Введение к работе
Актуальность работы. К ключевой позиции в развитии металлообрабатывающих отраслей можно отнести проблему псзьті^е-ния эксплуатационной стойкости металлообрабатывающего инструмента. Эта проблема приобретает особую значимость в связи с современными тенденциями -" систематическим удорожанием инструментальных материалов п энергоносителе", повышением быстроходности технологического оборудования, интенсификацией циклических температурно-силовых воздействий (ЦТСВ) на инструмент. увеличением надежности инструмента, предназначенного для использования на автоматических линиях и т.п. Проблему эксплуатационной стойкости металлообрабатывающего инструмента в настоящее время решают путем разработки новых инструментальных материалов, методами термической обработки, поверхностного упрочнения и конструкторско - технологическими разработками инструмента, а также нанесением на поверхности различных покрытий. При этом изменения структуры и свойств, неизбежно происходящие в условиях эксплуатации и зависящие от параметров ЦТСВ и состава смазочно - охлаждающих жидкостей (СО/К), исследованы недостаточно.
Исследование диффузионных явлений, протекающих в рабочих зонах при эксплуатации таких инструментов, как штампы горячего деформирования, пресс-формы литья под давлением и режущие инструменты, которые в процессе работы выделяют большое количество тепла, представляется особенно важным при решении зала"" по повышению долговечности инструмента.
В литературе имеются ограниченные данные об образовании вторичных структур и свойств на контактных поверхностях инструмента при взаимодействии с продуктами трибодеструкцшг СО>ї\ в условиях ЦТСВ на контактные поверхности. Научный подход к решению проблемы предполагает наличие информации о кинетических и термодинамических закономерностях превращений в контактных поверхностях инструмента при взаимодействии между продуктами трибодеструкции СОЖ и поверхностных слоев инструмента.
Действие СОЖ в этом плане значительно шире, чем известные ее смазочно - охлаждающие функции. СОЖ, в зависимости от ее химического состава, значительно изменяет энергетику технологических процессов обработки металлов, стимулирует структурные превращения, приводя контактные и приконтактные поверхности инструмента в качественно новое состояние.
Таким образом, изучение вышеперечисленных процессов позволит осуществить непрерывное упрочнение контактных поверхностей инструмента в процессе работы без дополнительных капитальных, трудовых и энергозатрат.
Выполненные научные работы, в основном, посвящены анализу диффузионных явлений, протекающих в рабочей зоне металлообрабатывающего инструмента в условиях ЦТСВ под влиянием продуктов разложения СОЖ. Эти исследования составили научную базу для разработки новых технологических процессов упрочнения режущего, штампового и прессового инструмента.
Цель работы. Целью настоящей работы является изучение триботехнических, химических и диффузионных процессов, происходящих в контактных поверхностях инструмента в процессе работы под воздействием смазочных материалов и продуктов их трибоде-струкции, и выработка новых подходов для повышения эксплуатационной стойкости металлообрабатывающего инструмента.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
исследовать взаимодействие материала инструмента с продуктами трибодеструкции СОЖ;
изучить закономерности структурно-фазовых и химических превращений в контактных поверхностях инструмента и механизм их преобразования под влиянием химического состава СОЖ;
выявить возможности регулирования диффузионных процессов, протекающих в контактных поверхностях инструмента, с целью изменения термодинамических условий для образования более тепло- и износостойких фаз;
получить более подробные данные о закономерностях влияния химического состава СОЖ и режимов работы инструмента на микротвердость и теплостойкость поверхностных слоев инструмента, а следовательно, и на повышение его эксплуатационной стойкости;
разработать методы повышения качества контактных поверхностных слоев инструмента с учетом условий работы л применяемых СОЖ;
разработать рекомендации и предложения, направленные на повышение эксплуатационной стойкости металлообрабатываюшего инструмента на основе анализа выполненных теоретических исследований.
Научная новизна работы
-
Развитие теории образование вторичных структур и свойств рабочей поверхности инструмента при эксплуатации в виде следующего научного положения: повышение разгаростойкости и сопротивления тепловому износу достигается в результате образования на поверхности более пластичных, износо- и теплостойких ннтридных и карбонитридных фаз вместо хрупких карбидов и оксидов.
-
Повышение износостойкости и уменьшение коэффициента трения режущих деталей вырубных штампов из нетепло- и полутеплостойких сталей достигается путем их карбонитрнровання при температурах 250-300 С.
-
Впервые установлено влияние предварительной термической обработки на уменьшение деформации штамповых сталей после азотирования за счет благоприятного распределения и уменьшения количества 7 ' -фазы в азотированном слое.
