Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса по проблеме повышения надежности режущего инструмента с износостойким покры тием. цели и задачи исследования 14
1.1. Основные тенденции совершенствования инструментальных материалов 16
1.2. Анализ методов поверхностной модификации свойств инструментальных материалов 35
1.3. Анализ методов повышения надежности режущего инструмента нанесением износостойких покрытий 48
1.4. Анализ современные теорий изнашивания режущего инструмента с покрытием и повышения его надежности 60
1.5. Критический анализ результатов литературного обзора. Постановка задач исследования 66
2. Разработка принципов комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки на основе анализа природы отказов режущего инструмента 71
2.1. Формулирование концептуальных научных принципов комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки режущего инструмента 71
2.2. Разработка основных принципов и методики комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки 88
2.3. Анализ некоторых особенностей формирования и эксплуатации износостойкого комплекса 104
3. Разработка оборудования и технологии комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки режущего инструмента 119
3.1. Анализ основных особенностей процесса ионно-плазменного осаждения покрытий на установках с электродуговыми источниками плазмы 119
3.2. Разработка оборудования для комплексной ионно-плазменной обработки режущего инструмента 130
3.2.1. Физические принципы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда (ДВДР) 131
3.2.2. Экспериментальное исследование параметров газовой ступени ДВДР 137
3.2.3. Разработка оборудования для комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки инструмента с применением газовой ступени ДВДР 151
3.2.4. Разработка планарного электродугового источника плазмы для установок КИПО режущего инструмента 153
3.3. Разработка технологии и оборудования для комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки режущего инструмента, совмещающего пленарный злектродуговой испаритель и ДВДР 165
3.3.1. Разработка износостойких комплексов для КИПО режущего инструмента 179
3.3.2. Методика формирования износостойких комплексов и оценки их свойств 186
3.3.3. Разработка технологических условий синтеза износостойкого комплекса, формируемого методом КИПО 194
3.3.4. Исследование влияния технологических параметров процесса азотирования на характеристики диффузионного термостабильного слоя и работоспособность инструмента 199
3.3.5. Влияние параметров процесса азотирования на структурные характеристики Р6М5 213
3.4. Исследование свойств инструментальных материалов с износостойкими комплексами, формируемыми методами КИПО 238
выводы по главе 249
4. Исследование влияния процесса комплексной йонно-плазменной поверхностной обработки режущего инструмента на характеристики резания и его отказы 251
4.1. Методика исследования характеристик процесса резания и изнашивания иструмента, подвергнутого КИПО ...251
4.2. Результаты исследований контактных процессов и параметров стружкообразования 263
4.3. Исследование теплового состояния инструмента с ИК, формируемым методами КИПО 280
4.4. Исследование механизма изнашивания и разрушения режущего инструмента с различными вариантами КИПО 293
4.4.1. Изнашивание инструмента из быстрорежущей стали, с различными вариантами КИПО 293
4.4.2. Изнашивание твердосплавного инструмента с различными вариантами КИПО 313
Выводы по главе 337
5. Исследование надежности режущего инструмента с износостойкими комплексами, формируемыми методами кипо 338
5.1. Методика исследований 338
5.2. Надежность инструмента из быстрорежущей стали с И К (КИПО) 340
5.2.1. Надежность протяжек с ИК (КИПО) 343
5.2.2. Надежность сверл с ИК (КИПО) 361
5.2.3. Надежность зуборезного инструмента из быстрорежущей стали сИК(КИПО) 369
'5.3. Исследование надежности твердосплавного инструмента с ИК (КИПО) 382
5.3.1. Надежность твердосплавных резьбовых пластин с ИК (КИПО) 387
5.3.2. Надежность твердосплавных пластин с ИК (КИПО) для тяжелых операций механической обработки 395
5.4. Надежность режущего инструмента из режущей керамики с ИС(КИПО) 405
5.5. Разработка методики оптимизации условий применения режущего инструмента с ИК (КИПО) 414
5.5.1. Обоснование и выбор математической модели 417
5.5.2. Разработка математических моделей резания инструмента с ИК(КТПО) 418
Выводы по главе 427
Общие выводы 429
Список использованной литературы 433
Приложения 448
- Анализ методов поверхностной модификации свойств инструментальных материалов
- Разработка основных принципов и методики комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки
- Разработка оборудования для комплексной ионно-плазменной обработки режущего инструмента
- Исследование теплового состояния инструмента с ИК, формируемым методами КИПО
Введение к работе
Современное автоматизированное машиностроительное производство все в большей степени использует ресурсосберегающие, экологически чистые технологии, позволяющие не только увеличивать производительность обработки резанием, но и обеспечивать высокую гибкость производственных процессов. В механообрабатывающем производстве все в большей степени проявляются тенденции отказа от применения высокотоксичных жидких, газовых и твердых технологических сред, в значительной степени способствующих загрязнению окружающей среды. Вместе с тем широкое применение высокопроизводительного, дорогостоящего автоматизированного станочного оборудования требует интенсификации процессов обработки резанием, что приводит к резкому увеличению термомеханических нагрузок на инструмент, станок и обрабатываемую поверхность заготовки. В этой связи надежность режущего инструмента, его возможности интенсифицировать процесс резания при отсутствии смазочно-охлаждающих эффектов технологических сред определяют способность механообрабатывающего производства функционировать при оптимальных экономических показателях.
