Содержание к диссертации
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 8
ВВЕДЕНИЕ 11
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ПРОБЛЕМЕ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ 17
1.1. Особенности обработки резанием в мехатронных станочных системах 18
1.1.1. Анализ технологических особенностей обработки деталей на станках с ЧПУ 18
1.1.2. Современные инструментальные материалы 23
1.2. Методы интенсификации (повышения производительности) лезвийной обработки резанием 26
1.2.1. Основные механизмы износа режущего инструмента при лезвийной обработке резанием 26
1.2.2. Применение смазочно-охлаждающих технологических средств 31
1.2.3. Применение упрочняющих технологий для режущего инструмента 36
1.2.4. Применение износостойких покрытий на режущем инструменте 41
1.3. Роль структурно-энергетической адаптации поверхностей трения в обеспечении снижения интенсивности изнашивания режущего инструмента 53
1.4. Выводы 61
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ 64
2.1. Анализ моделей, используемых для идентификации процесса изнашивания при резании металлов
2.2. Особенности контактного взаимодействия при резании металлов 72
2.3. Термодинамика адаптации поверхностей трения 78
2.3.1. Анализ процессов трения и изнашивания с позиций термодинамики необратимых процессов и самоорганизации 78
2.3.2. Трибосистема как открытая термодинамическая система 83
2.3.3. Термодинамическое обоснование появления вторичных структур при трении 83
2.3.4. Термодинамика вторичных структур при трении 86
2.4. Влияние структурно-фазовой адаптации поверхностей трения на изнашивание режущих инструментов 91
2.5. Методология исследования изнашивания режущих инструментов с прогнозируемыми свойствами адаптации (самоорганизации) при трении 101
2.6. Выводы 105
ГЛАВА 3. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБРАБАТЫВАЕМЫЕ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И АППАРАТУРА 106
3.1. Химический состав, термообработка, физико-механические свойства обрабатываемых материалов 106
3.2. Режущий инструмент, обоснование выбора марок инструментальных материалов,
геометрических параметров 107
3.3. Методика экспериментальных исследований с применением СОТС и износостойких покрытий 109
3.3.1. Применение жидких СОТС 109
3.3.2. Применение СЭО 110
3.3.3. Применение многослойных износостойких покрытий 115
3.4. Методика проведения стойкостных и температурных экспериментов 117
3.4.1. Стационарные условия обработки 117
3.4.2. Нестационарные условия обработки 121
3.5. Методики исследования контактных параметров 127
3.5.1. Исследование силовых параметров и коэффициент усадки стружки 127
3.5.2. Методика и оборудование для оценки триботехнических параметров фрикционного контакта 129
3.6. Методика высокотемпературного градуирования естественных термопар при переменных напряжениях в зоне контакта 140
3.7. Компьютерное моделирование теплофизических явлений при резании 143
3.8. Методика металлографических исследований, оборудование и аппаратура 147
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ ИНСТРУМЕНТОВ С ПРОГНОЗИРУЕМОЙ АДАПТАЦИЕЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ 155
4.1. Исследование износостойкости спеченных порошковых инструментальных материалов
на основе быстрорежущей стали 155
4.2. Влияние легирующих элементов на износостойкость спеченных порошковых инструментальных материалов (СПИМ) на основе быстрорежущей стали 167
4.3. Исследование влияния ионной модификации поверхности быстрорежущей стали на
износостойкость резцов с покрытиями 182 5
4.4. Исследование двойных (дуплексных) покрытий для режущих инструментов с ПФПЭ (перфторполиэфир «Z-DOL») на основе быстрорежущей стали 198
4.5. Исследование фильтрованных нанокристаллических покрытий (TiAl)N для высокоскоростной обработки 214
4.6. Сравнительный анализ износостойкости покрытий на режущем инструменте при обработке
конструкционных и нержавеющих сталей 235
4.7. Исследование износостойкости инструмента с геометрической адаптацией режущего клина 241
4.8. Выводы 243
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ СОТС И ПЕРЕМЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ РЕЖИМА РЕЗАНИЯ
