Введение к работе
Актуальность темы. Состояние металлорежущего инструмента в процессе механической обработки в значительной мере определяет качество обрабатываемой поверхности, силы резания, а, следовательно, устойчивость процесса резания и производительность обработки. Последнее достигается за счёт снижения времени резания (возможности увеличения режима резания) и времени на замену режущего инструмента (увеличение периода стойкости).
Большое влияние на производительность обработки оказывают колебания упругой системы станка. Процесс резания по мере изнашивания инструмента сопровождается «биениями» и переходит к хаотическим колебаниям. В этой связи, возникает необходимость диагностики состояния режущего инструмента, особенно в условиях автоматизированного производства.
В современной промышленности широко применяются такие конструкционные материалы как нержавеющие стали, титановые сплавы, которые обладают высокими прочностными и вязкостными характеристиками, что существенно затрудняет их обработку. Поэтому, к современному металлорежущему инструменту предъявляются повышенные требования: он должен иметь высокую сопротивляемость к изнашиванию и хрупкому разрушению в условиях механических и тепловых нагрузок.
Режущий инструмент является наиболее слабым элементом технологической системы. Процесс обработки металлов резанием может быть существенно усовершенствован за счёт применения наноструктурного покрытия для режущего инструмента. В этой связи разработка новых составов покрытий с характеристиками, обеспечивающими высокую сопротивляемость износу режущего инструмента, является актуальной проблемой машиностроения.
Цель работы - разработка режущего инструмента с наноструктурным покрытием для повышения эффективности процесса резания. Для достижения поставленной цели было необходимо осуществить ряд исследований:
1. Провести анализ существующих методов осаждения и составов износостойких покрытий для режущего инструмента.
2. Провести комплексное исследование влияния составов покрытий на основные выходные параметры механообработки (силы резания, усадка стружки, относительный сдвиг, устойчивость процесса резания), определяющих эффективность процесса резания.
3. С использованием современной аппаратуры установить наноструктурный характер осаждаемых на режущий инструмент покрытий.
4. Исследовать стойкость инструмента и механизм разрушения покрытий при резании конструкционных и нержавеющих сталей, на этой основе разработать наноструктурные покрытия, обеспечивающие высокую работоспособность инструмента.
5. Провести исследование режущего инструмента с наноструктурными покрытиями в условиях действующего производства и разработать рекомендации для их эффективного использования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Проведён анализ методов и составов существующих износостойких покрытий для режущего инструмента и определены современные тенденции повышения эффективности процессов механообработки. Показано, что наиболее перспективным направлением повышения эффективности обработки является использование режущего инструмента с наноструктурным покрытием.
2. С использованием современной аппаратуры, в частности, сканирующего электронного микроскопа, микрорентгеноспектрального анализа, атомного силового микроскопа показано, что многоэлементное покрытие обеспечивает формирование наноструктурного размера зёрен. Это достигается и при формировании многослойных покрытий.
3. Установлено, что применение режущего инструмента с наноструктурными покрытиями способствует снижению сил резания, усадки и повышению устойчивости процесса резания.
4. На основе анализа виброакустической эмиссии (ВАЭ) при резании построены аттракторы динамической системы обработки резанием. Показано, что использование инструмента с наноструктурным покрытием способствует снижению величины фрактальной размерности аттракторов. Анализ энергетических соотношений при резании позволил констатировать, что технологическая система обработки резанием – диссипативная динамическая система. Снижение интенсивности процессов деформации в системе резания за счёт уменьшения сил трения в зоне контакта стружки с инструментом способствует росту устойчивости резания. В этой связи, для повышения надёжности процесса резания, разработана система диагностики для станков с ЧПУ его динамической устойчивости, основанная на оценке фрактальной размерности аттрактора при анализе сигнала ВАЭ по мере изнашивания режущего инструмента в режиме реального времени.
5. Проведены стойкостные испытания режущего инструмента с различными составами покрытий. Установлено, что наибольшая стойкость режущего инструмента достигается при использовании режущего инструмента с наноструктурными покрытиями. При резании конструкционных и нержавеющих сталей стойкость инструмента увеличивается до 4 раз.
6. Исследован механизм разрушения покрытий, вызывающий изнашивания режущего инструмента в процессе резания. Показано, что в начальный момент резания происходит трещинообразование покрытия, а затем отрыв его частиц. Частицы покрытия могут залегать в местах вырыва зёрен карбидной фазы твёрдосплавной основы и тем самым упрочнять её, способствуя повышению сопротивляемости изнашиванию на участке «нормального» износа. На основе выявленного механизма изнашивания инструмента, разработаны новые составы наноструктурных покрытий, обеспечивающие повышение работоспособности инструмента при обработке конструкционных и нержавеющих сталей.
Практическая значимость заключается в результатах производственных испытаний режущего инструмента в условиях действующего производства ООО «Нижегородские моторы» группа ГАЗ. Показано, что при точении коррозионностойкой стали было достигнуто повышение стойкости режущего инструмента в 4 раза по сравнению с инструментом без покрытия.
Реализация результатов работы. Полученные результаты, используются в учебном процессе кафедры «Технология и оборудование машиностроения» НГТУ им. Р.Е. Алексеева, а также в условиях действующего производства ООО «Нижегородские моторы» группа ГАЗ.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Результаты комплексных исследований эффективности составов покрытий для инструмента при резании с оценкой сил резания, усадки, и устойчивости процесса резания путём построения аттракторов и фрактальной размерности при анализе сигналов виброакустической эмиссии.
2. Результаты исследований структуры покрытий с использованием растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа, силового туннельного электронного микроскопа, а также других характеристик покрытия.
3. Результаты стойкостных лабораторных и производственных испытаний инструмента с различными составами покрытий при обработке конструкционных и нержавеющих сталей.
4. Рекомендации по повышению эффективности использования режущего инструмента с покрытием в производственных условиях.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены и обсуждены на: VI международной молодёжной научно-технической конференции «Будущее технической науки». – Н.Новгород – 2007г.; Научно-технической конференция молодых специалистов группы ГАЗ – 2008г., 2011г.; 9-ой специализированной выставке «Машиностроение. Станки. Инструмент», 2010г.; расширенном заседании кафедры «Технология и оборудование машиностроения», 2010... 2012г.г.
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 4 печатных работах, из которых 1 в центральных журналах, 1 в зарубежном, статей в сборниках трудов 2.
Получен патент на полезную модель «Режущая пластина» №107987
Личный вклад автора состоит в разработке методик исследования, организации и проведении производственных испытаний образцов покрытий, обработке результатов экспериментов. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения и разработаны основные выводы работы. Интерпретация результатов всех проведённых исследований и выводы сделаны автором. Автором разработаны новые составы наноструктурных покрытий для режущего инструмента.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложений, изложена на 140 страницах, включает 57 рисунков, список литературы из 126 наименований.
