Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса, цели и задачи исследований . 10
1.1. Анализ экологических и экономических аспектов процессов лезвийной обработки резанием с использованием СОТС. 10
1.2. Применение ионизированных газовых сред для повышения эффективности сухого резания. 19
1.3. Повышение эффективности сухого резания применением инструмента с износостойкими покрытиями. 22
1.3.1. Роль инструментального материала. 22
1.3.2. Роль износостойких покрытий, наносимых на рабочие поверхности режущего инструмента в технологиях экологически безопасного сухого резания. 25
1.4. Анализ данных литературного обзора, постановка цели и задач исследования. 31
Глава 2. Разработка методологии сухого резания с компенсацией функций и эффектов СОТС . 33
2.1. Разработка рабочих гипотез и методологических принципов резания с компенсацией функций СОТС. 33
2.1.1. Анализ основных функций СОТС в системе резания и оценка возможных путей компенсации ее физических эффектов. 33
2.1.2. Рабочие гипотезы исследований. 41
2.2. Разработка физической модели системы резания с компенсацией эффектов СОТС . 45
2.2.1. Многофункциональное покрытие. 46
2.2.2. Ионизированная газовая среда (ИГС). 48
2.2.3. Интегральные эффекты системы резания с компенсацией эффектов СОТС. 51
2.3. Методика проведения исследований. 53
2.3.1. Методика получение многофункциональных покрытий. 53
2.3.1.1. Оборудование. 53
2.3.1.2. Технологии нанесения покрытий. 55
2.3.1.3. Контроль качества покрытий. 56
2.3.2. Методика применения ИГС в системе экологически безопасного резания. 60
2.3.3. Методика проведения исследований процесса экологически безопасного резания. 61
2.3.3.1. Инструмент. 62
2.3.3.2. Оборудование, обрабатываемый материал. 63
2.3.4. Методика обработки экспериментальных данных. 64
2.3.4.1. Статистическая обработка экспериментальных данных. 64
2.3.4.2. Исключение резко выделяющихся результатов. 66
2.3.4.3. Оценка работоспособности режущего инструмента. 68
2.3.5. Статистический анализ результатов сравнительных испытаний. 68
Глава 3. Разработка и исследование системы сухого резания с компенсацией эффектов СОТС . 71
3.1. Исследование условий получения многофункциональных покрытий. 71
3.1.1. Теоретические предпосылки проведения исследований. 71
3.1.2. Исследование условий получения МФП. 73
3.1.3. Исследование влияния параметров процессов синтеза износостойкого слоя МФП, наносимого на твердосплавные пластины, на их состав и свойства. 75
3.1.3.1. Исследование химического состава. 75
3.1.3.2. Исследование влияния параметров синтеза покрытия на его основные свойства. 78
3.2. Оптимизация параметров системы резания с компенсацией эффектов СОТС. 79
3.2.1. Оптимизация параметров синтеза покрытия (Ti,Al)N. 80
3.2.2. Исследование условий подачи ионизированной газовой среды в зону обработки. 86
Выводы по главе. 93
Глава 4. Исследование параметров сухого резания с компенсацией эффектов СОТС . 95
4.1. Исследование параметров, характеризующих уровень деформирования срезаемого слоя. 95
4.1.1. Теоретические предпосылки. 95
4.1.2. Методика экспериментальной оценки параметров, характеризующих уровень пластического деформирования срезаемого слоя . 99
4.1.3. Результаты исследований. 101
4.2. Исследование сил резания. 105
4.2.1. Теоретические предпосылки и методика проведения экспериментов. 105
4.2.2. Результаты экспериментальных исследований. 106
4.3. Исследование тепловых явлений. 113
4.3.1. Теоретические предпосылки. 113
4.3.2. Исследование теплового состояния задней поверхности инструмента для различных условий обработки. 119
4.4. Исследование работоспособности инструмента. 123
4.4.1. Исследование кинетики изнашивания режущего инструмента. 123
4.4.1.1. Методика исследований. 123
4.4.1.2. Исследование кинетики изнашивания при обработки стали. 124
4.4.1.3. Исследование изнашивания инструмента при резании труднообрабатываемых материалов. 129
4.4.2. Исследование работоспособности инструмента. 132
Выводы по главе. 135
Глава 5. Исследование параметров качества поверхностного слоя и эксплуатационных характеристик деталей после обработки с применением процессов сухого резания с компенсацией физических эффектов СОТС . 136
5.1. Исследования шероховатости поверхности. 136
5.1.1. Теоретические предпосылки. 136
5.1.2. Методика исследований. 137
5.1.3. Результаты исследований. 139
5.2. Исследование остаточных напряжений. 141
5.2.1. Теоретические предпосылки. 141
5.2.2. Методика исследований. 143
5.2.3. Результаты исследований. 147
5.3. Исследование газосодержания рабочей зоны резания и газонасыщения поверхностного слоя деталей, формируемого при применении процессов резания с компенсацией эффектов СОТС. 150
5.3.1. Исследование газосодержания зоны резания. 150
5.3.2. Исследование газонасыщения поверхностного слоя обработанных деталей. 152
5.3.2.1. Теоретические предпосылки. 152
5.3.2.2. Методика исследований. 154
5.3.2.3. Результаты экспериментов. 156
5.4. Исследования усталостной прочности деталей, обработанных с применением сухого резания с компенсацией эффектов СОТС. 156
5.4.1. Теоретические предпосылки. 157
5.4.2. Методика исследований. 158
5.4.3. Результаты исследований. 161
5.5. Разработка технологических рекомендаций по использованию системы сухого резания с компенсацией эффектов СОТС взамен стандартных процессов резания с применением смазочно-охлаждающих жидкостей. 162
Выводы по главе. 163
Общие выводы. 164
Список литературы.
