Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние модификации рабочих поверхностей металлорежущих инструментов на их эксплуатационные характеристики 21
1.1. Назначение технологических методов модификации рабочих поверхностей режущих инструментов при их изготовлении и эксплуатации 21
1.2. Совместимость конструктивных факторов режущих инструментов с методами модификации рабочих поверхностей 22
1.3. Анализ методов модификации рабочих поверхностей инструментов (по данным различных исследователей) 25
Основные выводы и задачи исследования 66
Глава 2. Методики исследований, оборудование, приборы, инструменты, обрабатываемые материалы 68
2.1. Обрабатываемые материалы, представители обрабатываемых деталей..68
2.2. Оборудование и инструмент 70
2.3. Материалы, оборудование и приборы, используемые при модификации рабочих поверхностей инструментов из стали Р6М5 и исследовании их упрочненных поверхностей 75
Глава 3. Исследование основных физических явлений происходящих при модификации рабочих поверхностей инструментов методом электроакустического напыления-легирования 79
3.1. Принцип формирования износостойкого покрытия на режущих инструментах методом электроакустического напыления-легирования 79
3.2. Ультразвуковое воздействие электрода на упрочняемую поверхность обрабатываемого инструмента 86
3.3. Исследования физико-механических свойств упрочненных поверхностей режущих инструментов из стали Р6М5 нанесенных методом электроакустического напыления-легирования 91
3.3.1. Определение оптимальных режимов протекания процесса электроакустического напыления-легирования 91
3.3.2. Закономерность формирования упрочненного износостойкого слоя в зависимости от режимов напыления-легирования 93
3.4. Влияние исходной шероховатости поверхности основы на формирование износостойкого покрытия методом электроакустического напыления-легирования 102
3.5. К выбору рациональной марки материала модифицирующего электрода 107
3.5.1. Особенности контактного взаимодействия инструмента с материалом детали при резании 108
3.5.2. Фрикционное взаимодействие контактирующей пары инструмент- деталь 110
3.5.3. Исследование адгезионного взаимодействия контактирующих пар 40Х-Р6М5 и 40Х-Р6М5 модифицированных ВК8, Т5К10, W 120
Выводы к главе III 125
Глава 4. Исследование влияния вида модификации рабочих поверхностей инструмента на основные характеристики обрабатываемости конструкционных сталей резанием 127
4.1. Исследование влияния вида упрочнения инструмента, полученного методом электроакустического напыления-легирования, на его размерную стойкость 127
4.2. Исследование влияния комбинированной модификации (КИБ+ионная имплантация) режущего инструмента на его размерную стойкость 132
4.3. Применение метода математического планирования эксперимента для определения оптимальных скоростей резания 139
Выводы к главе IV 147
Основные результаты и выводы работы 149
Литература 151
Приложения 164
- Совместимость конструктивных факторов режущих инструментов с методами модификации рабочих поверхностей
- Материалы, оборудование и приборы, используемые при модификации рабочих поверхностей инструментов из стали Р6М5 и исследовании их упрочненных поверхностей
- Ультразвуковое воздействие электрода на упрочняемую поверхность обрабатываемого инструмента
- Исследование влияния комбинированной модификации (КИБ+ионная имплантация) режущего инструмента на его размерную стойкость
Введение к работе
Актуальность. Научно-технический прогресс в большей степени связан с созданием новых металлообрабатывающих инструментов и сроков их надежной эксплуатации.
Широкое применение металлорежущего оборудования с числовым программным управлением и автоматических линий, предъявляемые повышенные требования к надежности технологического процесса механической обработки, к физико-механическим свойствам обрабатываемой поверхности, ее шероховатости и точности обработки, требует значительного повышения размерной и технологической стойкости инструмента, его эксплуатационной надежности и долговечности. Использование в промышленности все большего количества современных высокопрочных и труднообрабатываемых материалов предполагает при технологической подготовке производства оперативно принимать оптимальные решения, учитывающие сложный комплекс вопросов связанных с назначением режимов резания, производительностью, точностью обработки резанием, свойствами обрабатываемой поверхности, влияющих в конечном итоге на себестоимость изготовления и надежность изделий в процессе эксплуатации. Работами профессоров Макарова А.Д., Мухина B.C., Шустера Л.Ш. и других исследователей [68, 69, 71, 92] установлено, что условия работы металлорежущего инструмента во многих случаях характеризуются наличием в сопряженном пространстве больших давлений, высоких скоростей деформаций, повышенной температуры. При этом создаются благоприятные условия для развития адгезии, взаимной диффузии, окисления и наводораживания поверхностей, изменение их структурно-фазового состава, генерирования электродвижущей силы, которые приводят к потере работоспособности металлорежущих инструментов при их эксплуатации.
Основным направлением при решении задачи подъема технического уровня и улучшения качества металлорежущего инструмента член-корреспондент Международной и Российской инженерных академий М.С. Поляк видит в создании и внедрении материалосберегающих технологий, которые обуславливают необходимость разработки новых инструментальных материалов, использования методов упрочнения или нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности инструментов с целью увеличения их износостойкости.
Однако, одной модификацией инструментального материала, например, его объемным легированием, невозможно в полной мере решить задачи современного машиностроения, хотя это и приводит к улучшению эксплуатационных характеристик инструментальных сталей и сплавов; дело в том, что такой путь развития машиностроения ориентирован на использование значительных количеств крайне дефицитных материалов, таких как хром, кобальт, молибден, ванадий, вольфрам.
В идеальном случае задача повышения существующего ресурса металлообрабатывающего инструмента при механической обработке металлов резанием зачастую предусматривает качественную модификацию структурно-фазового состава используемого материала во всем его объеме режущей части (за счет использования сквозных методов упрочнения инструментальных материалов), позволяющих использовать весь ресурс инструментов при эксплуатации с учетом переточек не прибегая к дополнительным методам упрочнения [40,41, 83].
Перспективные направления развития технологий поверхностно-упрочняющей обработки разработанные докторами технических наук, профессорами: А.С. Верещакой, И.П. Третьяковым, В.М. Мацевитым, В.А. Белоусом, С.Н. Григорьевым [12, 16, 25, 67] предполагают освоение и развитие новых методов создания износостойких покрытий с использованием в основном тугоплавких материалов, т.е. покрытий на основе металлоподобных и неметаллических соединений в виде карбидов и нитридов. Для таких материалов характерны высокие показатели твердости, износостойкости и теплостойкости.
Модификация рабочих поверхностей металлорежущего инструмента имеет свою, особую специфику, которая отражается в наименовании следующих технологий:
метод наплавки;
метод импульсного термического удара;
метод лазерного упрочнения;
метод ионно-плазменного нанесения покрытия;
метод электроакустического напыления-легирования;
метод ионной имплантации;
метод обработки импульсным магнитным полем;
метод эпиламирования рабочих поверхностей;
комбинированные методы модификации рабочих поверхностей. Работами члена корреспондента Международной и Российской инженерных академий М.С. Поляка установлено, что образование упрочняющих покрытий из разнородных конструкционных материалов приводит не только к модификации материала поверхностного слоя, повышающей эксплуатационные характеристики подвергнутого обработке режущего инструмента, но и к образованию в ряде случаев принципиально нового износостойкого материала поверхностного слоя, обладающего как высокой прочностью и достаточной пластичностью, так и повышенной износостойкостью. Такие покрытия отвечают практически всей совокупности требований эксплуатационного и технологического характера в части твердости, износостойкости, теплостойкости, плотности, сплошности, прочности сцепления нанесенного поверхностного слоя с материалом основы. Известны несколько вариантов таких износостойких покрытий, различающихся химическим составом компонентов, числом и толщиной промежуточных слоев, типом переходов модифицированных зон к основе, технологией и механизмом формообразования слоев упрочнения.
Вместе с тем на выбор того или иного метода упрочнения или нанесения износостойкого покрытия металлообрабатывающего инструмента влияет его очередность в составе всей технологической цепочки производства инструмента, т.е. влиянием предыдущей технологической операции на результативность нанесения упрочняющего покрытия или, наоборот, влиянием особенностей технологии выполнения упрочняющего покрытия на результативность предыдущих. При всем многообразии существующих методов упрочнения режущих инструментов, достаточно сложно обосновать и остановить свой выбор на наиболее приемлемом методе нанесения упрочняющего покрытия, поскольку это сопряжено с тщательной проработкой всего технологического цикла изготовления инструмента. Несмотря на известность и несомненные эксплуатационные достоинства многих методов повышения размерной стойкости # металлообрабатывающих инструментов, вопросы, связанные с проблемой замедления или предотвращения процессов изнашивания инструментов, с организацией технологии их упрочнения, особенно, комплексными методами, отражены в научно-технической литературе еще не достаточно полно. Способы эксплуатации подвергнутых упрочнению и нанесению износостойких покрытий инструментов изучены так же недостаточно и их потенциальные возможности используются далеко не полностью. Опубликованные в научно-технической литературе результаты исследований и рекомендации по эксплуатации упрочненных инструментов не всегда удовлетворяют запросы современного машиностроительного производства. В ряде случаев, по ним даже в первом приближении невозможно прогнозировать размерную стойкость инструментов, точность обрабатываемой поверхности и физико-механические свойства обработанной поверхности. Отсутствие в нормативах научно-обоснованных рекомендаций по выбору оптимальных режимов резания инструментами с модифицированными поверхностями режущих элементов, часто приводят к тому, что значительные резервы повышения износостойкости металлообрабатывающих инструментов практически не используются и этим сдерживают повышение производительности на операциях механической обработки.
В этой связи, несомненно актуальными являются выполненные автором исследования, направленные на решение вопроса повышения износостойкости режущего инструмента при обработке конструкционных сталей за счет модификации рабочих поверхностей инструментов методом электроакустического напыления-легирования.