НА АДАПТАЦИЮ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЕ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ 246
5.1. Влияние кинематической вязкости СОЖ на износостойкость режущего инструмента,
температуру и силы резания 246
5.2. Износостойкость режущего инструмента, температура и силы резания при применении СЭО 251
5.3. Исследование характеристик обрабатываемости металлов резанием при нестационарном точении 254
5.3.1. Влияние скорости и подачи на силы и температуру резания 254
5.3.2. Влияние скорости резания и подачи на коэффициент усадки стружки 257
5.3.3. Износостойкость режущего инструмента 266
5.4. Взаимосвязь явлений при нестационарном точении 270
5.5. Выводы 271
ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 274
6.1. Технико-экономические критерии оценки процесса металлообработки и методики их определения 274
6.1.1. Оценка эффективности применения СОТС и рекомендации по режимам резания 274
6.1.2. Оценка эффективности применения переменности элементов режима резания 277
6.2. Ускоренный способ определения оптимальных режимов нестационарного резания 280
6.3. Информационная база данных по трибологическим и технологическим характеристикам СОТС и покрытий 284
6.3.1. Описание подсистем, входящих в ИБД ТХ 285
6.3.2. Описание информационных взаимосвязей между подсистемами 286
6.3.3. Описание справочников 290
6.3.4. Описание алгоритма 298
6.4. Выводы 300
Основные выводы и результаты работы 301
Список литературы 304
Приложения 329
Приложение 1. Химический состав и физико-механические свойства обрабатываемых и инструментальных материалов 330
Приложение 2. Управляющие программы для станков с ЧПУ 337
Приложение 3. % Приложение 4.
Приложение 5. Результаты экспериментальных исследований износостойких покрытий 360
Результаты экспериментальных исследований СОТС и нестационарного точения 383
Промышленные рекомендации и акты внедрения результатов работы 4
Введение к работе
Актуальность работы. Обработка резанием остается до настоящего времени наиболее предпочтительным процессом для окончательного формирования размеров деталей (несмотря на значительный прогресс в развитии таких технологических методов, как точное литье, штамповка, электрофизическая обработка и т.д.), что обусловлено гибкостью и мобильностью, высокой точностью и качеством обработанного поверхностного слоя, низкой себестоимостью.
В системе мероприятий по совершенствованию процесса резания наиболее действенным звеном является режущий инструмент, так как именно инструмент в значительной мере определяет эффективность использования технических возможностей современных мехатронных систем, оснащенных высокоскоростным оборудованием с дорогостоящим микропроцессорным управлением (ЧПУ и АдСУ), а также сроки их окупаемости. Поэтому в работе рассматривается проблема повышения износостойкости инструментов.
Известно, что износ режущих инструментов может изменяться в широких пределах, протекать по различным механизмам, но во всех случаях он является следствием трения. Для каждой трибосистемы характерно образование на поверхностях трения вторичных структур (ВС), которые представляют собой некоторое «третье» тело, осуществляющее защитные функции, ограничивая распространение взаимодействия внутри трущихся тел.
Образование ВС и изнашивание связаны с превращениями энергии при трении, которые могут рассматриваться с позиций неравновесной термодинамики и самоорганизации. При этом на первый план выступает проблема выбора контактирующих материалов, которые при принятой смазочной среде (или в отсутствии смазки) и заданном режиме трения способны приспосабливаться (адаптироваться) друг к другу в процессе взаимного перемещения, обеспечивая снижение энтропии на поверхностях трения и повышение их износостойкости.
Обзор научно-технической литературы по этой проблеме показал, что в настоящее время в машиностроении еще не нашли заметного применения инструментальные материалы и покрытия с прогнозируемой адаптацией поверх 12 ностей трения (ПАПТ), подразумевая под этим - способность пары трения «инструмент - деталь» в заданных условиях резания приспосабливаться к внешним воздействиям с уменьшением интенсивности изнашивания за счет формирования вторичных структур на контактных поверхностях с минимальным производством энтропии.
