Введение к работе
В диссертации рассматриваются вопросы повышения стойкости монолитных твердосплавных концевых фрез за счет применения многослойных наноструктурированных износостойких покрытий.
Актуальность темы.
Непрерывное совершенствование конструкций авиационных двигателей, широкое применение труднообрабатываемых материалов для изготовления ответственных деталей с высокой точностью рабочих поверхностей привело к широкому внедрению станков с числовым программным управлением, обрабатывающих центров, автоматических линий и другого дорогостоящего оборудования, требующего значительной интенсификации режимов резания и как следствие, вызывающих повышенный расход режущего инструмента.
Одним из эффективных средств сокращения расхода инструмента при достижении высокого уровня производительности металлообработки является применение инструмента с износостойкими покрытиями. Износостойкие покрытия позволяют получить рабочие поверхности инструмента с необходимыми служебными характеристиками, как правило, не изменяя свойств основного инструмента. Поэтому в настоящее время фирмы-производители инструмента, такие как Sandvik Coromant, Iscar, Dormer, Walter, ЗАО «НИР», Кировоградский завод твердых сплавов и др., ведут активные разработки по следующим основным направлениям: совершенствование геометрии и материала режущей части, разработка технологий износостойких покрытий.
Сейчас все большее распространение получают наноструктурированные многослойные покрытия, состоящие из нескольких основных слоев, разделенных тонкими промежуточными. Технология нанесения позволяет придать им характеристики, необходимые для конкретных условий обработки, и гарантировать, что покрытие эффективно дополняет физико-механические свойства основы из твёрдого сплава. В многослойном покрытии каждый износостойкий слой выполняет свою функцию, улучшающую эксплуатационные свойства режущей кромки. Варьируя составом и толщиной слоев, можно создать режущие кромки из твёрдых сплавов, предназначенные для обработки определенной группы материалов для выполнения конкретных операций, либо универсальные в применении для различных обрабатываемых материалов и технологических операций обработки.
Наиболее эффективно многослойные наноструктурированные покрытия применяются для твердосплавных концевых фреза с целью предотвращения сколов режущих кромок при возникновении ударных нагрузок. Во многих случаях фрезами производятся операции по обработке сложных поверхностей на дорогостоящем оборудовании, поэтому существенное увеличение режимов обработки и повышение стойкости фрезы, благодаря применению многослойных многофункциональных наноструктурированных покрытий, существенно снижает себестоимость изделия и позволяет эффективнее использовать оборудование.
Таким образом, оптимизация параметров технологических процессов нанесения и эксплуатации многослойных износостойких наноструктурированных покрытий твердосплавных концевых фрез становится актуальным и значи-
мым направлением работы на пути к созданию режущего инструмента, применимого в различных областях современной промышленности.
Целью работы является повышение работоспособности монолитных твердосплавных концевых фрез путем оптимизации архитектуры многослойных наноструктурированых износостойких покрытий.
Поставленная цель достигается решением следующих теоретических и прикладных задач:
Разработкой математических моделей резания осевым твердосплавным инструментом с наноструктурированными износостойкими покрытиями с учетом особенностей резания монолиными твердосплавными фрезами с многослойными покрытиями.
Исследованием зависимостей, характеризующих разрушение покрытий на инструменте, на основе которых должны быть сформированы наиболее рациональные архитектуры многослойных наноструктурированных покрытий монолитных твердосплавных концевых фрез.
Анализом основных методов износостойких покрытий монолитных твердосплавных концевых фрез и выбором наиболее эффективных способов покрытий с точки зрения повышения работоспособности инструмента.
Оптимизацией технологии синтеза многослойных износостойких наноструктурированных покрытий монолитных твердосплавных концевых фрез по граничному комплексу отслоения покрытия и разработкой оптимального варианта структуры демпфирующего покрытия.
5. Испытанием и исследованием силовых параметров резания с целью
выявления стоикостных характеристик монолитных твердосплавных концевых
фрез с полученным многослойным покрытием, определением достоверности
полученных математических моделей и внедрением результатов исследования в
производство монолитных твердосплавных концевых фрез.
Общая методика исследований основана на теоретических исследованиях, проводимых с использованием фундаментальных положений механики, теории резания и теории упругости, технологии машиностроения, теории пластической деформации, теории вероятности, методов планирования экспериментов, методов моделирования на ЭВМ. Экспериментальные исследования выполнены в производственных и лабораторных условиях на специальном оборудовании с использованием системы автоматизированной фиксации экспериментальных данных и их обработкой с использованием программных продуктов Mathsoft Mathcad, Microsoft Office Excel.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов обработки и сопоставления расчетных и экспериментальных данных с помощью программ: MathStat-5, Statistica, Statgraf.