Повышение надежности и режущих свойств инструмента в мировой практике связано с разработкой новых композиций инструментальных материалов повышенной износостойкости и прочности, применением новых конструкций режущей части инструмента с оптимальным сочетанием геометрических параметров, надежными методами крепления режущих элементов и эффективными устройствами для дробления и ломания стружки. Все большее применение получают методы поверхностной модификации свойств инструментального материала: механические, физические и физико-химические методы упрочнения, химико-термическая обработка. Однако применение традиционных методов создания новых марок инструментальных материалов все более ограниченно из-за дефицитности рядя элементов, традиционно применяемых для этих целей, а использование механических, физических и
химико-термических методов не нашло широкого промышленного использования вследствие низкой избирательной способности поверхностного воздействия на структуры инструментального материала.
Для повышения надежности режущего инструмента все большее промышленное применение, особенно в условиях резания без применения смазочно-охлаждающих технологических сред, находят методы нанесения износостойких покрытий. Такие методы позволяют создать принципиально новый инструментальный материал композиционного типа с оптимальным сочетанием свойств поверхностного слоя и свойств, проявляющихся в объеме геометрического тела инструмента.
Выбор состава, свойств и оптимизация условий получения износостойких покрытий для повышения режущих свойств и надежности инструмента требуют детального изучения физико-химических и механических процессов, определяющих характер и закономерности отказов режущего инструмента. Свойства композиции "покрытие-инструментальный материал" могут заметно отличаться от свойств исходного инструментального материала, а эксплуатация такого инструмента приводит к заметной трансформации процессов, влияющих на отказы режущего инструмента. Указанное относится, например, к контактным характеристикам процесса резания. В частности, покрытие заметно снижает работу трения на контактных площадках передней и задней поверхностей инструмента, при этом повышается вероятность роста нормальных контактных напряжений особенно со стороны передней поверхности при сохранении контактных напряжений со стороны задней поверхности и касательных напряжений со стороны передней поверхности. Это резко увеличивает вероятность снижения пластической прочности режущего инструмента, может являться причиной потери пластической формоустойчивости режущей части инструмента и последующего вязкого (пластического) разрушения последней. В этой связи многие отечественные и зарубежные исследователи трибологических систем "инструментальный материал с покрытием - обрабатываемый материал" отмечают повышенную склонность к потере формоустойчивости режущего
инструмента с различными покрытиями. Особенно указанная тенденция возрастает при резании с повышенными сечениями среза (черновые операции резания) и резании труднообрабатываемых материалов т.е. при обработке с повышенным уровнем термомеханического нагружения режущей части инструмента.
Таким образом, при разработке новых типов износостойких покрытий для режущего инструмента с целью повышения его надежности и увеличения эффективности обработки резанием следует учитывать не только состав, свойства и условия получения покрытий, но необходима разработка методики и принципов увеличения сопротивляемости инструментального материала (субстрата) пластическому разрушению в условиях повышенных термомеханических нагрузок, возникающих при резании инструментом с покрытием, с целью компенсации возрастающих нормальных контактных напряжений со стороны передней поверхности инструмента .
В настоящей работе рассмотрена проблема повышения надежности режущего инструмента с износостойким покрытием на основе изучения сложной физической природы его отказов.
Результаты анализа природы отказов инструмента с покрытием были
использованы для разработки принципов, методики, оборудования и технологии
нового метода комплексного воздействия на поверхностные свойства
инструментального материала. Такое воздействие было названо комплексной
ионно-плазменной поверхностной обработкой режущего инструмента.
Комплексная поверхностная обработка инструментального материала позволяет
формировать на рабочих поверхностях инструмента не только износостойкие
покрытия различного состава и конструкции, но и получать диффузионный
термостабильный слой, который дает возможность сдемпфировать
возрастающие нормальные напряжения и скомпенсировать повышенные температурные нагрузки.
Широкие промышленные испытания режущего инструмента с покрытием, выполненные в России и за рубежом, показали, что при эксплуатации такого
инструмента наблюдаются различные виды разрушения покрытия за период времени, который составляет лишь незначительную часть времени до полного отказа инструмента. Указанное особенно характерно для таких операций обработки резанием как фрезерование, зубодолбление, черновое точение, обработка материалов с пониженными технологическими свойствами по обрабатываемости (труднообрабатываемые материалы). Анализ причин такого разрушения покрытий показал, что среди большого числа факторов, инициирующих такое разрушение, наиболее значимые связаны с технологическими несовершенствами процессов нанесения покрытий, недостаточной адгезионной прочностью между покрытием и инструментальным материалом, неравномерностью толщины и качественных характеристик покрытия на различных участках режущей части инструмента и т.д. Поэтому среди комплекса задач, решаемых в настоящей работе, большое внимание было уделено задачам повышения прочности адгезии между покрытием и инструментальным материалом и обеспечения равномерности нанесения покрытия особенно на сложнопрофильный и длинномерный инструмент из быстрорежущей стали.