Причиной указанного является недостаточная изученность структурно-фазовой адаптации приповерхностных слоев контактирующих инструментальных и обрабатываемых материалов с учетом прохождения неравновесных процессов и взаимодействия необратимых процессов при трении в условиях резания металлов, что затрудняет практическое использование этого явления для повышения износостойкости режущих инструментов. Представленная работа направлена на восполнение этого пробела. В этой связи повышение износостойкости инструментов на основе прогнозируемой адаптации поверхностей трения при резании различных материалов является актуальной научно-технической проблемой.
Выполнение основных разделов данной работы проходило в рамках Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 - 2006 годы», гранта РФФИ (проект № 06-08-00049 на 2006 -2007) и по тематическому плану научно-исследовательских работ по заданию Федерального агентства по образованию для Уфимского государственного авиационного технического университета, а также договоров о творческом сотрудничестве с ЦНИИЧермет (г. Москва), НПЦ «Римет» (г. Москва), университетом «МакМастер» (г. Онтарио, Канада).
Цель работы - повышение износостойкости режущих инструментов на основе разработки с использованием методов неравновесной термодинамики принципов выбора и применения инструментальных материалов и износостойких покрытий с прогнозируемой адаптацией поверхностей трения.
Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие задачи:
1. Изучить термодинамические аспекты структурно-фазовой адаптации поверхностей трения при резании металлов и ее влияние на интенсивность изнашивания режущих инструментов.
2. Разработать методологию комплексной оценки эффективности выбора и применения инструментов и условий резания с прогнозируемой адаптацией поверхностей трения.
3. Исследовать влияние дополнительного легирования инструментальных материалов, а также износостойких покрытий на их способность активной адаптации к внешним физическим воздействиям, триботехнические характеристики рабочей зоны и износ режущего инструмента при точении и фрезеровании различных материалов.
4. Выполнить металлографические исследования очагов изнашивания режущих инструментов, прирезцовой стороны стружки и поверхности резания, с определением составов и свойств, образовавшихся вторичных структур и фаз, их распределение и развитие в различных условиях резания инструментами с прогнозируемой адаптацией поверхностей трения.
5. Разработать и апробировать принципы выбора и применения инструментальных материалов и износостойких покрытий, обеспечивающих прогнозируемую адаптацию поверхностей трения и повышение износостойкости режущих инструментов в заданных условиях резания.
6. Определить возможности использования СОТС (различной вязкости и агрегатного состояния) и переменности элементов режима резания в качестве факторов, способствующих протеканию неравновесных процессов образования вторичных структур (ВС) на поверхностях трения для снижения уровня триботехнических характеристик и изнашивания режущего инструмента.
7. Разработать информационную базу данных по технологическим и триботехническим параметрам (с учетом температуры резания), СОТС и износостойким покрытиям для решения конкретных производственных задач.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Решения задач базируются на известных теоретических положениях и опытных данных термодинамики неравновесных процессов и самоорганизации, теории резания и трибологии, моделировании и многофакторного планирования экспериментов.
Экспериментальные исследования процесса резания (температуры и силы, параметров стружкообразования и изнашивания режущего инструмента) проводились как по стандартным и известным методикам, так и по специально разработанным методикам с учетом переменности элементов режима резания. Металлографические исследования контактировавших при резании поверхностей выполнялись современными физическими методами с привлечением сканирующей электронной микроскопии, вторично ионно-массовой спектрометрии, оже-электронной спектроскопии.
Достоверность и обоснованность теоретических выводов подтверждена многочисленными экспериментальными данными, в том числе полученными лично соискателем. Результаты исследований, выводы и предлагаемые технические решения прошли производственную проверку, внедрены в учебный процесс и подтверждаются патентами на изобретение и полезную модель, свидетельствами об официальной регистрации базы данных, программы для ЭВМ.
