Повышение эффективности лезвийной обработки деталей машин путем применения режущих инструментов и условий резания с высокими способностями к самоорганизации Мигранов, Марс Шарифуллович

Введение к работе

Актуальность работы. Обработка резанием остается до настоящего времени наиболее предпочтительным процессом для окончательного формирования размеров деталей и их качества (несмотря на значительный прогресс в развитии таких технологических методов, как точное литье, штамповка, электрофизическая обработка и т.д.), что обусловлено гибкостью и мобильностью обработки резанием, 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 полноту использования технических возможностей современных мехатронных систем, оснащенных высокоскоростным оборудованием с дорогостоящим микропроцессорным управлением (ЧПУ и АдСУ), а также сроки их окупаемости. Поэтому основным направлением в данной работе выбрано совершенствование режущих инструментов. Как показал обзор научно-технической литературы по интенсификации лезвийной обработки, в настоящее время в машиностроении еще не нашли широкого применения инструментальные материалы и износостойкие покрытия с программируемыми свойствами самоорганизации, которые с учетом условий резания (управляемой переменности элементов режима резания, СОТС и др.) позволяют повысить износостойкость инструмента за счет образования на поверхностях контакта вторичных фаз и структур при резании металлов.

Произошло это из-за недостаточной изученности вопросов, связанных со структурно - фазовой самоорганизацией приповерхностных слоев на подвижном фрикционном контакте «инструмент - деталь», что затрудняет практическое использование этого явления для решения конкретных технологических задач. Представленная работа направлена на восполнение этого пробела, что и определяет ее актуальность.

Выполнение основных разделов данной работы проходило в рамках Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 - 2006 годы» и по планам госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ Уфимского государственного авиационного технического университета, а также договоров о творческом сотрудничестве с НИИЧермет (г. Москва), НПЦ «Римет» (г. Москва), университетом «Мак-Мастер» (г. Онтарио, Канада).

Цель работы - повышение эффективности работы лезвийных режущих инструментов на основе установлейнШ^ 'Дашнимеиноетей направленного

і БИБЛИОТЕКА I

влияния на процесс резания дополнительного легирования быстрорежущих сталей, обоснованного выбора химического и структурно-фазового составов твердых покрытий, технологических режимов и сред с программируемыми свойствами самоорганизации при трении.

Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие задачи:

1. Получить математическую модель изнашивания лезвийных инструментов и на ее основе определить пути снижения износа с учетом свойств инструментальных материалов, наличия на инструменте износостойких покрытий, применения СОТС и переменности элементов режима резания.

2. Разработать методологию комплексной оценки эффективности выбора и применения инструментов и условий резания с программируемыми і свойствами самоорганизации при трении.

3. Исследовать влияние дополнительного легирования инструментальных материалов, а также химического и структурно-фазового составов самоорганизующихся износостойких покрытий на их способность активной адаптации к внешним физическим воздействиям, триботехнические характеристики рабочей зоны и износ режущего инструмента при точении и фрезеровании в различных условиях резания металлов.

4. Выполнить металлографические исследования изношенных поверхностей режущих инструментов, прирезцовой стороны стружки и поверхности резания на обрабатываемой заготовке и определить составы и свойства, образовавшихся на них вторичных фаз, их распределение и развитие в различных условиях процесса резания инструментами с программируемой самоорганизацией.

5. На основании совместного анализа результатов п.п. 3 и 4 разработать и апробировать концепции дополнительного легирования быстрорежущих сталей, выбора химического и структурно-фазового составов самоорганизующихся износостойких покрытий, обеспечивающих повышение износостойкости режущих инструментов в заданных условиях процесса резания.

6. Разработать и экспериментально испытать принципы формирования многослойных покрытий с высокой способностью самоорганизации, каждый слой которых для достижения высокой износостойкости минимизирует соответствующие стадии изнашивания режущего инструмента.

7. Определить возможности использования СОТС (различной вязкости и агрегатного состояния) и переменности элементов режима резания в качестве факторов для снижения уровня триботехнических характеристик самоорганизации и изнашивания режущего инструмента.