Следует отметить, что в настоящее время в механообрабатывающем производстве все шире используют режущий инструмент с механическим креплением многогранных пластин из различных типов инструментальных материалов с износостойкими покрытиями. Аналогичная тенденция проявляется и в промышленности России, однако широкое внедрение сборного режущего инструмента в России самым серьезным образом замедляется из-за отсутствия надежной отечественной технологии и современного оборудования, соответствующего лучшим мировым стандартам.
В начале 70-х годов в бывшем СССР были созданы оборудование и технология ионно-плазменно-дугового нанесения покрытий (технология КИБ) на различные типы быстрорежущего инструмента .
Технология КИБ получила мировое признание и достаточно успешно используется в мировой практике (ark-PVD) благодаря лицензионной продаже
технологии и оборудования КИБ фирме Malti-Ark Vacuum Sistems (США) в 1979 году. В настоящее время оборудование для реализации технологии КИБ, которая базируется на нитридотитановых покрытиях безнадежно устарела и требует соответствующего развития. Закупленное в конце 70-х и в начале 80-х годов технология и оборудование для нанесения покрытий на твердосплавные многогранные пластины у зарубежных фирм "Sandvik Coromanf Швеция (технология GC для получения покрытий типа ТІС) и "Planzee Werke" Австрия (технология GM для получения покрытий типа TiC-TiCN-TiN) также устарели, а работающее 10-15 лет оборудование пришло практически в неработоспособное состояние. Организованный на совместном предприятии "МКТС-Хертель" выпуск пластин с современными типами многослойных покрытий не может удовлетворить потребности механообрабатывающего производства России. Особенно следует отметить, что технологии GC, GM, а также фирмы "МКТС-Хертель" являются "супергрязными", так как прямоточные процессы, реализуемые в установках, используют химическое осаждение покрытий из парогазовой фазы (ХОП-CVD), что приводит к образованию большого количества вредных (токсичных) отходов термохимических реакций, что в свою очередь требует создания специальных производств для их утилизации. Кроме того технология ХОМ требует применения взрывоопасного газа-восстановителя (водорода) и позволяет наносить покрытие только на теплостойкие танталосодержащие твердые сплавы. Наконец, применение любых технологий, основанных на химическом осаждении покрытий из парогазовой фазы (ХОП-CVD) и реализуемых при повышенных температурах порядка 1050-1100 С приводит к снижению прочности при изгибе, вязкости и трещиностойкости твердого сплава на 30 - 40 %, что офаничивает применение инструмента из подобных сплавов для прерывистых операций резания, а также резания труднообрабатываемых материалов.
Поэтому в настоящей работе рассмотрена еще одна актуальная задача, связанная с разработкой конкурентноспособного отечественного оборудования для нанесения покрытий и комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки различных типов режущего инструмента из быстрорежущих сталей и
твердого сплава при использовании экологически чистой ионно-плазменной дуговой технологии. В соответствии с целью работы сформулированы основные задачи исследования, для решения которых разработаны научные принципы и методика формирования "износостойких комплексов" на субстратах из различных инструментальных материалов. Износостойкие комплексы состоят из зоны, обеспечивающей максимальную сопротивляемость микроразрушению (поверхностному изнашиванию) и зоны (объема), сопротивляемость хрупкому и пластическому разрушению режущей части инструмента. Оптимизация технологии получения и параметров износостойкого комплекса, формируемого на рабочих поверхностях инструмента в процессе реализации комплексной ионно-плазменной обработки, позволило изготовить партии различных типов режущего инструмента и произвести их аттестацию по результатам лабораторных и промышленных испытаний как в России ,так за рубежом (Германия, Япония, Южная Корея, Турция и др.). Эти испытания подтвердили высокую эффективность инструмента с комплексной ионно-плазменной обработкой в сравнении с соответствующими показателями инструмента с износостойкими покрытиями и химико-термической обработкой.
Исследование контактных процессов, различных параметров функционирования резания и стружкообразования, кинетики изнашивания и работоспособности различных типов режущего инструмента с различными составами износостойких комплексов подтвердили правомерность разработанных научных принципов, методики, оборудования и технологии комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки режущего инструмента.
Для автоматизированного расчета оптимальных параметров режимов
резания и оценки эффективной области применения режущего инструмента с
разработанными вариантами износостойких комплексов созданы
математические модели и программы расчета на ПЭВМ.
Таким образом, в настоящей работе рассмотрен комплекс вопросов, относящихся к проблеме повышения надежности режущего инструмента
различного назначения путем его комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки и рациональной эксплуатации для широкого диапазона изменения условий обработки (точение, сверление, резьбонарезание, зубофрезерование, протягивание)
Результаты этих исследований позволяют:
установить оптимальные значения параметров износостойкого комплекса для режущего инструмента различного назначения;
определить экономически целесообразные режимы резания различных материалов инструментом с рекомендованными составами износостойких комплексов;
разработать оборудование для реализации технологии комплексной ионно-плазменной обработки инструмента различного назначения;
разработать технологические условия (ТУ) на производство инструмента с комплексной ионно-плазменной поверхностной обработкой.
Методические положения, оборудование и технология комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки, алгоритмы и профаммы расчетов экономически целесообразных режимов резания на многоцелевых обрабатывающих модулях и станках с ЧПУ используются на АООТ "Московский инструментальный завод", НПП "НОВАТЕХ", при проведении учебного процесса в МГГУ "СТАНКИН".
