Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы 8
1.1 Особенности процесса сверления, факторы, влияющие на работоспособность сверл из быстрорежущей стали 8
1.2 Повышение периода стойкости режущего инструмента технологическими методами 10
1.2.1. Влияние СОТС 11
1.2.2. Методы термической обработки 14
1.2.3.Методы химико — термической обработки 14
1.2.4. Методы нанесения покрытий 16
1.2.5.Методы электролитического и химического осаждения и растворения 18
1.3.Повышение стойкости режущего инструмента методом нанесения тонкопленочного покрытия из растворов эпиламов 26
1.3.1. Эпиламы, состав, свойства, область применения 26
1.3.2. Повышение стойкости режущего инструмента эпиламированием 32
2. Экспериментально - теоретические исследования механизма действия покрытий эпиламов в технологических процессах механической обработки ... 37
2.1. Анализ исследований механизма действия покрытий эпиламов в условиях трения скольжения 37
2.2. Исследование влияния покрытий эпиламов на состояние поверхностного слоя инструмента 43
2.3. Исследования механизма действия и состояния тонкопленочного покрытия при различных условиях работы 44
2.4. Механизм действия покрытий эпиламов в технологическом процессе обработки резанием 53
2.5. Теоретическое определение эффективных режимов сверления эпиламированным инструментом 61
3. Экспериментальные исследования эффективности технологического процесса сверления эпиламированным инструментом 73
3.1. Исследования влияния тонкопленочного покрытия на процесс
теплообразования при обработке сверлами из быстрорежущей стали 73
3.2. Влияние покрытий эпиламов на коэффициент усадки стружки 86
3.3. Исследование влияния покрытий эпиламов при сверлении на качество обработанных поверхностей при различных условиях резания 88
4. Технологичекие рекомендации и экономичекая эффективность применения эпиламированных СВЕРЛ 98
4.1. Технологические рекомендации 98
4.2. Эффективность внедрения и производственные испытания эпиламированного инструмента 108
Общие результаты и выводы 114
Литература 116
Приложение А. Методика планирования и оценки результатов
Приложение Б. Акт производственных испытаний эпиламированного режущего инструмента
- Повышение периода стойкости режущего инструмента технологическими методами
- Исследование влияния покрытий эпиламов на состояние поверхностного слоя инструмента
- Влияние покрытий эпиламов на коэффициент усадки стружки
- Эффективность внедрения и производственные испытания эпиламированного инструмента
Введение к работе
Актуальность темы. В современном машиностроении к механической обработке отверстий предъявляют высокие требования, так как точность их размера, формы, качество поверхности напрямую влияют на характер сопряжения деталей. На качество механической обработки отверстий большое влияние оказывает состояние режущего инструмента, степень его износа, поэтому весьма важным для современного машиностроения является повышение стойкости осевого инструмента и технологическое обеспечение его рационального использования.
Для повышения эффективности обработки сверлами из быстрорежущих сталей применяются методы, связанные с улучшением свойств инструментального материала, изменением состава и свойств поверхностного слоя инструмента, нанесением тонкопленочных покрытий, снижением шероховатости рабочих поверхностей и улучшением условий эксплуатации инструмента применением СОТС.
Анализ литературных данных показывает, что одним из наиболее перспективных методов повышения стойкости инструмента (6...8 раз) является нанесение на его рабочую поверхность фторсодержащих поверхностно-активных веществ (ФТОР-ПАВ) из растворов эпиламов - эпиламирование.
Несмотря на высокие результаты испытаний эпиламированных сверл, при производственной апробации метода часто имеет место незначительное повышение стойкости инструмента или отсутствие эффекта от внедрения. Это связано с недостаточной изученностью механизма действия покрытий в процессе механической обработки, отсутствием рекомендаций по эксплуатации и обслуживанию инструмента с покрытием эпилама. Следовательно, выявление рациональных условий эксплуатации эпиламированных быстрорежущих сверл является важной и актуальной задачей.
Цель работы: технологическое обеспечение эффективности обработки эпиламированными быстрорежущими сверлами исследованием механизма действия покрытий эпиламов в процессе механической обработки, определением рациональных условий эксплуатации эпиламированных сверл.