8. Разработать информационную базу данных по технологическим и триботехническим параметрам, СОТС, износостойким покрытиям, благоприятных и неблагоприятных температурах резания.

9. Выполнить исследования по внедрению разработанных рекомендаций для решения конкретных технических, технологических и 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, теории резания, трибологии, механики и теплофизики процесса резания, математической теории оптимальных процессов и управления, моделирования и многофакторного планирования экспериментов и статистики (минимизация функций, стохастическая аппроксимация и др.).

Экспериментальные исследования процесса резания (температуры и силы, параметров стружкообразования и изнашивания режущего инструмента) проводились как по стандартным или 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 растровой и сканирующей электронной микроскопии, вторично ион-но-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:

математическая модель изнашивания лезвийных инструментов, позволяющая определить пути уменьшения износа за счет снижения уровня триботехнических характеристик и увеличения интервала структурно-фазовой самоорганизации (эффекта экранирования) приповерхностных слоев фрикционного контакта «инструмент - обрабатываемая деталь» (с учетом заданных условий резания);

методология определения и исследования триботехнических характеристик и экранирующего эффекта вторичных фаз, образовавшихся на контактных поверхностях фрикционной пары «инструмент - обрабатываемая де-

таль» в результате самоорганизации при трении в различных условиях резания металлов;

выявленные фазовые составы вторичных структур, их распределение и развитие в приповерхностных слоях фрикционного контакта «инструмент - обрабатываемая деталь», образованные в различных условиях процесса резания металлов инструментами с программируемой самоорганизацией при трении;

концепции дополнительного легирования быстрорежущих сталей и выбора химического и структурно-фазового составов самоорганизующихся износостойких покрытий на инструменте, обеспечивающие при резании металлов в различных условиях прогнозируемое образование вторичных фаз, обладающих повышенной термостойкостью и прочностью, низким коэффициентом трения;

принцип формирования многослойных покрытий с программируемой самоорганизацией на поверхностях трения при резании металлов, каждый слой которых для достижения наиболее высокой износостойкости минимизирует соответствующие стадии изнашивания режущего инструмента;

зависимости триботехнических Показателей и интенсивности износа режущих инструментов при точении, цилиндрическом и торцевом фрезеровании различных материалов от метода получения и дополнительного легирования быстрорежущей стали, а также состава и способа нанесения износостойких покрытий (с учетом режимов резания и применения СОТС);

возможности использования СОТС и переменности элементов режима резания в качестве факторов снижения уровня триботехнических характеристик самоорганизации и изнашивания режущих инструментов;

информационная база данных, позволяющая применительно к лезвийной обработке металлов определять благоприятные и неблагоприятные по износостойкости инструмента зоны режимов резания с учетом применяемых инструментальных материалов, износостойких покрытий и СОТС.

Научная новизна работы. Наиболее важными результатами диссертации, обладающими признаками научной новизны, являются:

1. Математическая модель для расчета изнашивания режущего инструмента, учитывающая температурные зависимости коэффициента трения и физико-механических свойств приповерхностных слоев фрикционного контакта «инструмент - обрабатываемая деталь», применение покрытий и СОТС, а также характер режима резания.

2. Критерии оценки эффективности структурно-фазовой самоорганизации при трении в условиях резания металлов (по уровню триботехнических характеристик и интервалу - экранирующему фактору - самоорганизации),

на основе которых разработана методология исследования инструментальных материалов и твердых покрытий с профаммируемыми свойствами самоорганизации.

3. Условия образования и развития вторичных фаз на контактных поверхностях пары трения «инструмент - обрабатываемая деталь» в результате самоорганизации при резании и предложены концепции дополнительного легирования быстрорежущих сталей и выбора химического и структурно - фазового составов твердых покрытий с профаммируемыми свойствами самоорганизации, повышающие износостойкость режущих инструментов (с учетом заданных условий резания).