Основные положения работы использованы при выполнении отечественных и международных проектов:
в рамках государственной научно-технической профаммы Технологии, машины и производство будущего", государственной профаммы "Конверсия";
международным профаммам сотрудничества между МГГУ "СТАНКИН", Берлинским (институт IWF) и Стамбульским (факультет металлургии и химии) техническим университетами;
международной профамме "NOVKIMM-94" с институтом машиностроения и металлов г.Чангвон .Южная Корея;
по государственным заказам Министерства науки РФ NN 646Ф от
2182Ф от 7.08.92, 3110Ф от 28.09.92, 4061Ф от 7.12.92, 0117ф от
1117Ф от 8.04.93, 2901Ф от 23.09.93, 1644Ф от 10.05.94, 3541Ф от 2.08.94, 4916Ф от 10.10.94, 0952Ф от 17.03.95 и др.;
международной программе "NATO SCIENS FOR STABILITI
PROGRAMME ИГ (Турция, Бельгия, Германия, Россия).
На защиту выносятся:
научная концепция и методика модификации свойств инструментальных материалов путем комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки с целью повышения надежности инструмента различного назначения;
технология и оборудование для реализации метода комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки инструмента различного назначения;
математические модели резания для широкой гаммы инструмента с комплексной ионно-плазменной поверхностной обработкой.
Работа выполнена в Московском государственном технологическом университете "СТАНКИН" и НПП "НОВАТЕХ" при научной консультации заведующего кафедрой "Резание материалов" доктора технических наук, профессора, лауреата Государственной премии СССР Верещака Анатолия Степановича.
Настоящая работа является продолжением многолетних исследований, выполняемых кафедрой "Резание материалов" МГТУ "СТАНКИН" в области модификации поверхностных свойств инструментальных материалов путем нанесения износостойких покрытий и ионно-плазменной поверхностной обработки.
Автор считает своим долгом выразить благодарность научному консультанту, профессору Верещака А.С., профессору Синопальникову ВА, доценту Власову В.И., сотрудникам ФТИ АН Украины к.ф.м.н. Саблеву Л.П. и к.ф.м.н. Андрееву А.А. за помощь и советы при выполнении настоящей работы.
Принятые сокращения: КИПО - комплексная ионно-плазменная поверхностная обработка; РИ - режущий инструмент; ИМ - инструментальный
материал, ИК - износостойкий комплекс, ОМ - обрабатываемый материал, ДТС -диффузионный термостабильный слой, АП - адгезионный подслой, ИС -износостойкий слой, ДВДР - двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд, БРС -быстрорежущая сталь, РКИ - режущий клин инструмента.
Анализ методов поверхностной модификации свойств инструментальных материалов
Анализ основных методов, применяемых для поверхностной модификации свойств инструментальных материалов с целью повышения режущих свойств и надежности инструмента можно классифицировать на 4 основные группы по энергозатратам на процесс и времени воздействия (рис.15). К первой фуппе можно отнести методы механического упрочнения -вибрационное, дробеструйное, взрывом и т.д. Эту группу характеризует минимальная плотность мощности воздействия (до 104 Вт/см2) при достаточно высоких уровне удельной энергии воздействия 10е Вт/см2 и времени воздействия, которое варьируется от 30 мин до 10"1 с. Ко второй фуппе отнесены методы химико-термического упрочнения (обработки) ХТО - азотирование, цементация, карбонитрация, оксидирование, борирование в том числе и твердых средах, а также газовое ХТО, стимулированное электрическим газовым разрядом. Для этой группы методов характерно среднее значение плотности энергии (105 - 107 Вт/см2) при уровне удельной энергии 103-105 Дж/см2. Для третьей группы методов (электромагнитное, магнитно-импульсное и ультразвуковое упрочнение) характерен высокий уровень энергии воздействия до 106 Дж/см2 при плотности энергии до 106 Дж/см2. К четвертой группе отнесены методы физического и физико-химического упрочнения - лазерная обработка, ионная имплантация, которые характеризуются максимальной плотностью энергии до 10s Вт/см2 при достаточно высоком уровне удельной энергии до 10е- 10е Дж/см2. Согласно принципам термодинамики, степень упрочнения инструментального материала определяется уровнем приращения внутренней энергии, которая зависит от степени поглощения части энергии, подводимой к поверхности.
В соответствии с первым законом термодинамики, процесс деформации твердого тела можно представить соотношением где A Ue - приращение скрытой энергии тела; Q - тепловой эффект, связанный с деформацией; W - затрачиваемая (подводимая) энергия. Значение скрытой энергии деформирования, накопленной ("запасенной") в приповерхностных слоях материала в результате энергетического воздействия, сильно зависит от свойств поверхности и кристаллохимического строения инструментального материала, так как физически характеризует изменение энергии магнитных связей в пределах упрочняемого объема. В настоящее время выполнен достаточно обширный объем исследований, посвященных разработке методов поверхностной модификации свойств инструментального материала с целью улучшения его свойств /29-39/. Классификация методов поверхностной модификации свойств по принципам и эффектам показана на рис. 1.6. Большое число исследований посвящено методам механического упрочнения инструментальных сталей путем поверхностного пластического деформирования (ППД) рабочих поверхностей инструмента. В частности используют ППД инструмента из быстрорежущих сталей /30,38,39/, твердого сплава /30,37-38/. Для ППД инструмента из быстрорежущей стали используют обкатку роликами, дробеструйную обработку /34/ и гидродробеструйное упрочнение /39/.