Задачи исследования:
Исследовать природу и механизм действия покрытий эпиламов в процессе механической обработки.
Установить факторы, оказывающие влияние на состояние пленок эпи-лама при сверлении.
Определить рациональные условия эксплуатации эпиламированного инструмента при сверлении.
Исследовать влияние покрытий эпиламов на процесс резания при сверлении, шероховатость обработанных поверхностей.
Разработать рекомендации по нанесению покрытий эпиламов на рабочие поверхности инструмента.
Определить эффективность внедрения и производственных испытаний эпиламированного инструмента.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что эффективность применения эпиламированных сверл определяется технологическими условиями обработки - режимами резания, наличием и видом СОТС:
при работе без СОТС период стойкости эпиламированных сверл выше стойкости сверл без покрытия и соответствует периоду стойкости инструмента, работающего в присутствии масляных СОТС;
наибольший эффект достигается при сверлении эпиламированным инструментом с применением масляных СОТС, при этом при работе с рациональными технологическими режимами период стойкости сверл повышается в
1,5- 2,5 раза по сравнению с неэпиламированным инструментом, работающим в аналогичных условиях;
- наиболее значимым технологическим фактором, определяющим эффективность эксплуатации эпиламированного инструмента, является скорость резания, которая должна определяться из условия температуры тепловой деструкции покрытия эпилама.
2. Предложена теоретико - экспериментальная методика определения допустимой скорости резания и размерной стойкости эпиламированных сверл, построенная на основе модифицированной формулы Баранова - Московского расчета скорости резания при сверлении; определены значения уточняющих коэффициентов, величина которых зависит от технологических параметров сверления и меняется в диапазоне 1,2...1,7, определяется по результатам относительной экспресс оценки термоЭДС.
Практическая значимость работы заключается в определении условий рационального использования эпиламированных сверл из быстрорежущих сталей, установлении на стадии проектирования процесса механической обработки значений технологических параметров сверления, обеспечивающих максимальную стойкость сверл с покрытием эпилама, разработке рекомендаций по эпиламированию сверл.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 2-й Международной научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (г. Орел, 2004 г.), на научно-практической конференции «Трибология — машиностроению» (г.Москва, 2006 г.), международном научном симпозиуме «Гидродинамической теории смазки - 120 лет» (г.Орел, 2006 г.), на международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном и строительном комплексах» «Технология — 2006» (Россия, Орел -Side. Turkey, 2006 г.), на научном семинаре по трению и износу в машинах
им. М.М. Хрущова, (ИМАШ РАН г. Москва, 2007 г.), на VIII международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе» «Технология - 2007», Технологический университет, Хельсинки, Финляндия (г.Хельсинки, 2007 г.), на внутри-вузовских научных конференциях профессорско-преподавательского состава (Орел, 2004-2007г.г.).
Повышение периода стойкости режущего инструмента технологическими методами
В настоящее время многообразие существующих направлений повышения надежности режущего инструмента условно можно разделить на шесть основных групп [34]: разработка новых и совершенствование существующих инструментальных материалов, оптимизация режимов их термической обработки; совершенствование конструкции и оптимизация геометрических параметров режущего инструмента; совершенствование технологий и оптимизация режимов обработки давлением и механической обработки режущего инструмента; разработка и применение методов модификации поверхностных слоев режущего инструмента; оптимизация режимов и условий эксплуатации режущего инструмента; разработка и применение систем диагностирования состояния инструмента в реальном масштабе времени.
Для повышения работоспособности осевого инструмента из быстрорежущих сталей наибольшее распространение получили методы, связанные с изменением свойств его поверхностного слоя (термическая, химико-термическая обработки (ХТО), нанесение тонкопленочных покрытий и т.д.), так как при самых различных условиях эксплуатации инструмента наиболее нагруженным во всех случаях оказывается его поверхностный слой и именно его свойства определяют способность инструмента сопротивляться высоким контактным силовым нагрузкам и температурам, величины которых, имеют переменный характер в процессе резания. При обработке отверстий, важное значение придается оптимизации режимов эксплуатации инструмента и применению смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС).