Практическое значение и реализация работы Разработаны способы упрочнения металлообрабатывающего инструмента, и на них получены авторские свидетельства:
а) режущего инструмента в процессе резания;
б) ступенчатая изотермическая обработка режущего инструмен
та из быстрорежущей стали;
в) твердосплавного инструмента путем насыщения поверхност
ных слоев азотом при закалке и старении;
г) бороазотирование штампов горячего деформирования:
д) низкотемпературного карбонитрнровання (250-300 С) режу
щих деталей вырубных штампов;
е) предварительное карбоннтрирование режущих деталей вы
рубных штампов; а также
ж) разработан состав для упрочнения инструмента в процессе
резания.
Большая часть из них внедрена на десятках машиностроительных предприятий России, Белоруссии, Украины и Азербайджана с общим экономическим эффектом более 2,5 млн руб. в ценах 1981-1989 гг. Остальные способы прошли производственные апробирования на многих предприятиях Алтайского края и Азербайджана.
Внедрение способа бороазотирования штамповых сталей в малосерийном производстве на АО "Алттрак" в 1996 г. дало экономическую эффективность 07,5 млн руб.
Автор защищает следующие основные положения:
-
повышение эксплуатационных свойств инструмента достигается при создании в структуре поверхностных слоев нитридных и карбонитридных фаз по сравнению с карбидами и оксидами;
-
теоретические исследования о влиянии состава смазочного материала на физико-механические свойства контактных поверхностей инструмента в процессе эксплуатации;
з) улучшение структуры и свойств азотированного слоя штам
повых сталей под влиянием предварительной термической обработ
ки (ПТО), а также уменьшение деформаций после поверхностного
упрочнения;
-
принципы подбора из известных методов поверхностного упрочнения и разработку новых методов с учетом триботехнических явлений в зависимости от типа и условий работы инструмента;
-
технологию упрочнения режущего инструмента при эксплуатации;
-
технологию ступенчатой изотермической обработки режущего инструмента;
-
технологию комплексного упрочнения твердосплавного инструмента;
-
технологию низкотемпературного карбонитрирования режущих деталей вырубных штампов; *
-
технологию высокотемпературного предварительного карбонитрирования деталей вырубных штампов;
10) технологию бороазотирования штампов горячего деформи
рования;
Апробация работы. Основные результаты и положения, представленные к защите, докладывались и обсуждались на III и V заседаниях Всесоюзных семинаров "Физико - технологические проблемы поверхности металлов" (Ленинград, 1984 г. и г. Махачкала, 1989 г.); Международных научно-технических конференциях: "Проблемы автоматизации и технологии в машиностроении" (г. Рубцовск. 1994 г.) "Авангардные технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация производства оптико-электронных приборов в машиностроении" (г. Новосибирск, 1995 г.); '"Актуальные проблемы металлургии в машиностроении" (г. Новокузнецк, 1997 г.); Всесоюзных научно-технических конференциях: "Состояние и перспективы совершенствования разработки и производства асинхронных двигателей (г. Владимир, 1985 г.); "Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса" (г. Новосибирск, 1985 г.); "Новые материалы и упрочняющие технологии на основе прогрессивных методов термической и химико-термической обработки в автостроении" (г. Тольятти, 1986 г.); "Повышение надежности и долговечности материалов и деталей машин на основе новых методов термической и химико-термической обработок" (Москва, 1988 г.); "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико - термической обработок деталей маши"-: и инструмента" (г, Пенза, 1990 г.); "Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа" (г. Днепропетровск, 1982 г.) ; региональных научно - технических конференциях: I, II. III "Пути повышения качества и надежности инструмента" (г. Рубцовск, 1985, 1987 гг., г. Барнаул, 1989 г.); "Повышение технического уровня сельскохозяйственного машиностроения" (г. Рубцовск. 1989 г.); "Ресурсосбережение на основе научно-технического прогресса" (г. Рубцовск, 1986 г.); "Современные методы повышения эффективности машиностроения" (г. Рубцовск, 1991 г.); "Прогрессивные методы повышения прочности и долговечности конструкционных материалов" (г. Баку, 1984 г.); "Пути повышения надежности и долговечности соединений типа вал-втулка и инструмента" (г. Баку. 1950 г.); "Модификация поверхности конструкционных материалов с целью повышения износостойкости и долговечности деталей машин (г. Благовещенск, 1992 г.); симпозиум "Прогрессивные технологии в машиностроении" (г. Рубцовск, 1995 г.): III Юбилейной научно-практической конференции (г. Бийск, 1995 г.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 56 публикациях, одной монографии, 48 статьях в центральных журналах и сборниках, получено 7 авторских свидетельств СССР.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из общей характеристики работы (введения), шести глав, общих выводов, списка использованной литературы из 273 наименований, 94 рисунков, 37 таблиц и 18 приложений. Диссертация изложена на 268 страницах машинописного текста.