Исследованы методы упрочнения инструмента из быстрорежущей стали путем обкатки упрочняющими шарами, ультразвуковым обкатыванием, алмазным выглаживанием, обработкой металлическими упрочняющими щетками, алмазным выглаживанием /33, 34/. Этими работами показана возможность повышения стойкости различного инструмента из быстрорежущей стали до 1,3-1,5 раз, что вполне соизмеримо с разбросами стойкости быстрорежущего инструмента для различных технологических операций резания. Для механического упрочнения инструмента из твердого сплава с целью повышения его надежности и режущих свойств также предложена гамма методов /29, 33-34, 37-39/, имеющих близкие параметры технологических процессов, механизмы формирования упрочняемого поверхностного слоя и повышения надежности инструмента. Заметными преимуществами по сравнению с упрочнением дробеструйным наклепом /38/ и взрывным упрочнением /29/ обладают методы универсальной виброабразивной обработки, разработанные в Краматорском индустриальном институте под руководством профессора Л.Г.Хаета /37,38/. Методы виброабразивной обработки, реализуемые в специальной установке, используют эффекты микроударного воздействия частицами наполнителя по рабочим поверхностям инструмента, который свободно загружается в вибробункер. Оптимизация условий обработки, в результате которых обеспечивается заданное изменение формы и микрорельефа лезвия, повышается степень наклепа поверхности без микроразрушений, позволяет на 40-60% повысить надежность твердосплавных пластин за счет роста их гамма-процентной стойкости Т 0,9
Разработка основных принципов и методики комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки
Исходя из проведенного анализа причин сравнительно низкой эффективности инструмента с покрытием, природы отказов режущего инструмента и сформулированных гипотез исследования, предлагается принципиальная схема конструкции инструментального материала с универсальной способностью сопротивляться изнашиванию и одновременно, обладающего повышенной сопротивляемостью пластическому (вязкому) разрушению (рис.2.5). В соответствии с принципиальной схемой рис.2.5, ИМ в пределах геометрического тела режущего клина инструмента разделяется на зону ответственную за поверхностное изнашивание контактных площадок инструмента (абразивное, адгезионно-усталостное, коррозионно-окислительное, С диффузионное), и зону II, обеспечивающую функционирование зоны І в оптимальных условиях за счет повышения сопротивляемости режущего клина инструмента пластическому разрушению.
Совокупность зон I и II в режущей части инструмента составляет износостойкий комплекс (ИК). Зона II, формируемая непосредственно в приповерхностных слоях инструментального материала, имеет чрезвычайно важную функцию по повышению жесткости субстрата, снижению вероятности пластического формоизменения (разрушения) режущей части инструмента в процессе его эксплуатации. В этом отношении зона II непосредственно создает более благоприятные условия работы зоны I, обладающей повышенной твердостью, теплостойкостью и износостойкостью, а, следовательно, и значительно большей хрупкостью по сравнению с соответствующими характеристиками исходного ИМ. Зона I, непосредственно контактирующая с обрабатываемым материалом, также выполняет важную функцию повышения износостойкости контактных площадок инструмента за счет роста твердости (повышение сопротивляемости абразивному истиранию); снижения адгезионной активности и увеличения температурного порога начала схватывания между ИМ и ОМ (повышение устойчивости против адгезионного и адгезионно-усталостного изнашивания), повышения сопротивляемости ИМ высокотемпературным коррозионно окислительным процессам, снижения диффузионной активности ИМ особенно при повышенных температурах (повышение сопротивляемости контактных площадок инструмента коррозионно-окислительному и диффузионному изнашиванию). С учетом достижений ионно-плазменной технологии формирование инструментального материала, имеющего сложнокомпозиционную конструкцию (зоны I и II, основной ИМ), предполагается осуществлять путем разработки концепции, методики комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки режущего инструмента различного назначения и соответствующего создания оборудования и технологии для ее реализации.