Для повышения стойкости инструмента, необходимо снижать общую тепловую напряженность процесса резания и обеспечивать интенсивный отвод тепла от нагретых участков обрабатываемого материала и режущего инструмента. Применение смазочно-охлаждающих технологических сред при сверлении направлено на облегчение процесса стружкообразования, струж-козавивания и стружкоотвода, уменьшение работы сил трения и адгезии между стружкой, инструментальным и обрабатываемым материалом, их охлаждение в процессе сверления, повышение качества обработанной поверхности, увеличение производительности обработки, снижение энергозатрат. При этом технологическая эффективность СОТС в зоне обработки реализуется через ее функциональные действия - смазочное, охлаждающее, моющее, диспергирующее и демпфирующее, пластифицирующее и режущее (эффект П. А. Ребиндера), которые во многом определяются составом и свойствами СОТС, технологией и техникой применения [32], [51], [52].
Для эффективного использования смазочно-охлаждающей технологической среды, струя подаваемой СОТС должна перекрывать всю зону контакта инструмента с заготовкой, что при сверлении отверстий ограничивается конструкцией инструмента, спецификой процесса резания. Из известных способов подачи СОТС, наибольшее применение в производстве при обработке отверстий спиральными сверлами получила подача поливом под давлением 0,002-0,003 МПа. Однако способ является малоэффективным вследствие трудности попадания жидкости в зону резания, так как наличие наружных винтовых канавок у спиральных сверл ограничивает доступ жидкости -СОТС, встречаясь с нагретой стружкой, выходящей из зоны резания, отбрасывается назад вращающимся сверлом, причем, с увеличением скорости резания, количество отбрасываемой СОТС увеличивается и может достигать 50% [36]. Недостаточное охлаждение зоны резания приводит к росту температуры резания, уменьшению вязкости смазочно-охлаждающей жидкости (ниже 8 10"6 -10 10 6 м3/с), что при определенных давлениях может приводить к разрыву пленки смазки под направляющими элементами инструмента, увеличению сил трения, схватыванию инструментального и обрабатываемого материалов, возникновению или усилению вибраций инструмента, его быстрому износу и поломке.
В свою очередь необходимо отметить, что способность СОТС в зоне резания создавать внешнюю среду, в которой взаимодействуют обрабатываемый и обрабатывающий материалы, определяется правильностью ее подбора в зависимости от свойств обрабатываемого и инструментального материалов, режимов резания. В ходе многочисленных исследований установлено, что наибольшую эффективность смазочно-охлаждающие технологические среды оказывают при резании вязких, высокопластичных и сильно упрочняющихся при деформировании металлов и их сплавов. При обработке малопластичных материалов (чугунов, бронзы) применение СОТС ограничивается вследствие трудности вывода пульпы из зоны резания, наличия налипания и забивания стружечных канавок стружкой надлома.
В последние годы, в связи с ужесточением требований к защите окружающей среды и обслуживающего персонала от вредного воздействия СОТС, на первый план выдвигаются такие свойства смазочно-охлаждающих технологических сред, как возможность регенерации, безопасность и простота утилизации и только потом эффективность СОТС и их окупаемость. В связи с этим наметились такие направления как создание новых экологически чистых и безвредных для человека СОТС, применение новых способов подачи СОТС в зону резания (микродозы - микрокапсулирование), обработка с очень небольшим количеством охлаждающей жидкости (extremely low quantity of lubricant), где величина расхода жидкости составляет порядка 100мл/ч (обычный расход - порядка 10-200 л/мин) [102], полный отказ от использования смазочно-охлаждающих технологических сред при металлообработке («сухое» резание) [47].
При сегодняшнем уровне «сухой» обработки, ее применение во многих случаях оказывается невозможным или экономически неприемлемо из-за несовершенства конструкции инструмента и условий его работы. При сверлении, ограничение «сухой» обработки связано с высокой термической нагрузкой, приходящейся на инструмент, плохим отводом горячей и деформированной стружки из канавки сверла, приводящим к привариванию стружки к поверхностям сверла или стенке отверстия и соответственно износу инструмента, ухудшению качества обработанной поверхности.
