Введение к работе
Актуальность проблемы. В современном механообрабатывающем производстве широкое применение находит дорогостоящее автоматизированное станочное оборудование с микропроцессорным управлением.
Наибольшее влияние на работоспособность инструмента, а, следовательно, и на эффективность обработки резанием, оказывают свойства инструментального материала. Основная задача интенсификации производства - это систематически добиваться увеличения производительности, долговечности режущего инструмента и облегчения труда рабочих при обработке деталей на станках за счет более эффективных технологий обработки. Особенность современного производства характеризуется интегральным подходом к проектированию технологического процесса с учетом себестоимости и надежности.
Анализ данных показывает, что основными причинами выхода из строя режущего инструмента с износостойкими покрытиями могут быть: разрушение покрытий в результате высоких контактных силовых и температурных нагрузок и деформация твердосплавной основы, приводящая к росту контактной площадки на задней поверхности инструмента. Одной из причин преждевременного разрушения покрытия является возникновение критических напряжений на границе раздела «покрытие – инструментальный материал» при термомеханическом нагружении контактных площадок инструмента. Эти напряжения зависят от разницы теплофизических и физико-механических свойств материалов износостойкого покрытия и инструмента, собственных микронапряжений инструментального материала после полной термообработки. Начальный этап разрушения покрытий наблюдаются уже в период приработочного изнашивания инструмента, а интенсивность разрушения покрытия увеличивается с ростом термомеханических нагрузок.
Указанное многообразие факторов, влияющих на покрытие, зависит от соотношения физико-химических свойств обрабатываемого материала и покрытия. При низких и средних температурах это определяет адгезионную прочность, при высоких — характер и интенсивность твердофазных и жидкофазных диффузионных реакций, контактно-реактивное плавление.
Весьма актуально установление функциональных связей между технологическими параметрами процесса формирования износостойкого покрытия и изнашиванием инструмента. Эти задачи до настоящего времени не решены из-за сравнительно низкой долговечности покрытия.
Для повышения долговечности режущего инструмента с покрытием, необходим новый метод нанесения покрытия, способствующий увеличению запаса прочности и жесткости, снижению склонности режущей части инструмента к потере формоустойчивости и термопластическим прогибам при приложении термомеханических напряжений, возникающих в процессе резания. Необходим новый тип покрытия, с добавками, в виде пластичного материала, имеющего низкий модуль упругости и сдвига, для релаксации напряжений. Таким
образом, выявление и установление закономерностей связывающих технологические параметры нанесения функциональных покрытий с износостойкостью и долговечностью инструментов, разработка и всестороннее исследование новых методов формирования диффузионных покрытий, обеспечивающих высокие режущие свойства, релаксацию термомеханических напряжений, торможение поверхностного растрескивания являются весьма актуальной.
Связь работы с научными программами, темами:
Диссертационная работа является завершенным циклом исследований по разработке метода нанесения локального диффузионного покрытия, выполненных на протяжении 2000-2015 годов в рамках следующих федеральных целевых программ:
-
«Национальная технологическая база» 2000 - 2011г.г.
-
«Развитие оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации на 2007-2010 годы и на период до 2015г.».
-
«Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015г.».
Цель работы состоит в повышении долговечности режущего инструмента путем нанесения локального диффузионного покрытия для улучшения качества обработки деталей.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-разработана теоретическая модель напряженно-деформированного состояния для сравнительной оценки влияния локального диффузионного и сплошного покрытий на физико-механические свойства поверхностного слоя;
-разработан метод нанесения локального диффузионного покрытия на режущий инструмент и определены оптимальные параметры, увеличивающие долговечность режущего инструмента в условиях эксплуатации;
-разработано оборудование и технология нанесения локального диффузионного покрытия на режущий инструмент;
установлены функциональные связи между композицией локального диффузионного покрытия, технологическими параметрами процесса его формирования и долговечностью режущего инструмента;
установлено влияние локального диффузионного покрытия на физико-механические и режущие свойства инструментального материала;
выявлен механизм изнашивания режущего инструмента с локальным диффузионным покрытием при точении и фрезеровании;
разработана методика и критерии оценки долговечности режущего инструмента c локальным диффузионным покрытием.
Объектом исследования является: новая технология получения локального диффузионного покрытия на режущий инструмент в условиях реального производства для
повышения долговечности и уменьшения износостойкости; разработка метода и оборудования для нанесения диффузионного покрытия на режущий инструмент, защищенные патентами (патент № 2548835, патент № 2279962).
Предметом исследования являются режущие инструменты (резцы, фрезы) с локальным диффузионным покрытием, согласно методическим рекомендациям по назначению и выбору режимов нанесения покрытия, в условиях реального производства.
Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:
разработана и внедрена новая технология получения локального диффузионного покрытия на режущий инструмент;
разработана математическая модель процесса нанесения локального диффузионного покрытия на инструмент;
разработано оборудование для нанесения локального диффузионного покрытия на режущий инструмент;
получены новый состав и структура покрытия и установлены его физико-механические свойства;
Научная новизна работы заключается в том, что:
-разработана концепция формирования локального диффузионного покрытия на режущие инструменты;
разработана теоретическая модель образца с локальным диффузионным покрытием, позволяющая, с точки зрения концепции двухпредельности («сплошное покрытие - полное отсутствие покрытия»), оценивать влияние композиции из областей с покрытием и без покрытия, образующих ячеистую структуру, на модуль упругости и коэффициент Пуассона;
разработан новый метод нанесения локального диффузионного покрытия системы Ме-МеО и МеО-О2 путем осаждения заряженных ионов кислорода током коронного разряда;
разработана математическая модель процесса нанесения локального диффузионного покрытия и определены оптимальные параметры, оказывающие положительные влияния на долговечность режущих инструментов;
установлены функциональные связи между композицией локального диффузионного покрытия и технологическими параметрами процесса его формирования.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Разработан новый технологический процесс нанесения покрытия на режущий
инструмент с помощью коронного разряда (патент № 2548835), который рекомендован к
внедрению на ОАО «МПО им. И. Румянцева», ОА «НПЦ газотурбостроения «Салют», на ООО
«ИТМ» и на ООО ТД «КАЙЛАС»;
2. Установлены физико-механические свойства режущего инструмента с
наноструктурированным локальным (ячеистым) покрытием.
3. Разработаны практические рекомендации по выбору режимов нанесения покрытия,
обеспечивающих получение необходимой структуры и свойств локального диффузионного
покрытия, формируемого на режущей кромке инструмента.
4. Предложен экологичный способ и оборудование для нанесения локального
диффузионного покрытия на режущий инструмент, (патент № 2279962), обеспечивающие
высокую производительность, энерго - и ресурсосбережение, возможность использования для
различных типов производств.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждена результатами большого объема выполненных экспериментов и исследований, проведенных с использованием современных аналитических методов и аттестованного оборудования.
Личный вклад состоит в определении научного направления исследований, постановке
задач, выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований,
интерпретации и обобщении полученных результатов, формулировке положений,
рекомендаций и выводов.
Непосредственно автором выполнены следующие работы:
1. Проанализированы методы нанесения покрытий и причины их разрушения на режущем
инструменте.
2. На базе анализа причин разрушения покрытия разработана концепция формирования
теоретической модели и разработана теоретическая модель локального диффузионного покрытия
на режущем инструменте.
3. Для получения локального диффузионного покрытия разработаны оборудование и
технология нанесения покрытия.
-
На основе учета многообразия факторов, влияющих на локальное диффузионное покрытие, разработана математическая модель процесса нанесения покрытия на режущий инструмент и определены оптимальные параметры, увеличивающие его долговечность в условиях эксплуатации.
-
На основе полученных результатов исследования кинетической прочности и особенностей разрушения покрытия установлено влияние локального диффузионного покрытия на долговечность.
6. На основе созданной технологии получения локального диффузионного покрытия
проведены экспериментальные исследования. Установлены физико-механические свойства
локального диффузионного покрытия.
7. На основе результатов экспериментальных исследований разработаны рекомендации по
выбору технологических параметров нанесения локального диффузионного покрытия.
Методы исследований.
В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. В соответствии с поставленной целью работы сформулированы основные задачи исследования. Поставленные в работе задачи решались с использованием фундаментальных положений
технологии машиностроения, теории резания и упругопластического деформирования, теории механической и статистической физики. Разработаны рабочие гипотезы и методика. Комплекс экспериментальных исследований проводился в лабораторных и производственных условиях с использованием современного станочного оборудования. Изучение состава и физико-механических свойств локального диффузионного покрытия выполняли на основе современных методов металлографического и металлофизического анализов с использованием методик электронно-сканирующей микроскопии, по методу ионопучковой диагностики планарных микро и наноструктур (ионопучковый аналитический комплекс «Сокол-3»).
Статистическая обработка, полученных результатов исследований, проводилась с использованием персонального компьютера.
При проведении процедуры нанесения локального диффузионного покрытия в зоне обработки режущего инструмента, использовали методику замера концентрации озона и прибор «Газоанализатор 3.02 –П-Р».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на заседании кафедры «Автоматизированные станочные системы и инструменты» («АССИ») Московского Государственного Машиностроительного Университета (МАМИ) г. Москва, 2013; на 77 – ой Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле-тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» МГМУ (МАМИ) г. Москва 2012; на XLII – ой Международной научно - практической конференции «Инновация в науке» г. Новосибирск. 2015; на XVI – ой Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективны развития» г. Москва. 2015; на Международной научной конференции «Наука XXI века» г. Москва. 2015; на Молодежной научной конференции «ХLI Гагаринские чтения» ФГБОУ ВПО (МАТИ) г. Москва. 2015; на IV – ой Международной научной конференция «Современное общество: проблемы, идеи, тенденции» г. Ставрополь. 2015; на Научно-техническом конгрессе по двигателестроению (НТКД-2014) г. Москва. 2014.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 45 научных работ, из которых 16 статей опубликованы в рецензируемых изданиях, входящих в перечень изданий ВАК Минобрнауки России, 4 патента на изобретение, 1 монография. Список публикаций по теме диссертационной работы приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 270 страницах машинописного текста, содержит 94 рисунка, 26 таблиц, список литературы из 100 наименований, приложения приведены на 8 страницах. Общий объем работы 278 страниц.