Предлагается зону I формировать путем нанесения износостойких покрытий многослойно-композиционного типа методами конденсации вещества в вакууме с предварительной ионной бомбардировкой (вакуумно-дуговой метод КИБ, arc-PVD), а создание зоны II осуществлять методом ионной химико-термической обработки с использованием дуговых источников плазмы. Такой подход позволяет концептуально решить вопрос создания инструментального материала сложнокомпозиционного типа в единой технологической установке. Проанализируем некоторые теоретические положения по созданию износостойкого комплекса, состоящего из зон I и II (рис.2.5). Слой II, который формируется методами ХТО, инициируемой плазмой тлеющего газового разряда, кроме основного функционального назначения по повышению пластической прочности режущей части инструмента, выполняет также чрезвычайно важную функцию по снижению разницы физико-тепломеханических свойств между материалами покрытия и инструмента. Это в соответствие с формулами (2.1), (2.3), (2.4) способствует снижению концентраций "опасных" напряжений в покрытии и непосредственно на границах раздела "ИМ-покрытие" и, таким образом, снижает вероятность преждевременного разрушения покрытия. Чрезвычайно важным является определение глубины слоя II. Согласно моделям пластического разрушения режущего инструмента в различных условиях, представленным на рис.2.6., такое разрушение может происходить следующим образом: - вследствие первоначального увеличения радиуса скруглення кромки, пластического течения материала, приводящего к снижению фактического заднего угла и роста длины контакта по задней поверхности, происходит пластическое перемещение материала к месту выхода ОМ из контакта с инструментом (А.И.Бетанели, Т.НЛоладзе); - ползучесть твердого сплава под действием касательных напряжений со стороны задней поверхности и нормальных - со стороны передней поверхности, является главной причиной пластического деформирования твердого сплава в зоне II (где действуют максимальные температуры) и, прежде всего, пластического течения под действием термомеханических напряжений в менее теплостойкой связке твердого сплава (Н.В.Талантов); - пластического течения материала в подповерхностных слоях контактных площадок передней и задней поверхностей быстрорежущего инструмента, в результате чего формируются поры и подповерхностный фронт трещин (Ю.Н.Внуков); - пластической потери формы режущего клина инструмента (РКИ) из быстрорежущей стали вследствие чередующихся процессов пластической деформации и рекристаллизации матрицы стали, протекающей динамически (ВА Синопальников, Л.С. Кремнев).
Обобщая данные анализа представлений о пластическом деформировании РКИ, согласно показанным на рис.2.6 моделям пластического разрушения, можно утверждать, что использование методов ионной ХТО инструмента из быстрорежущей стали и твердых сплавов возможно повышение предела текучести разупрочняющихся под действием термомеханических напряжений резания слоев, так как методы ХТО позволяют формировать толщины слоев порядка 20-300 мкм /40-46/, т.е. в пределах областей, в которых реализуется такое разупрочнение. С учетом сильного различия термомеханического воздействия на контактные площадки инструмента, в зависимости от условий резания природа их отказов заметно отличается (см.гл.1), поэтому и параметры слоя, формируемого методами ионного ХТО также будет различаться.
Разработка оборудования для комплексной ионно-плазменной обработки режущего инструмента
Анализ закономерностей формирования покрытий в современных ионно-вакуумных установках с дуговыми источниками, а также их основных конструктивных особенностей, показал, что они непригодны для ведения процесса азотирования и нанесения покрытия в единой технологической установке из-за: чрезмерного растравливания (эрозии) режущих кромок инструмента, так как при обработке инструмента в различных установках процесс воздействия ускоренными ионами (очистка, нагрев, выдержка) происходит как на этапе ХТО в плазме газового разряда, так и на этапе конденсации покрытия; высокой себестоимости процесса КИПО, обусловленной тем, что две последовательных технологических операции ионно-плазменной обработки режущего инструмента производятся раздельно при использовании двух различных ионно-плазменных установок.
С учетом результатов анализа, проведенного в главе 2, в соответствии с в зависимости от условий термомеханического нагружения режущего клина инструмента возможны различные варианты КИПО инструмента, в частности при тяжелом термическом напружений (высокая v и малое t х S) КИПО инструмента может быть сведено только к ХТО в плазме электрического газового разряда, при сильном механическом напружений (малое v, большое t х S) - только к формированию покрытия с высокими антифрикционными свойствами. При других сочетаниях "скорость резания - сечение среза" значения параметров процесса КИПО также выбираются в зависимости от термомеханической нагрузки на режущий клин инструмента (РКИ) (см.табл.2.4 и 2.5). Таким образом, становится очевидным необходимость разработки универсального оборудования с широкими возможностями проведения ионно-плазменных процессов как в режимах нанесения износостойкого покрытия или ХТО в плазме электрического газового разряда, так и комплексной ионно-плазменной обработки, включающей сочетание предыдущих двух видов ионно-плазменной обработки.
Для реализации возможности ведения процесса КИПО режущего инструмента были проведены предварительные исследования, положенные в основу разработки принципиальной схемы установки для ведения КИПО инструмента за один технологический цикл.