Исследование влияния покрытий эпиламов на состояние поверхностного слоя инструмента
Для выявления влияния фторсодержащих поверхностно-активных веществ на состояние поверхностного слоя быстрорежущих сверл были проведены исследования микрорельефа и микротвердости поверхностей образцов до и после нанесения покрытия.
Образцы изготавливались из быстрорежущей стали Р6М5, где Ra = 0,2 мкм, что соответствует шероховатости рабочих поверхностей сверла; средняя микротвердость - 880HV. Замеры шероховатости Ra проводили на про-филографе-профилометре мод. 170311, в соответствии с ГОСТ 2789-73, микротвердости - на приборе ПМТ-3 при глубине внедрения /z=0,5-K),6 мкм и /г=1-Ч,2 мкм с нагрузкой 0,1 и 0,5 Н соответственно.
В качестве защитных молекулярных покрытий применяли наиболее часто используемые покрытия из растворов эпиламов: Эфрен-2 (Э-2) ТУ 25.07.1120-75 (ТУ-6-02-1163-90) и 6СФК-180-05 (СК) ТУ-6-02-1229-82, представляющие собой - растворы перфторполиэфиркислоты 6МФК-180 общего вида (Rf СООН) в хладоне 113.
Эпиламирование выполняли по технологиям, рекомендуемым производителем для нанесения данных составов: очистка поверхностей образцов в обезжиривающих веществах для удаления парафина, смазочных материалов с периодической сушкой в сушильном шкафу для полного удаления с поверхностей обезжиривающих веществ и следов влаги; холодное эпиламирование (18 - 25С) методом окунания; сушка в шкафу для фиксации покрытия (70С). При измерении шероховатости после нанесения молекул ФТОР-ПАВ из растворов 6СФК-180-05 и Эфрен-2 наблюдались незначительные отклонения в сторону увеличения или уменьшения параметра Ra, что связано с ошибкой измерений (2-4% - лежит в пределах ошибки измерений).
При измерении микротвердости после нанесения покрытий наблюдалось незначительное повышение микротвердости - 3...8%. Данное повышение вероятно связано с подготовкой поверхностей для нанесения покрытий, т.е. отсутствием загрязнений, воды, газа, уменьшением толщины окисных пленок [38], [39], [41].
Для изучения механизма действия пленки эпилама в процессе эксплуатации эпиламированных сверл и влияния режимов резания, условий обработки на их состояния проведены трибологические испытания с использованием специальной установки, где условия испытаний приближены к условиям, характерным для процесса сверления.
Для проведения трибоисследований использовались образцы цилиндрической формы 0 8,5 мм из быстрорежущей стали Р6М5 (рис.2.3.1) на рабочие поверхности, которых наносили покрытия из составов 6СФК-180-05 и Эфрен-2 по технологиям, рекомендуемым производителями данных составов, заготовки из стали 45 ГОСТ 1050-88 с отверстиями (Ra=l,6 мкм).
При выполнении работы использовались следующие смазочно-охлаждающие технологические среды отечественного производства: МР-7 ТУ 38.УССР20143-83, индустриальное масло И-40 ГОСТ 20799-88, сульфоф-резол ГОСТ 122-84, водосмешиваемый эмульсол - Эмолон-М ТУ 0258-001-45939513-2003. Перечисленные СОТС применяются на сверлильных операциях и отличаются качественным и количественным содержанием противо-задирных, противоизносных и антифрикционных присадок.
Влияние покрытий эпиламов на коэффициент усадки стружки
Для изучения влияния пленок эпиламов на процесс пластической деформации и работу сил трения при сверлении эпиламированным инструментом при различных условиях резания выполнены исследования микропрофиля обработанных поверхностей.
Для исключения влияния на формирование микрорельефа поверхности механических свойств обрабатываемого материала, геометрии режущей части инструмента сверление выполняли в заготовках из стали 45 комплектом спиральных сверл 0 6,7 мм (2 =110±1, со=24±1) из быстрорежущей стали Р6М5 без и с покрытиями из растворов эпиламов 6СФК-180-05 и Эфрен-2 с использованием СОТС МР-7 и МР-7 с добавлением ПАВ на основе хлор-парафина. Измерения параметра шероховатости - среднего арифметического отклонения профиля Ra, мкм выполняли на профилометре - профилографе мод. 170311 в соответствии с ГОСТ 2789-73.
Известно, что характер формирования шероховатости поверхности при обработке эпиламированным инструментом без и с применением СОТС существенно отличается от обработки инструментом без покрытия. Характер влияния и взаимодействия покрытий эпиламов, разных видов СОТС и технологических факторов сверления (подача s, мм/об, скорость резания v, м/мин) при этом неоднозначен. В связи с этим была проведена серия экспериментальных исследований в условиях варьирования данных факторов. Интервалы варьирования факторов в плане приведены в табл. 3.3.1.
Получены математические модели шероховатости поверхности, определяющие ее зависимость от технологических параметров обработки (v=5,26... 10,52 м/мин; s=0,07...0,21 мм/об), позволяющие оптимизировать условия применения покрытий эпиламов и видов применяемых СОТС.
При обработке инструментом без покрытия и применения СОТС величина параметра шероховатости Ra в среднем составила 5,5 мкм, что соответствует установленному значению Ra при обработке отверстий на данных режимах резания.
При сверлении инструментом с покрытием эпиламов 6СФК-180-05 и Эфрен-2 без СОТС значения Ra практически соответствуют значениям шероховатости, полученным при обработке с масляными СОТС МР-7 и Мр-7 с добавлением ПАВ. При этом область оптимума шероховатости Ra, мкм для различных эпиламов при изменении факторов неоднозначна (рис.3.3.1 (а), (б)). Наблюдаемое снижение шероховатости подтверждает, что при данных условиях сверления тонкопленочное покрытие выполняет функции граничной смазки, т.е. обеспечивает снижение коэффициента трения за счет малого сопротивления сдвигу, облегчает работу пластической деформации и соответственно уменьшает интенсивность пластического течения материала из зоны первичной деформации в сторону уже обработанного следа.
С повышением подачи и скорости резания, изменение шероховатости подчиняется известным закономерностям, присущим традиционному сверлению. Однако обработка эпиламированными сверлами с применением СОТС МР-7 и Мр-7 с добавлением ПАВ на основе хлор-парафина приводит к уменьшению шероховатости (рис.3.3.2 (а), (б), рис.3.3.3 (а), (б)). В пределах заданных режимов варьирования применение покрытия эпилама и СОТС позволяет снизить шероховатость в среднем на 1 класс.
Данное снижение связано со способностью покрытия удерживать смазку в зоне контакта инструмента и заготовки, стабилизировать процесс образования смазочной пленки, снижать адгезионное взаимодействие контакти-руемых поверхностей, что способствует улучшению процесса пластического деформирования материала, снижению шероховатости поверхности.
1 Результаты измерения термоЭДС при сверлении позволили установить, что при допустимой по температуре тепловой деструкции скорости резания, применяемых марок эпилама при обработке без СОТС, тонкопленочное покрытие выполняет функции смазочной граничной пленки. Наличие пленки эпилама на поверхности инструмента снижает работу трения, адгезии и пластической деформации, уменьшает тепловыделение в зоне резания и соответственно температуру резания.
Данное свойство покрытий дает возможность применять эпиламирова-ние при обработке с кратковременным воздействием рабочих поверхностей инструмента на обрабатываемую поверхность заготовки: протягивании поверхностей малоразмерных деталей, зубодолблении.
2. Минимальные значения термоЭДС и ее незначительные колебания при сверлении эпиламировнным инструментом с применением СОТС связаны со свойством покрытия эпилама способствовать проникновению смазки в зоны контакта инструмент — деталь и препятствовать ее удалению из зон трения. Проникновение смазки по направлению от периферии к режущей кромке и ее удержание в зоне резания снижает тепловую напряженность.
