Введение к работе
Актуальность темы Повышение работоспособности режущего инструмента является важной задачей металлообработки, связанной с повышением производительности технологических операций и точности изделий. Одним из наиболее эффективных методов повышения работоспособности инструмента путем изменения свойств поверхностных слоев его контактных площадок является ионная имплантация.
Препятствием для широкого применения ионной имплантации в машиностроении служит ряд нерешенных вопросов, связанных с физической сущностью этого процесса и технологией его реализации: практически не изучены явления, происходящие при имплантации в твердосплавный режущий инструмент ионов инертных газов в плазме тлеющего разряда; не вскрыты особенности физических процессов, происходящих в материале инструмента при имплантации; не разработаны научно обоснованные рекомендации по конструкциям установок и режимам имплантации.
В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной изучению физических основ и оптимизации параметров технологического процесса ионной имплантации с целью повышения работоспособности твердосплавного режущего инструмента, является актуальной.
Целью работы является повышение стойкости режущего инструмента путем имплантации в его контактные поверхности ионов инертных газов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
-
Разработаны математические модели, позволяющие оценить влияние режимов имплантации на глубину залегания и изменение концентрации примесных имплантированных атомов, вакансий и собственных межузельных атомов, на глубину залегания и характер распределения остаточных напряжений в поверхностном слое имплантированного инструмента, на температурное поле в режущей пластине при имплантации.
-
Разработаны и реализованы оборудование и технологический процесс ионной имплантации инструмента.
-
Исследовано влияние ионной имплантации на механические свойства и работоспособность режущего инструмента.
-
Выявлены эффективные режимы имплантации инструмента.
-
Разработаны практические рекомендации по технологии имплантации режущего инструмента и использованию этой технологии в производстве.
Методика исследования. Теоретические исследования проводили путем анализа общих закономерностей процессов радиационно-стимулированной диффузии применительно к инструментальным материалам с использованием
аналитических и численных методов расчета температур и напряжений при ионной имплантации. Экспериментальные исследования выполняли по общепринятым и специально разработанным методикам.
Научная новизна.
1. Получены математические зависимости, позволяющие оценить:
глубину залегания и изменение концентрации примесных, имплантированных атомов, вакансий и собственных межузельных атомов;
глубину залегания и характер распределения остаточных напряжений в поверхностном слое имплантированного инструмента.
-
Разработана математическая модель температурного поля в режущей пластине при имплантации.
-
Выявлены закономерности влияния процесса ионной имплантации на механические свойства поверхностного слоя и работоспособность режущего инструмента.
-
Предложен механизм повышения режущих свойств твердосплавного инструмента в результате имплантации в его поверхностные слои ионов инертных газов, в частности, гелия, основанный на упрочнении инструмента и термоде-сорбции ионов гелия из его контактных поверхностей в процессе резания.
Автор защищает: 1. Математические модели, полученные на основе анализа процессов радиационно-стимулированной диффузии, описывающие распределение концентрации точечных дефектов различного типа по глубине поверхностного слоя имплантированного инструмента.
-
Математические модели и типичную картину распределения напряжений в поверхностном слое имплантированного инструмента.
-
Предложения по модернизации серийно выпускаемых установок с целью проведения на них ионной имплантации режущего инструмента.
-
Методику определения оптимальных параметров процесса имплантации и элементов режима резания, основанную на экономических соображениях.
Практическая ценность и промышленная реализация результатов работы. Разработаны предложения по модернизации оборудования и изготовления оснастки для ионной имплантации режущего инструмента. Разработаны методика определения оптимальных параметров процесса имплантации и практические рекомендации по технологии ионной имплантации режущего инструмента.
Основные теоретические положения диссертации сформулированы в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы "Разработка теоретических основ и исследование физики процесса модификации поверхностных слоев конструкционных и инструментальных материалов при облучении заряженными частицами", а также выполненной по заказу АО "АвтоВАЗ" научно-
исследовательской работы "Теоретико-экспериментальное исследование и разработка рекомендаций по применению метода ионной имплантации поверхностных слоев деталей автомобиля, как средства повышения их эксплуатационных характеристик". Проведены работы по теме "Интенсификация процесса резания конструкционных и нержавеющих сталей путем ионного легирования инструментальных материалов", результаты внедрены на АО "Азотреммаш" - крупном отраслевом предприятии химического машиностроения. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Резание, станки и инструменты» Толь-яттинского политехнического института.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены на международной научно-технической конференции (НТК) "Технология-96", Новгород, 1996; IX Российской НТК "Теплофизика технологических процессов", Рыбинск, 1996; юбилейной НТК, Тольятти, 1997 и других конференциях, на объединенных заседаниях технологических кафедр Тольяттинского политехнического института, 1996,1998.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 научных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций по работе, списка литературы (160 наименований) и приложений, включает 113 страниц машинописного текста, 1 таблицу и 49 рисунков.