Предложенный в работе двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд (ДВДР), возбуждаемый между анодом и интегрально холодным катодом, имеет металлогазовую и газовую ступени плазмы, причем последняя создается путем ионизации рабочего газа электронами, сепарируемыми из метапло-газовой ступени плазмы вакуумно-дугового разряда. Принципиальная схема устройства для возбуждения ДВДР представлена на рис.3.3. ( А.с. СССР №№ 1441824, 1492766, 1520891, 1706234, патенты России №№ 2010031, 2026413, 2026414, международная заявка на патент в США, Японии, Европе № PCT/RU92/00088). Физические принципы разработанного ДВДР следующие. Если между интегрально-холодным катодом и анодом возбудить вакуумно-дуговой разряд в присутствии рабочего газа (азот, метан, ацетилен и т.д.), междуэлектродное пространство заполняется метапло-газовой плазмой, в которой присутствуют ионы металла, генерируемые катодным пятном вакуумной дуги, а также ионы газа, образуемые в межэлектродном пространстве в результате процесса перезарядки ионов металла. Под воздействием электрического поля анода в разрядном промежутке при сепарации электронного потока от потока ионов электроны ускоряются и ионизируют рабочий газ. В результате пространство, примыкающее к аноду, заполняется только плазмой рабочего газа при практически полном отсутствии ионов металла. При этом ДВДР полностью сохраняет преимущества дугового разряда, так как и ДВДР соответствует большой разрядный электрический ток. Величина нижнего предела электронного тока, полученного в вакуумно- дуговом разряде, офаничена минимальным током стабильного горения дуги, который зависит от материала катода, способа удержания катодных пятен на катоде и может достигать значений 20 - 200 А. Верхний предел разрядного ток определяется теплофизическими свойствами охлаждаемого катода. Рабочая поверхность этого катода в процессе работы, как - вакуумная камера, 2 - катод электродугового испарителя, 3 - анод двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, 4 - оптически непрозрачный экран, 5 - область металло-газовой плазмы, 6 - область газовой плазмы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда. правило, не должна профеваться до температуры, при которой возрастает эрозия. Эта температура зависит от температуры плавления материала катода.
Высокие значения разрядного электронного тока ДВДР увеличивают его нафевательную способность, что существенно при вакуумно-плазменной обработке крупногабаритных режущего инструмента, имеющего большую массу.
Плазму газового разряда создают при пониженном давлении рабочего газа порядка 10"2 - 10 Па, что обеспечивает стабильное существование дугового разряда. Указанный диапазон давлений характеризует наиболее оптимальную область стабильного существования ДВДР. Ниже и выше этого диапазона напряжение на электродах разряда существенно возрастает, а его стабильность резко ухудшается из-за появляющихся пульсаций тока, при этом разряд может произвольно прекращаться через короткий промежуток времени. Газовая ступень плазмы ДВДР позволяет производить вакуумно-плазменную обработку, включающую операции нафева инструмента до рабочей температуры и его выдержку в газовой среде (например, азота) при заданном температурном интервале, при этом можно производить одновременную дополнительную обработку инструмента направленным пучком ускоренных частиц, в частности, направленным пучком ускоренных частиц - газовых молекул, например, аргона (Патенты России №№ 2029796, 2036245). Поскольку при обработке режущего инструмента ускоренными частицами на него не подается потенциал от внешнего источника, то возможна эффективная обработка керамического инструмента (диэлектрик), а также быстрорежущего и твердосплавного инструмента без образования на последних следов катодных пятен, что исключает брак инструмента в результате существенного ухудшения его рабочих поверхностей и эрозии режущих кромок. При необходимости сохранения исходной шероховатости рабочих поверхностей режущего инструмента и предотвращения эрозии кромок, разработана схема нафева и выдержки инструмента в плазме газового разряда при подаче на него положительного потенциала (А.с. СССР № 1441821, 1492765, 1492766,1706234, Патент России № 2026413).
Для целей нафева малогабаритного режущего инструмента, имеющего небольшую массу (сверла, метчики, концевые фрезы диаметром 0,3 - 2,0 мм), разработан специальный вариант такого нафева, в соответствии с которым подача потенциала на обрабатываемый инструмент не осуществляют и его выдержку в заданном температурном интервале в плазме газового разряда осуществляют при плавающем потенциале ( А.С.СССР №№ 1520891, 1706234 ). Плавающий потенциал принимает инструмент, помещенный в плазму ДВДР и на который от внешнего источника питания не подается напряжение. Инструмент из-за большой подвижности электронов (по сравнению с ионами) самосогласованно заряжается отрицательно до такого потенциала, при котором обеспечивается равенство количества падающих на него ионов и электронов. Если инструмент после снятия с него напряжения охлаждается, он может вновь подогреваться при положительном потенциале или при дискретной подаче положительного потенциала. Величина отрицательного плавающего потенциала такова, чтобы вызванная им ионная бомбардировка поверхности ИМ не приводит к распылению ИМ (плавающий потенциал в плазме ниже порога распыления ИМ).
При массовом производстве инструмента с покрытием в условиях инструментальных заводов, часто возникает задача резкого повышения адгезии между рабочими поверхностями и покрытием за счет их термоактивации. В этом случае предлагается производить нагрев инструмента до рабочих температур путем подачи на него положительного потенциала, а выдержку при заданных температурах - при подаче на инструмент отрицательного потенциала. При осуществлении выдержки в заданном температурном интервале при отрицательном потенциале образующаяся в результате ионной бомбардировки шероховатость поверхности и термическая активация зародышевых центров способствует улучшению адгезионных свойств обрабатываемой поверхности изделия.
Исследование теплового состояния инструмента с ИК, формируемым методами КИПО
Установленное благоприятное изменение характеристик стружкообразования и контактных процессов при использовании быстрорежущего и твердосплавного инструмента с ИК, формируемых методами КИПО, позволяет прогнозировать снижение мощности основных тепловых источников, генерирующих тепло в зону резания деформационных и фрикционных характеристик по передней и задней поверхностям. Кроме того, при резком отличии теплофизических свойств материалов ИК и ИМ можно также ожидать заметного перераспределения тепловых потоков. В связи с этим очевидно сильное изменение и теплового состояния режущей части инструмента сИК.
