увеличение до 1,5 раз) наиболее рациональными являются технологические упрочняющие воздействия на исходную инструментальную основу.
8. Технологические процессы изготовления пластин из режущей керамики и сверхтвёрдых инструментальных материалов обеспечивается теми же приёмами, что и для твёрдого сплава, но для них наиболее эффектив-
ны вакуумная термообработка основы (увеличение стойкости в 1,7 раза) и нанесение металлических слоёв покрытия (увеличение стойкости в 1,3 раза).
9. Комбинированием технологической последовательности упроч-няющих воздействий возможно частичное перекрытие областей эффекти-ного применения групп инструментальных материалов, в частности, при точении высокопрочных отбелённых чугунов твёрдосплавный инструмент замещён керамическим с увеличением скорости резания в 2 раза без ущерба качеству, а периода стойкости инструмента в 6 раз.
10. Предложенная энергетическая модель взаимодействия агрегаций в инструментальном материале с позиций повышения работоспособности инструмента из всех трёх исследуемых групп позволяет сформулировать следующие требования к инструментальному материалу:
- предпочтительны материалы с многоканальной схемой передачи энергии, что обеспечивается симметричным расположением большего числа зёрен меньшего размера, т.е. мелкозернистой симметричной каркасной структурой сферических зёрен;
- недопустима магистральная схема передачи энергии из зерна в зерно, т.е. неприемлимо осесимметричное расположение зёрен;
- при исчерпании возможности накапливать и рассеивать подводимую энергию инструментальный материал должен обладать возможностью изменения своего состояния: а) механическим путем за счет раскола зерна; б) геометрическим путем за счет изменения угла передачи энергии вследствие смещения зёрен и увеличения расстояния между ними; в) физическим путем за счет перестроения структуры, например на дислокационную, создающего дополнительные каналы оттока энергии.
11. Установлены виды связи сигналов акустической эмиссии с эксплуатационными показателями металлорежущих пластин, позволяющие преобразовать функцию контроля и отбраковки инструмента функцией прогнозирования его работоспособности. Разработана совокупность методов оценки качества пластины и прогнозирования ее работоспособности по периоду стойкости, трещиностойкости и прочности сцепления покрытия (метод индентирования, скрайбирования), позволяющая за счёт применения
разных схем нагружения инструментального материала и одновременного контроля нескольких параметров сигналов акустической или экзоэлектронной эмиссии, идентифицировать механизмы микроразрушения и выявить превалирующий.
12. Результаты работы внедрены в промышленность с экономическим эффектом более миллиона рублей в ценах 1987...1994 годов, что в пересчёте по индексу инфляции на текущую дату превышает 10 миллионов рублей.
Основные положения работы изложены в следующих публикациях:
Научные монографии.
1. Кабалдин, Ю.Г., Мокрицкий, Б.Я., Молоканов, Б.И. Повышение надежности инструментального обеспечения гибких производственных станочных систем. - Комсомольск-на-Амуре, ЦНТИ, 1988, 64 с.
2. Кабалдин, Ю.Г., Мокрицкий, Б.Я., Семашко, Н.А., Тараев, С.П. Современные методы конструирования, контроля качества и прогнозирования работоспособности режущего инструмента. - Владивосток, ДВГУ, 1990, - 122 с.
3. Мокрицкий, Б.Я. Повышение работоспособности металлорежущего инструмента путём управления свойствами инструментального материала: моногр./Б.Я. Мокрицкий. - Владивосток: Дальнаука, 2010. -232 с.
Статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
4. Кабалдин, Ю.Г., Мокрицкий, Б.Я., Изотов, С.А. Повышение работоспособности и надежности рабочей части инструмента с покрытием. // Известия ВУЗов. Машиностроение, 1987, № 1, с. 141 - 143.
5. Кабалдин, Ю.Г., Мокрицкий, Б.Я. Разрушение режущей керамики и пути повышения её работоспособности.// Известия ВУЗов. Машиностроение, 1992, №10-12, с.118-126.
6. Мокрицкий, Б.Я., Федоров, А.В., Мокрицкая, Е.Б. Оценка сопротивляемости усталостному разрушению по критерию трещиностойкости.// Известия ВУЗов. Машиностроение, 1996, № 7-9 , с.97-108.
