Введение к работе
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.
Личный 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