- Применение ионизированных газовых сред для повышения эффективности сухого резания.
- Разработка физической модели системы резания с компенсацией эффектов СОТС
- Исследование влияния параметров процессов синтеза износостойкого слоя МФП, наносимого на твердосплавные пластины, на их состав и свойства.
- Методика экспериментальной оценки параметров, характеризующих уровень пластического деформирования срезаемого слоя
Введение к работе
За последние десятилетия машиностроительные производства достигли значительного прогресса. Современные производства вплотную приблизились к возможности обеспечения предельного (нанометрического) диапазона точности обработанных изделий. Создается новое станочное оборудование и инструментальные системы, позволяющее вести процессы обработки на высоких и сверхвысоких скоростях резания без применения смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС). Реализуется концепция экологически безопасной обработки при обеспечении высокого уровня функциональных, эстетических и экологических свойств изделий. Отмечается все большая ориентация производственной технологической среды на требования рынка, причем эти требования определяют не только качественные характеристики конечного продукта, но и диктуют условия производству на всех этапах конструкторских разработок, технологической проработки, освоения, непосредственного производства и т.д.
В современных машиностроительных производствах значительную долю трудоемкости при изготовлении деталей составляет традиционная обработка металлов резанием, которая характеризуются созданием и внедрением новых обрабатываемых материалов, инновационных конструкций деталей и изделий, использованием систем автоматизированного проектирования, постоянным ростом требований к точности и качеству обработки, а также снижению техногенного воздействия на окружающую среду. В этой связи возникают все более серьезные требования по повышению эффективности операций обработки, отвечающих возникающим задачам производства. Обычно решение таких задач связывают с разработкой новых высокопроизводительных технологических процессов, основным средством повышения эффективности которых является применение новых типов высокопроизводительных инструментальных материалов, различных по структуре, составу и архитектуре износостойких покрытий, автоматизации технологических процессов, различных типов смазочно-охлаждающих технологических сред с учетом действия физических эффектов последних, направленных на снижение термомеханической напряженности, воздействующей на систему резания {режущий инструмент, обрабатываемую заготовку, узлы станка и т.д.). Причем СОТС отводится решающая роль при решении задачи повышения эффективности технологических процессов механической обработки.
Между тем, разработка и использование новых технологических процессов с применением высоких и сверхвысоких скоростей резания характеризуется уменьшением проникающей способности смазочно-охлаждающих жидкостей даже при их обильной подаче в зону обработки и соответствующим снижением основных физических эффектов. В ряде случаев применение смазочно-охлаждающих жидкостей вообще не рекомендуется из-за высокой вероятности снижения физико-механических свойств ряда конструкционных материалов (титановые, магниевые, бериллиевые сплавы и т.д.) в связи с их высокой склонностью к поверхностному поглощению газов в процессе обработки. Кроме того, применение смазочно-охлаждающих жидкостей приводит к заметному росту издержек производства и возникновению отрицательных техногенных эффектов. В ряде случаев загрязненность окружающей среды от процессов обработки может превосходить уровень загрязненности от двигателей внутреннего сгорания, а издержки на смазочно-охлаждающие жидкости могут быть выше соответствующих расходов на режущий инструмент. В частности, такие операции, как приготовление, транспортировка, регенерация и утилизация СОТС, а также необходимость обезжиривания стружки и обработанных деталей при их
дальнейшем использовании сильно влияют на стоимостные показатели производственных процессов изготовления. В некоторых случаях затраты на СОТС с учетом непрямых издержек, связанных с эффектами ее вредного влияния на окружающую среду и здоровье персонала, а также утилизацию, составляет до 30% общих производственных затрат. Осознание того, что в структуре затрат на изготовление деталей доля издержек на СОТС может намного превосходить затраты на режущий и вспомогательный инструмент и занимать все большую долю издержек производства, является побудительной причиной к пересмотру технологической политики производства. Логическим следствием указанного является разработка новых решений, направленных на создание ресурсосберегающих и экологически чистых технологий обработки резанием.
Поэтому очевидной стратегией развития производственных процессов является создание технологий обработки без применения смазочно-охлаждающих жидкостей (сухое резание) с частичной или полной компенсацией их физических эффектов. В настоящее время все большее число предприятий вынуждены уделять повышенное внимание экологической безопасности производства. Этому способствует не только осознание обществом экологических проблем, но и повышенные финансовые расходы, особенно связанные с утилизацией производственных отходов, и, прежде всего, отработанных СОТС. Практика показывает, что производственные расходы предприятий с оптимизированным циклом технологических операций обработки с учетом высоких издержек на СОТС по сравнению с традиционными технологиями позволяет им существенно сократить эти расходы.
На фоне проблем, связанных с использованием СОТС, сухая обработка представляет наиболее кардинальное решение, которое может обеспечить оптимальный баланс между экономическими и экологическими задачами производства. Однако, реализовать целесообразную и экономически оправданную сухую обработку только за счет отказа от применения СОТС и ее физических эффектов практически невозможно. Эта проблема требует сложного и всестороннего кропотливого изучения, а также глубокого понимания сложных взаимодействий материалов детали и инструмента, технологической оснастки и станка, реализуемых при резании с использованием СОТС.
Таким образом, создание высокоэффективных технологий обработки резанием, оказывающих минимальный ущерб окружающей среде, является одной из самых актуальных проблем современных машиностроительных производств.
Анализ проведенных работ по проблеме создания процессов высокоэффективного сухого резания (без применения СОТС) показал, что разработанные решения лишь частично отвечают поставленной задаче из-за отсутствия комплексной компенсации физических эффектов СОТС. Не установлена физическая природа предлагаемых процессов, не изучено влияние условий сухой обработки на формирование характеристик поверхностного слоя (шероховатость, остаточные напряжения первого рода, степень наклепа и т.д.), а также влияние технологической наследственности поверхностного слоя на эксплуатационные характеристики деталей. Это не позволяет рекомендовать подобные процессы для операций чистовой и получистовой обработки взамен стандартных процессов с применением смазочно-охлаждающих жидкостей.
Настоящая работа посвящена повышению работоспособности инструмента и качества обработанных поверхностей деталей при резании различных конструкционных материалов, включая материалы с низкими технологическими свойствами по обрабатываемости, обычно называемые труднообрабатываемыми материалами. Задача решается на основе полного отказа от применения
смазочно-охлаждающих жидкостей при компенсации их основных физических эффектов путем использования специальной системы резания, которая включает два основных элемента - режущий инструмент с износостойким, трибоактивным и активным слоями, последовательное чередование которых образует многофункциональное покрытие и активированную воздушную среду, состоящую из ионов, радикалов, атомов и молекул. Взаимодействие элементов ионизированного воздуха и активных слоев многофункционального покрытия в разработанной системе резания приводит к образованию прочных антифрикционных пленок, которые выполняют роль твердой смазки и усиливают антифрикционные свойства износостойкого и трибоактивного слоев. В результате отмеченного снижается трение, деформация, усилия резания, температура в контактных зонах, изнашивание инструмента, что позволяет сформировать высококачественные обработанные поверхности не только по сравнению с процессами резания всухую, но резания со смазочно-охлаждающими жидкостями. В постановочной части работы рассмотрена методика разработки рабочих гипотез исследования, которая основывается на анализе причинно-следственном связей между механизмами транспортировки и проникновения смазочно-охлаждающих жидкостей на контактные площадки инструмента, физико-химическими процессами в контактных зонах, механизмами формирования и результатами действия (эффективностью) смазочных пленок. Показано, что при разработке экологически безопасных технологий сухой обработки необходимо решение целого комплекса возникающих проблем, связанных с частичной или полной компенсацией различных эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей. Для этого необходимо:
ф снизить тепловое воздействие на режущий инструмент посредством уменьшения мощности фрикционных источников тепла, а также повысить сопротивляемость инструмента тепловому разрушению за счет применения инструментальных материалов повышенной теплостойкости;
Ф уменьшить тепловое воздействие на обрабатываемую поверхность заготовки путем снижения работы резания и интенсивность тепловых потоков в формируемую поверхность детали.
На основе проведенного анализа были сформулированы рабочие гипотезы исследований по созданию процесса сухого резания с компенсацией эффектов СОТС.
Одна из задач, которая решалась при выполнении диссертационной работы, была связана с разработкой ключевого элемента разрабатываемой системы резания с компенсацией эффектов СОТС - многофункционального покрытия. Износостойкий, трибоактивный, активный и адгезионный слои многофункционального покрытия формировали на основе систем Ti-N, Ti-AI-N, ТІ-Cr-AI-N, Ti-Zr-N, структура и свойства которых хорошо адаптированы к взаимодействию с активными элементов внедрения из активированной воздушной среды, включающий такие элементы внедрения, как О, N. Использовали методику многофакторного планирования эксперимента для установления основных параметров синтеза, оказывающих наибольшее влияние на износостойкость инструмента. Процедура оптимизации позволила выявить оптимальные значения этих параметров.