7. Мокрицкий, Б.Я. Технологическая система резания как система преобразования входных параметров в выходные.// Известия ВУЗов. Машиностроение. - №4-6, 1992, с.102-108.
8. Мокрицкий, Б.Я. Структурно-динамические аспекты при оценке работоспособности металлорежущего инструмента //Известия ВУЗов. Машиностроение, № 11, 1990, с.122-128.
9. Мокрицкий, Б.Я., Алёшин С.Д. Диагностика качества и разрушения инструмента.//Известия ВУЗов. Машиностроение, 1992, №7-9, с.141-146.
10. Мокрицкий, Б.Я. Особенности стружкообразования и устойчивости системы при нестационарном резании.// Известия ВУЗов. Машиностроение, 1996, №4-6, с.82-88.
11. Фадеев, В.С., Мокрицкий, Б.Я., Паладин, Н.М., Шаповалов, Л.М. Упрочнение твердых сплавов для обработки резанием белого чугуна.// Вестник машиностроения, 1984, 39, с.60-62.
12. Фадеев, В.С., Мокрицкий, Б.Я., Паладин, Н.М. Влияние режимов алмазной заточки и способов финишной обработки на трещиностойкость торцевых фрез.// Вестник машиностроения, 1985, №1, с.79.
13. Кабалдин, Ю.Г., Киле, А.А., Мокрицкий, Б.Я., Аникеев, А.И. Использование слоистых пластин для режущего инструмента.// Вестник машиностроения, 1990, №3, с.41-42.
14. Мокрицкий, Б.Я., Мокрицкая, Е.Б. К вопросу об управлении работоспособностью металлорежущего инструмента.// Вестник машиностроения, №12, 1998, с.40-47.
15. Кабалдин, Ю.Г., Аникин, В.Н., Мокрицкий, Б.Я. Повышение надежности инструмента из оксидно-карбидной керамики.// Станки и инструмент, 1989, № 6, с.27-28.
16. Кабалдин, Ю.Г., Мокрицкий, Б.Я., Пронин, А.И. Стойкость режущего инструмента, оснащенного керамикой и сверхтвердыми материалами. // Станки и инструмент, 1991, № 12, с.19-21.
17. Кабалдин, Ю.Г., Мокрицкий, Б.Я. Приборы для контроля качества инструмента.// Станки и инструмент, №8, 1990, с.18-19.
18. Мокрицкий, Б.Я. Управление работоспособностью инструмента при нанесении покрытий// СТИН, №11, 2010, с.11-16.
19. Мокрицкий, Б.Я., Кабалдин, Ю.Г. Комбинированное упрочение твердосплавного инструмента. // Физика и химия обработки материалов. АН СССР, 1991, № 5, с.153.
20. Мокрицкий, Б.Я.. Оценка прочности структурных элементов инструментальных материалов// Технология металлов, №5, 2010, с.38-43.
21. Мокрицкий, Б.Я.. Управление работоспособностью металлорежущего инструмента путём нанесения покрытий.// Металлообработка, №3, 2010,
с.12-15.
22. Мокрицкий, Б.Я.. Управление работоспособностью металлорежущего инструмента путём нанесения покрытий, механической упрочняющей обработки и контроля качества.// Упрочняющие технологии и покрытия, №9, 2010, с. 38-47.
23. Мокрицкий, Б.Я.. Метод оценки свойств инструментальных материалов и диагностики работоспособности режущего инструмента// Заводская лаборатория. Диагностика материалов, №9, 2010, с.41-44.
24. Мокрицкий, Б.Я.. Комплекс методов по повышению работоспособности металлорежущего инструмента.// Технология машиностроения, №8, 2010, с. 33-36.
МОКРИЦКИЙ БОРИС ЯКОВЛЕВИЧ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТОЙКОСТИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ПРИ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СПЕЦИАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
доктора технических наук
Подписано к печатиЕЕ.
ФорматЕ.. БумагаЕЕ Печать офсетная.
Уч.-изд. л. ЕТираж ЗаказЕ..
Полиграфическая лаборатория
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям