Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В современных металлообрабатывающих производствах все большее применение получают операции чистовой лезвийной обработки закаленных сталей взамен традиционного шлифования, так как лезвийная обработка обеспечивает существенное повышение производительности, качества и точности обработки, снижает затраты и негативное техногенное воздействие на окружающую среду и здоровье персонала.
Обычно чистовую обработку лезвийным инструментом закаленных сталей с твердостью порядка HRC 55-60 производят при повышенных скоростях резания, что предъявляет особые требования к инструментальному материалу (ИМ). Таким требованиям в наибольшей степени отвечает режущая керамика (РК), обладающая уникальным сочетанием физико-механических и теплофизических свойств существенно превышающие соответствующие свойства твердых сплавов (ТС) при полном отсутствии в своем составе дефицитных элементов. Вместе с тем для инструмента из РК характерна высокая вероятность хрупкого разрушения (внезапный отказ), что сдерживает его широкое применение, особенно в автоматизируемом производстве. В этой связи создание отечественного керамического инструмента повышенной прочности, имеющего высокую эксплуатационную надежность при минимизации вероятности внезапного отказа является актуальной научно-практической задачей.
Актуальность темы диссертации подтверждается ее соответствием тематике проектов № 2.1.2/4385 «Разработка методологии создания нано-структурированной высокопрочной композиционной керамики с многофункциональным покрытием для широкого применения в машиностроении» и № 2.1.2/13646 «Разработка научной методологии создания высокопрочной композиционной керамики с функциональным многослойно-композиционным покрытием синтезируемым на основе многокомпонентных высокоэнтропийных нанодисперсных систем с высокотемпературной стабильностью состава,
4 структуры и свойств», выполняемых в рамках программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)».
Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности резания закаленных сталей путем применения высокопрочной композиционной керамики с многослойно-композиционными покрытиями.
Указанная цель может быть достигнута при решении следующих задач:
-
Разработать рациональные состав и свойства высокопрочной композиционной керамики.
-
Разработать составы многослойно-композиционных покрытий для высокопрочной композиционной керамики, обеспечивающие направленную трансформацию контактных процессов при резании закаленных сталей и провести аттестационные испытания изготовленных сменных многогранных пластин (СМП).
-
Исследовать параметры функционирования резания СМП из высокопрочной композиционной керамики с многослойно-композиционными покрытиями.
-
Исследовать работоспособность режущего инструмента, оснащенного СМП из высокопрочной композиционной керамики, с многослойно-композиционными покрытиями, при резании.
-
Оценить эффективность режущего инструмента, оснащенного СМП из высокопрочной композиционной керамики с многослойно-композиционными покрытиями, при резании.
Методы исследования. Работа выполнена на основе использования фундаментальных положений теории резания материалов и физики твердого тела, методов статистического анализа результатов экспериментальных исследований, математического и компьютерного моделирования. Изучение состава и свойств многослойно-композиционных покрытий выполняли на основе современных методов металлографического и металлофизического
5 анализов с использованием методик электронно-сканирующей микроскопии, микрозондового рентгенографического анализа (EDS). Научная новизна работы состоит в:
установленной роли покрытия на контактных площадках керамического режущего инструмента, как промежуточной технологической среды, позволяющей управлять контактными процессами путем увеличения адгезии с обрабатываемым материалом и длины полного контакта стружки с передней поверхностью, снижения удельных термомеханических напряжений и улучшения теплоотвода из зоны резания;
математических моделях процесса резания закаленной стали, устанавливающих зависимости стойкости инструмента, оснащенного СМП из высокопрочной композиционной керамики без покрытия и с покрытиями различного состава, его износа по задней поверхности, а также мощности резания и шероховатости обработанной поверхности от режимов резания;
методике определения численных значений длины полного контакта стружки с передней поверхностью режущего инструмента и коэффициента трения на передней поверхности при точении закаленных сталей, исходя из реализованных в эксперименте значений тангенциальной, радиальной и осевой составляющих силы резания при известных физико-механических свойствах обрабатываемого материала (ОМ), геометрии режущего инструмента и режимов резания;
расчетных моделях распределения контактных напряжений на передней поверхности режущего инструмента, оснащенного СМП из высокопрочной композиционной керамики без покрытия и с покрытиями различного состава, при точении закаленной стали, позволяющих рекомендовать, в первом приближении, рациональный состав покрытия.
Практическая ценность работы заключается в:
изготовленных СМП из высокопрочной композиционной керамики с
покрытием, состоящих из трех функциональных слоев: субстрата (слоя 1) на
основе твердого сплава - TiC-(Ni,Mo), керамического слоя 2 на основе системы
(A1203-A1N) и многослойно-композиционного покрытия (слоя 3) (Ti,Al)N-(Ti,Cr)N-(Ti,Cr,Al)N;
рекомендации по применению СМП из высокопрочной композиционной керамики с многослойно-композиционными покрытиями (Ti,Al)N-(Ti,Cr)N-(Ti,Cr,Al)N при точении высокотвердых закаленных сталей;
усовершенствованной методике определения термонапряженного состояния режущего инструмента (РИ) при точении без проведения широкомасштабных экспериментальных исследований.
Реализация работы. На НІЖ «Фирма ЭКОТЕК» внедрены положения о роли многослойно-композиционного покрытия (МКП) на СМП из оксидной и смешанной керамики, а также из высокопрочной композиционной керамики (ВКК).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на семинаре «Современные технологии в горном машиностроении» (Москва, 2011 г.), Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ "МАМИ" (Москва, 2010), межвузовских семинарах «Физика, химия и механика трибосистем» (Иваново, 2010 и 2004 гг.), международных конференциях: «Производство, технология, экология - ПРОТЭК» (Москва, 2004 и 2002 гг.), XIII международном научно-техническом семинаре «Высокие технологии в машиностроении - ИНТЕРПАРТНЕР-2003» (Алушта, 2003).
В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседании кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 работ, в том числе три статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы (80 наименований). Работа изложена на 148 страницах, содержит 67 рисунков и 47 таблиц.