На защиту выносятся:
- термодинамическая модель интенсивности изнашивания режущих инструментов, полученная на основе условия устойчивости стационарного состояния с минимальным производством энтропии на фрикционном контакте «инструмент - обрабатываемая деталь»;
- методологические принципы выбора и применения инструментальных материалов и износостойких покрытий, обеспечивающие уменьшение интенсивности изнашивания за счет протекания на поверхностях трения неравновесных процессов образования вторичных структур;
- термодинамические условия образования и выявленные составы ВС на контактных поверхностях пары «инструмент с прогнозируемой адаптацией поверхностей трения - обрабатываемая деталь», обеспечивающие защитные функции и ограничивающие распространение взаимодействия внутри трущихся тел;
- закономерности изменения триботехнических характеристик и ин 15 тенсивности изнашивания инструментов с прогнозируемой адаптацией поверхностей трения при точении, цилиндрическом и торцевом фрезеровании различных материалов в зависимости от метода получения и дополнительного легирования быстрорежущей стали, а также состава и способа нанесения износостойких покрытий;
- использование СОТС (различной вязкости и агрегатного состояния) и переменность элементов режима резания, в качестве факторов, способствующих протеканию на поверхностях трения неравновесных процессов образования ВС и снижающих интенсивность изнашивания режущих инструментов.
Научная новизна работы. Наиболее важными результатами диссертации, обладающими признаками научной новизны, являются:
1. Математическая модель интенсивности изнашивания режущих инструментов, полученная на основе условия устойчивости стационарного состояния с минимальным производством энтропии на фрикционном контакте «инструмент - обрабатываемая деталь».
2. Принципы формирования многослойных покрытий на основе минимизации каждым слоем соответствующих стадий изнашивания режущего инструмента, за счет протекания на поверхностях трения неравновесных процессов образования вторичных структур.
3. Выявленные составы вторичных структур, их распределение и развитие в приповерхностных слоях фрикционного контакта «инструмент - обрабатываемая деталь» в различных условиях процесса резания металлов инструментами с прогнозируемой адаптацией поверхностей трения.
4. Зависимости триботехнических показателей и интенсивности изнашивания режущих инструментов с прогнозируемой адаптацией поверхностей трения от метода получения и дополнительного легирования быстрорежущей стали, а также состава и способа нанесения износостойких покрытий с учетом различных условий обработки металлов резанием.
5. Использование СОТС и переменности элементов режима резания в качестве факторов, способствующих протеканию на поверхностях трения не 16
равновесных процессов образования ВС и снижению уровня триботехниче-ских характеристик и изнашивания режущих инструментов.
Практическая ценность. Практическую ценность представляют:
1. Методология исследования инструментальных материалов и износостойких покрытий с прогнозируемой адаптацией поверхностей трения при различных условия обработки металлов резанием.
2. Установка для исследования адгезионного взаимодействия трибопа-ры, в том числе и при использовании СОТС и износостойких покрытий для режущего инструмента, в широком диапазоне изменения температуры контакта 20 - 1000 °С (патент на полезную модель № 34249 от 27.11.2003 г.).
3. Способ ускоренного определения оптимальных режимов нестационарного резания, позволяющий существенно сократить время на технологическую подготовку производства (ТПП) для станков с ЧПУ и АдСУ (патент на изобретение № 2207935 от 23.07.2001 г.).
4. Информационная база данных по технологическим и триботехниче-ским характеристикам, позволяющая оперативно с помощью компьютерных программ автоматизировать и оптимизировать расчет и выбор СОТС и износостойких покрытий для соответствующей пары «инструмент - деталь» (Свидетельства об официальной регистрации базы данных № 2004620214 от 31.08.04 г. и об официальной регистрации программы для ЭВМ от 31.08.04 г.).
5. Рекомендации по проектированию, созданию и применению инструментальных материалов и многослойных покрытий для режущего инструмента, обеспечивающих прогнозируемую адаптацию поверхностей трения и высокую износостойкость при скоростной обработке.
6. Рекомендации для машиностроительных предприятий по применению СОТС различной кинематической вязкости, «сухого» электростатического охлаждения (СЭО) и разных схем подвода ионизированного воздуха в зону резания.