Согласно классификации метода измерения температуры в зоне резания /159/, выбор такого метода имеет чрезвычайно важное значение и определяется целью и условиями оценки теплового состояния системы резания. Среди методов оценки теплового состояния режущей части инструмента наиболее точным является метод закладной термопары, координаты вершины которой изменяются при перетачивании рабочих поверхностей инструмента /117/. Однако применение этого метода для варианта использования инструмента с ИК не представляется возможным из-за необходимости перетачивания рабочих поверхностей инструмента, что неизбежно приведет к разрушению ИК. Поэтому в работе использовали методику, разработанную на кафедре "Резание материалов" МГТУ "СТАНКИН" /10,114/, в соответствии с которой для оценки теплового состояния инструмента с ИК использовали многопозиционные термоиндикаторные вещества марок ТХИ-53, ТХИ-54, разработанные Московской химико-технологической академией им. Д.И.Менделеева. Используемая методика позволяет: оценить объемное тепловое состояние инструмента во всем диапазоне температур, возникающих при резании, за одну установку в рабочее положение; фиксировать температуру с высокой точностью и локальностью, благодаря скачкообразному изменению цвета термоиндикатора при высокой стабильности цветовой гаммы и отсутствия влияния ИМ на их работу.
Термоиндикаторы обладают достаточно большим числом переходов (ТХИ-53 - шесть; ТХИ-54 - одиннадцать) с температурным интервалом между ними 30-80 С и временем срабатывания - до одной секунды при достаточно широком диапазоне измеряемой температуры (390 - 1390 К). Цветовые переходы термоиндикаторов марки ТХИ возникают в результате многостадийных реакций разложения, сопровождающихся выделением кислорода и других газов, а также вследствие кристаллизации аморфных компонентов /10,114/. Большинство вышеуказанных процессов имеют строго определенные критические температуры, ниже которых они не проходят, поэтому большинство переходов термоиндикаторов ТХИ имеют скачкообразный характер, а температуры изотерм определяются с точностью + 2-10 С.
Методика проведения экспериментов подробно изложена в работе автора /116/, а также в работах /10,114/, поэтому здесь рассмотрим лишь основные методические особенности экспериментальных исследований. При проведении исследований в качестве датчика использовали термоиндикатор ТХИ-53 с 6-ю переходами. При этом на внутренних, тщательно притертых поверхностях разрезного инструмента вышлифовывали пазы глубиной до 0,08-0,1 мм под углом 10, 35, 60 К передней поверхности резца. Общий вид разрезного резца показан на рис.4.9.
С учетом больших изменений физико-механических свойств поверхностных объемов ИМ, подвергнутых КИПО при использовании плазмы ДВДР, в работе подробно изучено тепловое состояние быстрорежущего и твердосплавного инструмента с ИК..
Исследования проведены на специальных сборных (разрезных) резцах (см.рис.4.9), имеющих сформированный износостойкий комплекс, состоящий из зоны II (ДТС) толщиной порядка 25-30 мкм с микротвердостью 12, ГПа (для быстрорежущего инструмента) и 18,8 ГПа (для твердосплавного инструмента), и зону I, состоящую из адгезионного подслоя АП (70%Ті-30%Сг) и поверхностного износостойкого слоя ИС (90%TM0%Cr)N.
Результаты оценки теплового состояния сборных резцов из стали Р6М5 с различными вариантами КИПО показаны на рис.4.10-4.11.
Анализируя полученные данные можно отметить сильное изменение теплового состояния быстрорежущего инструмента с ИК, сформированных методами КИПО, для достаточно широкого диапазона изменения толщины среза от 0,09 до 0,62 мм. Если азотированный слой ДТС лишь незначительно изменяет температурное поле в опасном сечении РКИ, хотя как видно из рис.4.10 эти изменения с ростом "а" становятся более существенными. Наибольшее влияние на температурные поля в РКИ оказывает ИК, сформированный КИПО инструмента из быстрорежущей стали. Особенно сильно сказывается влияние ИК на тепловое состояние инструмента при малых толщинах среза порядка 0,09 0,35 мм, при которых отмечено отсутствие изотермы с температурой 365 С (рис.4.10).
Еще одной важной особенностью трансформации теплового состояния инструмента с ИК является сильное смещение изотермы максимальных температур (620С) в сторону главной режущей кромки и задней поверхности. Анализ указанного позволяет отметить, что полученный результат связан с сильным снижением длины контакта Су для инструмента с ИК и очевидным снижением интенсивности теплового потока от фрикционного источника по передней поверхности. Отмеченное можно особенно уяснить из рис. 4.11, где совмещены изотермы максимальных температур для быстрорежущего инструмента с различными вариантами КИПО.
При разной интенсивности изнашивания инструмента с ИК и контрольного интересным оказалось сравнение их температурных полей в опасном сечении РКИ с одинаковым износом задней поверхности, соответствующим периоду приработочного и нормального изнашивания, но при разном времени наработки инструмента (рис. 4.12). Для возможности сопоставления температурных полей острозаточенного и изношенного инструмента с различными вариантами КИПО на рис.4.12 также представлены температурные поля острозаточенного инструмента. Полученные данные позволяют отметить несколько важных положений.