Большое внимание в работе уделено исследованию условий подачи активированной газовой среды непосредственно в зону обработки при использовании коронного разряда для активации (ионизации) воздушной среды. Эти исследования позволили установить такие важные параметры среды как расстояние источника (плазмотрона) от зоны резания, схему подвода, величину тока дуги возбуждения коронного разряда и т.д.
'в'
Одной из важнейших задач исследований была аттестация разработанной системы резания посредством сравнения ее основных показателей с соответствующими показателями стандартного резания с применением смазочно-охлаждающих жидкостей. Сравнение производили по критериям, характеризующим состояние системы резания. Критерии включали такие параметры системы резания как деформации, силы, температуры, изнашивание инструмента и ее выходные параметры - работоспособность инструмента, качественные показатели обработанных поверхностей (шероховатость, остаточные напряжения, газонасыщение обработанной поверхности), усталостная прочность обработанных деталей.
Исследованиями установлено существенное снижение коэффициентов усадки стружки, сил резания, тепловой нагрузки на систему резания и обрабатываемую поверхность, уменьшение интенсивности изнашивания контактных площадок инструмента по сравнению не только с «сухим резанием», но и резанием с применением смазочно-охлаждающих жидкостей.
Большое внимание в работе было уделено изучения качества поверхностного слоя деталей и их основным эксплуатационным свойствам (усталостная прочность) после обработки с применением системы сухого резания с компенсацией эффектов СОТС в сравнении со стандартным резанием со смазочно-охлаждающими жидкостями, а также резанием всухую и со сжатым воздухом. Эти исследования подтвердили возможность применения разработанной системы резания для операций чистового и получистового точения конструкционных сталей, хромоникелевых и титановых сплавов. В частотности, установлено, что формирование остаточных напряжений при использовании предлагаемой системы резания протекает в более благоприятных термических условиях по сравнению с условиями, характерными для резания всухую и с СОТС. Поэтому при использовании системы сухого резания с компенсацией эффектов СОТС эпюра растягивающих остаточных напряжений растяжения трансформируется в поверхностном слое деталей из стали 45 и сплава ВТ9 в эпюру остаточных напряжений сжатия, что, в свою очередь, после операции дробеструйного упрочнения приводит к более высокому уровню их усталостной прочности.
В работе проведены исследования газонасыщения поверхностного слоя детали после обработки с поверхностного слоя активированными газами (кислород, азот) на физико-механические свойства некоторых материалов (например, титановых сплавов) и эксплуатационные характеристики изделий в целом. Результаты проведенного анализа весового содержания кислорода и водорода в образцах из стали 45 и сплава ВТ9, полученных после обработки всухую и при использовании процессов с компенсацией эффектов СОТС показали, что количественное содержание указанных газов для обоих процессов принципиально не отличается и укладывается в допустимые нормы.
На защиту выносится:
- система сухого резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей, включающая в себя ионизированную воздушную среду и режущий инструмент с многофункциональным покрытием, содержащим последовательно повторяющиеся износостойкий, трибоаткивный и активный слои на основе систем Ti-N, Ti-AI-N, Ti-Cr-AI-N, Ti-Zr-N;
методика и результаты оптимизации параметров синтеза многофункциональных покрытий [на примере (Ti,AI)N] и схемы подачи ионизированной воздушной среды при точении различных конструкционных материалов;
-S-
- результаты исследований параметров системы сухого точения с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей конструкционных сталей и труднообрабатываемых материалов, применяемых в авиационном двигателестроении;
механизм взаимодействия ионизированной воздушной среды с элементами многофункциональных покрытий, устанавливающий превалирующие влияние трибоокислительных процессов на изнашивание инструмента;
результаты экспериментальных исследований влияния параметров процесса резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей на качественные характеристики поверхностного слоя деталей из стали 45 и сплава ВТ9 и их усталостную прочность после дробеструйного упрочнения.
Работа выполнена на кафедрах ТФО и «Технология машиностроения» Московского государственного университета «СТАНКИН», а также в лаборатории резания института IFQ Магбедургского университета (ФРГ) и ФГУП ММПП «Салют».
Автор работы считает своим долгом поблагодарить сотрудников кафедр «Высокоэффективные технологии обработки» и «Технологии машиностроения» МГТУ «СТАНКИН», д.т.н. профессора ЦИАМ Петухова Анатолия Николаевича и сотрудников ВИЛС.
Особую признательность автор выражает работникам НТЦ «НИИД» и других подразделений ФГУП ММПП «Салют» за помощь в проведении исследований и изготовлении образцов и оснастки.
Особая благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Верещака Анатолию Степановичу, а также к.т.н., доценту Кириллову Андрею Кирилловичу за помощь и добрые советы при выполнении работы.
Применение ионизированных газовых сред для повышения эффективности сухого резания.