Научная новизна работы заключается в
- предложенной автором оптимизации архитектуры многослойного износостойкого наноструктурированного покрытия монолитных твердосплавных концевых фрез по граничному комплексу отслоения, на основе разработки математических моделей оценки напряженного деформированного состояния покрытий, и процесса резания монолитными твердосплавными концевыми фреза-
ми с многослойными износостойкими покрытиями, позволяющих прогнозировать их стойкостные характеристики;
разработанном алгоритме выбора рационального покрытия монолитных твердосплавных концевых фрез, учитывающем комплекс факторов, определяющих стойкость покрытия на инструменте, в том числе физико-механические свойства обрабатываемого и инструментального материала, режимы резания, геометрические параметры режущего инструмента, что позволило прогнозировать структуру многослойного покрытия на стадии технологической подготовки производства.
установлении закономерности о наименьшей дефектации многослойного износостойкого наноструктурированого покрытия монолитной концевой фрезы достигаемой рациональными значениями граничного комплекса отслоения покрытия, характеризующегося пороговым значением составляющей силы резания Pz на задней поверхности зуба фрезы;
теоретически обоснованном и экспериментально подтвержденном способе повышения стойкостных характеристик монолитных твердосплавных концевых фрез за счет оптимизации архитектуры многослойных износостойких наноструктурированных покрытий по граничному комплексу отслоения.
Практическая ценность работы состоит в оптимизации технологии демпфирующего многослойного износостойкого покрытия на монолитные твердосплавные концевые фрезы по граничному комплексу отслоения, обеспечивающей повышение ресурса работы инструмента между переточками, а также оптимизации процесса нанесения покрытия по граничному комплексу отслоения покрытия, обеспечивающим оптимальные режимы резания.
В процессе работы выполнен анализ состояния исследуемой проблемы с учётом результатов прогнозных исследований, сформулированы требования к технологическим процессам изготовления многослойных износостойких наноструктурированных покрытий монолитных твердосплавных концевых фрез, применяемых при обработке деталей авиационных газотурбинных двигателей из труднообрабатываемых материалов и характеристикам износостойких покрытий.
Автор защищает
Модель синтезирования многослойного износостойкого нанострукту-рированного покрытия и возможность прогнозирования стойкостных характеристик покрытий по граничному комплексу отслоения.
Модели процесса резания твердосплавными монолитными концевыми фрезами с наноструктурированными износостойкими покрытиями с учетом особенностей резания и элементного формирования стружки.
Модели оценки напряженно-деформированного состояния покрытий монолитных твердосплавных концевых фрез, позволяющие прогнозировать рекомендации области их применения.
Предложенную оптимизированную демпфирующую архитектуру многослойного износостойкого наноструктурированного покрытия по граничному комплексу отслоения.
Реализация результатов работы. Основные положения диссертации внедрены на предприятии ЗАО «Новые инструментальные решения» в виде ка-
талога предприятия, включающего в себя рекомендации по использованию инструмента с многослойными износостойкими покрытиями, применяемого при обработке деталей авиационных газотурбинных двигателей из труднообрабатываемых материалов, с целью повышение эффективности изготовления металлорежущего инструмента с наноструктурированными покрытиями.
Апробация работы: отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на «Конкурсе молодых специалистов авиационно-космической отрасли» в 2008 г., г. Москва, Организатор - Торгово-промышленная палата Российской Федерации (работа награждена дипломом третьей степени); на «Международном форуме по нанотехнологиям» декабрь 2008г. Организатор - ГК «POCHAHOTEX»; конкурсе работ молодых ученых «У.М.Н.И.К.» г. Алушта 2009 г. Организатор - МАИ; доклад на конференции в рамках выставки «Высокие технологии, инновации, инвестиции» 2008г. г. Санкт-Петербург; конкурсе молодых специалистов в рамках авиационного салона МАКС-2009 г. Жуковский, организатор - РГАТА им. П.А. Соловьева; доклад на конгрессе в рамках выставки «Двигатели 2010», организатор конгресса - ФГУП «ВИАМ», г. Москва, апрель 2010г., полностью работа докладывалась и обсуждалась на кафедре «Резание материалов, станки и инструмент» им. С.С. Силина РГАТА им. П.А. Соловьева.
Автором диссертации выполнялись научно-исследовательские работы по грантам и программам Министерства образования и науки РФ совместно с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «У.М.Н.И.К.-2011».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 учебно-методических пособия.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с общими выводами по работе, списка использованных источников из 142 наименований и приложений. Объем работы 206 страниц, диссертация содержит 64 рисунка, 13 таблиц, 30 формул.