4. Вклады триботехнической и экранирующей составляющих в эффективность образования вторичных фаз в зоне контакта «инструмент - обрабатываемая деталь» (при различных условиях резания), что позволило обосновать принцип формирования многослойных покрытий с профаммируемыми свойствами самоорганизации, каждый слой которых для достижения наибольшего эффекта по износостойкости минимизирует соответствующие стадии изнашивания режущего инструмента.

5. Принципы формирования многослойных покрытий с профаммируемыми свойствами самоорганизации при трении, каждый слой которых для достижения высокой износостойкости минимизирует соответствующие стадии изнашивания режущего инструмента.

Практическая ценность. Практическую ценность представляют:

1. Методология исследования инструментальных материалов и износостойких покрытий с профаммируемыми свойствами самоорганизации при трении в условиях резания металлов.

2. Установка для исследования адгезионного взаимодействия, позволяющая определять трибологические свойства и работоспособность 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. Методика проведения экспериментальных исследований нестационарного резания на станках с ЧПУ на основе разработанных управляющих про-фамм, охватывающая большую часть возможных видов нестационарностей.

4. Способ ускоренного определения оптимальных режимов нестационарного резания, позволяющий существенно сократить время на технологическую подготовку производства (ТПП) для станков с ЧПУ и АдСУ и обеспечить форсирование обработки по физическим параметрам процесса резания (патент на изобретение № 2207935 от 23.07.2001 г.).

5. 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.)

6. Рекомендации для производителей режущих инструментов по проектированию и созданию инструментальных материалов и многослойных покрытий для режущего инструмента с эффектом самоорганизации при трении, обеспечивающих высокую износостойкость при скоростной обработке металлов резанием.

7. Рекомендации для машиностроительных предприятий по применению предложенных режущих инструментов и условий резания с высокой способностью самоорганизации при трении.

8. Методика расчета технико-экономических показателей эффективности лезвийной обработки в условиях нестационарного резания.

9. Рекомендации для машиностроительных предприятий по применению СОЖ различной кинематической вязкости, «сухого» электростатического охлаждения (СЭО) и разных схем подвода ионизированного воздуха в зону резания

Реализация результатов работы. Выполненные разработки внедрены:

в Уфимском инструментальном заводе при ОАО «УМПО» (г. Уфа); ФГУП УАП «Гидравлика» (г. Уфа); ОАО «Салаватгидромаш» (г. Салават); ОАО НИИТ (г. Уфа); ОАО Туймазинский завод автобетоновозов (г. Туйма-зы), ФГУП «Миасский машиностроительный завод» (г. Миасс), ОАО «Стер-литамак - М.Т.Е.» (г. Стерлитамак) и др.

в учебный процесс Уфимского государственного авиационного технического университета в виде учебного пособия и учебно-методических указаний при подготовке инженеров.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на 6 международных, 3 всесоюзных, 7 всероссийских и 4 зональных научно-технических симпозиумах и конференциях за период с 1986 по 2005 гг. в городах Москве, Санкт-Петербурге, Брянске, Владимире, Днепропетровске, Иваново, Казани, Краматорске, Новочеркасске, Омске, Перми, Рыбинске, Самаре, Саратове, Ставрополе, Уфе, Твери, Томске, Туле, Сан-Диего (США).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 124 печатные работы, в том числе монография в издательстве «Машиностроение», учебное пособие с грифом УМО в издательстве МАИ (г. Москва), 18 статей в научных журналах и сборниках из перечня изданий, рекомендованных ВАКом РФ, 2 патента

на изобретение и полезную модель, 3 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ и одно свидетельство об официальной регистрации базы данных «Информационная база данных по триботехническим характеристикам в машиностроении».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения в виде основных выводов и результатов работы, списка литературы и приложений. Она содержит 339 страницы машинописного текста и 262 наименований использованной литературы, акты внедрения и другие документы. Общий объем диссертации вместе с приложениями составляет 433 страниц машинописного текста, содержит 120 иллюстраций и 30 таблиц.