Как было показано в разделе 1.1, применение СОТС при обработке заметно трансформирует основные физические процессы, сопровождающие резание. В частности, такая трансформация связана со значительным уменьшением энергетических затрат на упруго-пластическое деформирование срезаемого слоя и трение на контактных площадках инструмента, что, в свою очередь, приводит к снижению термомеханической напряженности зоны резания, инструмента и формируемой поверхности детали (охлаждающие, смазочные, моющие и пластифицирующие эффекты). Это позволяет резко интенсифицировать обработку, например, за счет роста скорости резания. Поэтому для повышения эффективности технологические процессы без применения СОТС до уровня стандартных требуется альтернативная компенсация указанных эффектов.
Повышению эффективности технологий «сухой» обработки с частичной или полной компенсацией физических эффектов СОТС посвящены немногочисленные работы отечественных [5 - 7, 16, 18-30] и зарубежных [15, 31-32] исследователей. Большая часть этих работ относится к разработке технологий сухой обработки с компенсацией эффектов СОТС путем применения сильных электрических полей и ионизированных газовых сред. В соответствии с обзором, представленном в работе [32] использование коронного разряда для охлаждения зоны резания «коронным ветром» принято именовать методом сухого электростатического охлаждения (СЭО).
В отечественной литературе указанному вопросу посвящена работа [31], где обуславливается эффективность применения СЭО при точении стали 45 инструментом из быстрорежущей стали Р18 и твердого сплава Т15К6, при этом показано увеличение стойкости инструмента до 2-х раз без объяснения причин установленного.
Впервые широкое изучение различных аспектов проблемы применения электростатического охлаждения в качестве способа компенсации эффектов СОТС проведено в Чебоксарском государственном университете Ахметзяновым И.Д., которому принадлежит мировой приоритет в разработке системы резания с использованием воздуха, ионизируемого с помощью коронного разряда [18, 19, 21, 22, 34-36]. Несколько позже аналогичные работы были проведены в МГТУ им. Баумана [20], МГТУ «СТАНКИН» [17, 24, 26], ММПП «САЛЮТ» [23], в Магдебургском университете совместно с МГТУ «СТАНКИН» [16].
В работе [18] рассмотрено влияние униполярного разряда на процесс обработки резанием различных материалов (ШХ-15, 20ХГНР) твердосплавным инструментом из ТН-20, Т5К10. Показано, что, при точении валика из стали 20ХГНР t = 2 мм; S=0,43-0,52 мм/об; п= 400-630 об/мин, подача в зону обработки ионизированного с помощью коронного газового разряда воздуха при силе того 1 мкА и плотности 10 2 А/м2 через специально сконструированное рабочее сопло обеспечивает повышение стойкости напайных твердосплавных резцов Т5К10 до 2-х раз при удовлетворительном дроблении стружки.
Показано, что обработка инструмента из стали Р6М5 и твердого сплава ВК8 в плазме коронного разряда (параметры разряда и время обработки в [18] не указаны) приводит к изменению структуры приповерхностных слоев инструментального материала. В частности, для стали Р6М5 отмечено появление новых фаз типа Fe3W3C и VC чрезвычайно мелкого зернового состава, а для сплава ВК8 также отмечено появление новой мелкозернистой фазы (не идентифицирована). Авторы [18] объясняют увеличение стойкости инструмента при резании в плазме униполярного коронного разряда формированием на контактных площадках инструмента установленных новых фаз.
В работах [20, 22] рассматриваются различные аспекты применения электростатического охлаждения для повышения эффективности механообработки. Впервые была поставлена задача уяснения возможностей СЭО для использования в различных технологических процессах обработки. В исследованиях использовали достаточно широкую гамму конструкционных материалов (сталь, чугун, титановый сплав), изучали роль инструментального материала (инструмент из быстрорежущей стали Р6М5 без покрытия и с покрытием TiN КИБ, твердых сплавов МС с покрытием ТІС и без покрытия). Проведены сравнительные исследования процессов «сухой» обработки, резания с применением СЭО, сжатого воздуха и СОТС (Укринол-1). Исследования проведены при использовании воздуха, ионизированного или озонированного отрицательной коронным разрядом отрицательной или положительной полярности и его влияние на параметры резания (силы) и стойкость инструмента [22]. Авторами [20, 22] показано, что максимальное повышение стойкости обеспечивает подача в зону обработки воздуха ионизированного в отрицательном коронном разряде, причем эффективность СЭО снижается при увеличении скорости резания и применении инструмента с покрытием. При этом для объяснения полученных результатов выдвигается гипотеза о проникновении униполярно заряженных частиц озона в зону пластического и упругого контактов с образованием на них тонких окисных пленок, обладающих антифрикционными свойствами. Таким образом, утверждается, что основным фактором, обеспечивающим эффективность технологии с СЭО при обработке широкой гаммы конструкционных материалов, является не охлаждение, а смазка контактирующих поверхностей инструментального и обрабатываемого материалов в зоне резания.
В работах Латышева В.Н. [5, 11] отмечается принципиальная возможность активации электрическим разрядом технологических сред, но не приводится каких-либо данных об использовании разряда и сильных электрических полей для этих целей.
Разработка физической модели системы резания с компенсацией эффектов СОТС
МФП включает износостойкий (слой «а»), трибоактивный (слой «h»), активный (слой «с») слои и адгезионный подслой «d», чередование которых в супермногослойной конструкции покрытия позволяет выполнять несколько функций (рис.2.8).
Износостойкий слой «а» [типа (Mel,Mell,Melll)Nx], базируется на основе нитридов тугоплавких металлов IY-YI групп Периодической системы, имеет повышенную твердость и термическую устойчивость. Основная функция этого слоя состоит в повышении износостойкости инструментального материала (субстрата). Этот элемент МФП предназначен для снижения интенсивности изнашивания инструмента в условиях повышенных термомеханических напряжений, характерных для «сухого» резания.
Трибоактивный слой «b» [MexSy (Mei,MeM)Nx, MeiN-(Mei,Men)Nx] содержит трибоактивные элементы [например, В-С, MoS2, (Mo,Ti)Sx, Mex(J03)y, AIN-(Ti,AI)N и др.] и функционально предназначен для снижения трения и теплообразования в зонах действия основных фрикционных источников тепла, компенсируя отсутствие «смазочных» эффектов СОТС.
Адгезионный подслой «сі» [Меі, (Mei- Men)N] имеет сложно-композиционную структуру и предназначен для осуществления прочной адгезионной связи между МФП и инструментальным материалом (субстратом).
Конструкция многофункционального покрытия (МФП) базируется на супермногослойной структуре с толщиной каждого нанометрического слоя порядка 50-200 нм (см. рис. 2.8). Подобная конструкция позволяет не только заметно повысить сопротивляемость покрытия макро- и микроразрушению в условиях адгезионно-усталостных процессов и термоциклического нагружения инструмента, свойственных процессам резания, но и создать в объеме покрытия новую совокупность физико-механических свойств, резко повышающих его эффективность. В частности, возможно получение более благоприятного соотношения таких характеристик покрытия, как твердость и пластичность. Кроме того, для супермногослойного покрытия характерна низкая дефектность и повышенная прочность, что обусловлено резким снижением количества дефектов по мере уменьшения толщины каждого слоя покрытия и возможностью реализации прочностных свойств на уровне теоретических.
Важнейшей задачей при разработке инструмента с МФП является качественная оценка состава покрытия, наиболее пригодного для рассматриваемых условий обработки. Для качественной оценки состава слоев МФП была использована методика, предложенная в работе Верещака АС. [41].
Для качественной оценки наиболее приемлемого состава износостойкого слоя МФП была принята модель адгезионно-усталостного изнашивания инструмента наиболее адекватно отражающая процессы изнашивания контактных площадок инструмента из быстрорежущей стали и твердого сплава для широких условий обработки резанием [41]: Ма = Ка- р(1- аа/ ар) Fa; (2.1) где I=(NT+NM)Fa; NT= vTeQ1/iQ; NM = p,-Sb; Кa - коэффициент адгезии (объемный) ; р - плотность инструментального материала; /- интенсивность адгезии; та- прочность связей в узлах адгезии; ор-сопротивляемость инструментального материала разрушению; Fa- фактическая площадь контакта; N-RNM- число активных центров на единицу площади контакта соответственно при термическом и механическом активировании; v - частота собственных колебаний валентных атомов; Т - время; QT - энергия термической активации; К - постоянная Больцмана; в- абсолютная температура; pi - плотность дислокаций; S - средняя длина пробега дислокации; b - вектор Бюргерса.
В соответствии с принятой моделью критерием оптимальности состава износотойкого слоя «а» МФП является минимизация величины интенсивности изнашивания инструмента Ма — min , где Ма - теряемая масса инструмента при изнашивании. Качественной мерой снижения величины Ма могут служить: температура плавления, твердость и теплопроводность материала, причем величина Ма будет стремиться к минимуму по мере роста указанных свойств материала износостойкого слоя «а».
В качестве адгезионного подслоя «d» предлагается использовать металлические слои, композиты и соединения тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической таблицы. Главным условием при выборе состава адгезионного подслоя является обеспечение отрицательности значения изобарного потенциала реакции (при температурах эксплуатации инструмента) материала подслоя как по отношению к инструментальному материалу, так и по отношению к материалу прилегающего слоя МФП (например, слоя «с»).
Материал трибоактивного слоя «Ь» назначается исходя из условия минимальности коэффициента трения по отношению к обрабатываемому материалу, которое может быть выполнено при положительности изобарного потенциала реакции между ОМ и материалом слоя «Ь» при температурах эксплуатации режущего инструмента. В этом случае наблюдается минимальная склонность обеих материалов к адгезионному взаимодействию, повышается температурный порог начала схватывания.