Эффективность внедрения и производственные испытания эпиламированного инструмента
Апробация эффективности метода нанесения покрытий ФТОР-ПАВ из раствора эпилама — эпиламирования для повышения периода стойкости сверл из быстрорежущей стали была выполнена на предприятии ОАО «Промпри-бор», г. Ливны Орловской области в соответствии с договором № 4161 от 1.01. 2007г. «Проведение исследовательских работ по повышению стойкости режущего и деформирующего инструмента эпиламированием».
На данном предприятии сверление 8 отверстий (глубина 40мм) под резьбу Ml2 в корпусе 1.04.02.1 ШО40-0,6СУ из алюминиевого сплава АК5Н7 выполняют сверлами 010,2 ГОСТ 12121-77 из быстрорежущей стали Р6М5 на агрегатном станке ЗХА4912П (цех 2113) при режимах резания я=0,09мм/об, у=40м/мин с использованием СОТС - Эмолон-М.
Корпус является основной деталью счетчика жидкости, предназначенного для точного определения объемного количества учитываемого продукта. Основными элементами корпуса являются: рабочая полость, ограниченная торцовыми поверхностями, входной и выходной патрубки. Крепежные отверстия на торцах корпуса служат для присоединения передней крышки и задней с запрессованными осями - шестернями для создания измерительной камеры.
Обработку крепежных отверстий выполняют на тридцатишпиндельном агрегатном станке с шестипозиционным поворотным столом. Станок оснащен восьмью силовыми самодействующими электромеханическими головками для сверления и нарезания резьбы Ml2 8 крепежных отверстий, сверления и зенкерования 4 отверстий 0ІОи8, сверления 4 отверстий 0І4 и растачивания центральных отверстий 0 120,71. Для установки и закрепления корпуса применяют пневматические приспособления, для направления режущего инструмента - накладные кондукторные плиты с быстросменными втулками. Подача СОТС осуществляется поливом с индивидуальным подводом к режущему инструменту. Расход жидкости - 6 л/мин на каждый инструмент (рис. 4.2.1).
Требование по точности позиционирования 8 отверстий Ml2 обеспечивается настройкой агрегатного станка.
При проведении сравнительных производственных испытаний производили замену 4 сверл без покрытия на 4 сверла с покрытием эпилама 6СФК-180-05 ТУ-6-02-1229-82. Эпиламирование инструмента выполняли в соответствии с технологией, рекомендуемой производителем данной марки эпилама. Общее время подготовки инструмента и нанесения покрытия tlum составило 250мин.
В результате испытаний было зафиксировано повышение стойкости инструмента в 2 + 2,5 раза. Износ по задней поверхности h3, мм инструмента с покрытием эпилама 6СФК-180-05 составил 0,25-Ю,41мм, инструмента без покрытия - 0,7-Ю,87мм.
На основании полученных результатов можно предположить, что увеличение периода стойкости сверл с покрытием эпилама позволяет сократить расход инструмента.
Это подтверждается расчетом расхода инструмента на годовую программу выпуска корпуса (72000 штук) по формуле
Таким образом, в результате повышения стойкости инструмента годовой расход сверл 0ІО,2 сократился в 2 раза.
На рис. 4.2.2, 4.2.3 представлены эпиламированные и неэпиламирован-ные сверла 010,2мм из быстрорежущей стали Р6М5, применявшиеся для обработки 8 отверстий глубиной 40мм в корпусе 1.04.02.ГШО40-0,6СУ из алюминиевого сплава АК5Н7 на агрегатном станке ЗХА4912П при режимах резания 5=0,09мм/об, у=40м/мин с использованием СОТС - Эмолон-М.
При исследованиях инструментов на микроскопе УИМ 23 ГОСТ 14968-69 установлено, что износ по задней поверхности h3 мм инструмента с покрытием эпилама 6СФК-180-05 составил 0,25-Ю,41мм; инструмента без покрытия - 0,7-Ю,87мм. У эпиламированного инструмента на режущих кромках практически отсутствует нарост, налипы на передней поверхности.