Указанное условие можно более эффективно реализовать при формировании слоя «Ь» на основе композиционных соединений с гетерогенной структурой, кристалл охи мические свойства которых значительно отличаются от соответствующих свойств ОМ.
Исследование влияния параметров процессов синтеза износостойкого слоя МФП, наносимого на твердосплавные пластины, на их состав и свойства.
Исследование схемы подачи ИГС. Исследования проводили при использовании методики классического однофакторного эксперимента. На рис. 3.14. представлены схемы подачи ИГС в зону обработки. В качестве ИГС использовали воздух, состав которого (до 70-73 % азота, до 14-16 % кислорода) удовлетворяет условиям резания с компенсацией эффектов СОТС.
Проведенные исследования позволили установить, что максимальную износостойкость инструмента обеспечивает схема подвода ИГС одновременно со стороны передней и задней поверхностей инструмента (см. рис.3.14 в, графики рис. 3.15). Полученный результат, по-видимому, можно объяснить лучшей проникающей способностью ИГС в зону резания при подаче ИГС по схеме рис.3.14 в, при этом, зафиксировано 2-х кратное снижение величины износа задней поверхности твердосплавного инструмента с покрытием по сравнению со схемой сухого резания.
Наряду с повышением износостойкости инструмента отмечено уменьшение шероховатости обработанной поверхности (рис.3.16) на 1,5-2 класса, что, по-видимому, связано со снижением трения в зоне формирования обработанной поверхности детали, и уменьшением наростообразования на передней поверхности инструмента.
Влияние расстояния I от плазмотрона до зоны обработки. Результаты исследования влияния расстояния от плазматрона до зоны обработки на эффективность ЭБР (для схемы подачи ИГС со стороны задней поверхности инструмента) показано на рис. 3.17.
Схемы подвода ИГС (ионизированного воздуха) в зону обработки системы ЭБР: а - со стороны передней поверхности; б - со стороны задней поверхности; в - одновременно на переднюю и заднюю поверхности. 1 - режущий инструмент; 2- многофункциональное покрытие; 3 - срезаемая стружка; 4 -плазматрон; 5 система подачи сжатого воздуха.
Влияние схемы подвода ИГС на величину изнашивания задней поверхности инструмента при /к - 50 мкА; р = 3 МПа. Точение стали 45 с v = 150 м/мин; S = 0,2 мм/об, t = 1,5 мм инструментом, оснащенным пластинами T15K6-(Ti,AI)N. 1-сухое резание: 2- резание с 5% водным раствором эмульсии; 3 - подача ИГС со стороны передней поверхности; 4 - подача ИГС со стороны задней поверхности; 5- подача ИГС одновременно на переднюю и заднюю поверхности инструмента.
Влияние расстояния от плазматрона до контактной площадки задней поверхности на износ задней поверхности инструмента при 1К = 50 мкА; р = 0,3 МПа (условия обработки см. на рис.3.15).
Как видно из представленных графиков минимизацию износа инструмента обеспечивает схема установки системы ионизации газовой среды (воздуха) на расстоянии 40-50 мм от зоны контакта задней поверхности инструмент с поверхностью резания.
При использовании метода наименьших квадратов были установлены зависимость между износом инструмента Нз и расстоянием плазматрона от зоны резания /, определены коэффициенты регрессии этой зависимости. Уравнение регрессии для описания расположения сопла относительно зоны резания имеет следующий вид: h з = 0,741- їв - (13 + 0,31) (3.18) Влияния давления газовой среды р и тока коронного разряда 1ц
Чрезвычайно важными параметрами системы ионизации газовой среды имеют давление газа и тока разряда (коронного) в зоне ионизации газа.
Исследованиями (рис.3.18) установлена сильная зависимость тока разряда от давления воздуха, подаваемого к плазматрону.
Влияние давления газовой среды, подаваемой в зону обработки, на износостойкость твердосплавного инструмента при точении стали показаны на рис. 3.19.
Установлено, что максимальная износостойкость обеспечивается при давлении подаваемого воздуха в зону резания равного 0,3 МПа (см. рис.3.19). Однако влияние давления газовой среды на износостойкость инструмента невелика, хотя тенденция изменения износостойкости от давления очевидна. Это связано с тем, что при изменении давления происходит изменение значения тока коронного разряда 1К в связи с изменением скорости потока воздуха.
-30 Возрастание напряженности потока ионизированной газовой среды у зоны резания повышает энергию частиц, которые более эффективно проникают как на контактные площадки инструмента с образованием антифрикционных пленок, так и на лрирезцовую часть стружки, оказывая на нее пластифицирующее действие (эффект - Ребиндера).
Было также установлено, что ток, протекающий через зону резания 1К, зависит не только от тока коронного разряда 1К но и от скорости потока газовой среды (воздуха) Уигс (рис.3.20). Причем существует зона, в которой с ростом тока коронного разряда 1К ток в зоне резания / (см. рис.3.20) практически не растет. Этот результат очень важен, так как позволяет сделать вывод, что нет необходимости увеличивать ток короны свыше 100 мкА, а это, в свою очередь, позволяет ограничить мощность используемого источника и расход электроэнергии.
Исследования по влиянию тока коронного разряда 1К на шероховатость обработанной поверхности показали, что лучшее качество поверхности формируется при подаче в зону обработки ИГС, имеющей ток коронного разряда /к = 75 мкА (рис.3.21). Наименьший износ имел инструмент, работающий при подаче в зону обработки ИГС с током коронного разряда как 1К = 50 мкА и 1К = 75 мкА(рис.3.22). даваемого воздуха риге = 0 3 МПа.
Методика экспериментальной оценки параметров, характеризующих уровень пластического деформирования срезаемого слоя
Установление связи между параметрами, характеризующими геометрическое и физико-механическое состояние поверхностного слоя детали после механической обработки с применением новых процессов, каковым является разработанный процесс сухого резания, с эксплуатационными характеристиками деталей при определенном уровне внешнего нагружения, является основой аттестации таких процессов. Применительно к деталям авиационных двигателей к определяющим эксплуатационным свойствам деталей относится вероятность усталостного разрушения при определенном уровне циклов знакопеременного нагружения поверхности детали [113-116]. Как установлено в работах [113, 115 - 116], наибольшее влияние на усталостную прочность деталей оказывают такие параметры качества поверхностного слоя как шероховатость обработанной поверхности, остаточные напряжения 1 рода, состояние структуры приповерхностных слоев, которое, в свою очередь определяется способность материала, подвергаемого достаточно высокому уровню термомеханического воздействия в процессе обработки, воспринимать элементы внедрения из внешней среды (водород, кислород, азот и т.д.) [116].
С целью выявления особенностей формирования параметров поверхностного слоя для разработанных процессов сухого резания в сравнении со стандартными технологиями обработки с применением СОТС, а также установления влияния сформированных свойств слоя на некоторые эксплуатационные характеристики деталей проведены исследования, представленные в настоящей главе. При проведении исследований главное внимание уделяли исследованиям шероховатости поверхности в зависимости от условий обработки, а также оценке уровня остаточных напряжений и газонасыщения поверхности. Критерием оценки качества поверхности служила усталостная прочность.
Высота неровностей, формируемых на поверхности обрабатываемой детали, зависит от многих факторов: режимов резания, геометрических параметров режущей части инструмента и его износа, состояния изношенных контактных площадок инструмента, свойств и структуры обрабатываемого и инструментального материала (слоев покрытия), условий охлаждения и смазки инструмента, жесткости технологической системы.
В соответствии данными работы [113] высота микронеровностей может быть определена по следующей формуле: RZ = HP + AH\ (5.1) где Нр - расчетная или теоретическая высота микронеровностей; АН - отклонение фактической (измеренной) высоты неровностей от расчетной. Величина АН может быть определена с использованием следующей зависимости: АН= АНУ+АН + АН АН +АННЗМ +АНе (5.2) где АНг- приращение высоты неровностей в результате упругого восстановления формы; АН,,, - приращение неровностей вследствие пластической деформации в зоне образования стружки; АНС - изменение высоты неровностей из-за срезания вершин сходящей стружкой; АНтр - приращение за счет терния задней поверхности резца по обработанной поверхности; АН,11М - изменение высоты неровностей вследствие изменения первоначального контура изношенной режущей кромки; АНв - приращение высоты неровностей из-за вибраций инструмента и обрабатываемой детали.
Анализ формул (5.1-5.2) показывает, что наиболее эффективно управлять шероховатостью можно за счет составляющей АН, величину которой можно значительно уменьшить при снижении приращения высоты неровностей в результате пластической деформации в зоне стружкообразования АН,,,.
Как было показано в главе 4 применение разработанных процессов сухого резания позволяет ощутимо снизить пластические деформации в зоне стружкообразования, усилия резания и температуры в зонах трения передней и задней поверхностей инструмента, что в априори позволяет прогнозировать снижение составляющих АН„, и АНтр. Кроме того, в главе 4 (раздел 4.4) установлено снижение интенсивности изнашивания твердосплавных пластин при обработке различных материалов в сравнении не только с сухим резанием, но и резанием с использованием инструмента с покрытием, а также жидкими СОТС.
Как видно из данных рис.5.4., в диапазоне скоростей резания до 100 м/мин инструмент с покрытием независимо от используемой технологической среды снижает шероховатость обработанной поверхности (кривые 1 и 2-5). Это связано с отмеченной в ряде работ [40-42, 55] способностью покрытий уменьшать склонность инструментального материала к наростообразованию за счет пассивации адгезионной активности твердого сплава. Максимальное снижение шероховатости отмечено при применении сухого резания с компенсацией (кривая 5, рис.5.4} и резания инструментом с покрытием и одновременной подачей эмульсии Русоил-500 в зону обработки (кривая 4 , рис.5.4).