Актуальность работы подтверждается и тем, что результаты исследований внедрены на машиностроительном предприятии ОАО «Витязь», исходя из его потребностей производства. Научная новизна работы состоит в следующем:
- установлено, что необходимая толщина, сплошность, твердость и шероховатость износостойкого покрытия и содержание основного упрочняющего элемента в нем обеспечивается оптимальным сочетанием исходной шероховатости упрочняемой поверхности и режимами упрочнения; режимы упрочнения классифицированы в зависимости от толщины и шероховатости покрытия; разработаны математические зависимости, позволяющие рассчитывать и прогнозировать необходимую толщину и шероховатость износостойкого покрытия;
- установлено совпадение оптимальных температур резания (0О) при обработке конструкционных сталей инструментами из быстрорежущей стали с модифицированными рабочими поверхностями с температурами охрупчивания обрабатываемых материалов (0ПП), то есть температурой, при которой характеристики их пластичности д и у/ минимальны. Эта закономерность позволила на основе знания зависимостей параметров пластичности сталей от температуры 8 = /(0), у/ = Д0) определять значения оптимальной температуры резания; разработана ускоренная методика определения оптимальной (по интенсивности износа инструмента) скорости резания при обработке конструкционных сталей инструментами с модифицированными рабочими поверхностями на основе знания значения температуры охрупчивания стали ©пп и проведения кратковременных температурных испытаний при резании Q = f(V);
- установлена взаимосвязь оптимальной скорости резания VQ С действительным пределом прочности конструкционных сталей Se; разработана математическая модель оптимальной скорости резания с использованием многофакторного планирования эксперимента, учитывающая влияние действительного предела прочности Se (при 0ПП) обрабатываемых материалов, режимов резания, геометрии инструмента и параметрического критерия модификации Км, представляющего собой отношение величин прочности адгезионных связей на срез т„ неупрочненного индентора к модифицированному.
Практическая ценность работы
На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований:
- предложены математические зависимости, позволяющие рассчитывать и прогнозировать толщину и шероховатость износостойких покрытий, наносимых методом электроакустического напыления-легирования (ЭЛАН);
- предложена ускоренная методика определения оптимальной скорости резания без проведения длительных и дорогостоящих стойкостных испытаний на основе знания параметров пластичности обрабатываемых материалов S = f(Q), =/(0) и кратковременных температурных испытаний при резании;
- на основе положения постоянства оптимальной температуры резания и использования математического планирования эксперимента разработана адекватная математическая модель определения оптимальной скорости резания для любых конструкционных сталей (с ав от 500 до 1000 Н/мм ) в
Апробация работы и публикации
Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе докладывались и обсуждались на:
- научно-практической конференции Оренбургского областного правления ВНТО машиностроителей и Оренбургского политехнического института «Пути повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ». - Оренбург, 1996;
- научно-технической конференции Уфимского государственного авиационного технического университета «Автоматизированные технологии и мехатронные системы в машиностроении». - Уфа, 1997;
- международной научно-технической конференции «Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы». - Уфа, 2004;
- заседании НТС факультета АТС УГАТУ - ноябрь, 2006. Материалы работы экспонировались и удостоены серебряной медали ВДНХ СССР в 1991 году.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах.
Публикации Основные положения выполненных экспериментальных и теоретических исследований опубликованы:
1. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М., Мугафаров М.Ф. Определение оптимальных скоростей резания при точении конструкционных сталей инструментами с модифицированными рабочими поверхностями // Вестник УГАТУ. -Уфа. - 2006. - Т.7, №1(14). - С.199-202.
2. Доброрез А.П., Ипполитов В.Н. Повышение стойкости режущего инструмента методом электроакустического напыления // Пути повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ: Тезисы докладов научно-практической конференции. - Оренбург: Оренбургский политехнический институт, 1996. - с.38-39.
3. Ипполитов В.Н. К вопросу повышения стойкости режущего инструмента // Автоматизированные технологические и мехатронные системы в машиностроении: Сборник научных трудов. - Уфа, 1997. - с.142-143.
4. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М. Обработка режущего инструмента импульсным магнитным полем // Авиационно-технические системы: Межвузовский сборник научных трудов. - Уфа, 2004. - с.207-213.
5. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М. Упрочнение ржущего инструмента методом импульсного термоудара // Авиационно-технические системы: Межвузовский сборник научных трудов. - Уфа, 2004. - с.219-225.
6. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М. Эпиламирование и износостойкость режущего инструмента // Авиационно-технические системы: Межвузовский сборник научных трудов. - Уфа, 2004. - с.233-235.
7. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М. К вопросу повышения стойкости инструментов из быстрорежущей стали Р6М5 с износостойкими покрытиями и подвергнутых ионной имплантации // Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы: Сборник трудов международной научно-технической конференции. - Уфа, 2004. - с.21-26.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из перечня основных терминов, сокращений, обозначений, символов, введения, пяти глав, списка литературы и приложения, содержит 186 страниц машинописного текста, 101 рисунок, 23 таблицы и 132 наименования использованной литературы.
Совместимость конструктивных факторов режущих инструментов с методами модификации рабочих поверхностей
Обоснование и выбор инструментальных материалов, конструктивных параметров инструментов, подвергаемых различным методам упрочнения и нанесения износостойких покрытий, достаточно сложный, поскольку это сопряжено с тщательной проработкой всего технологического цикла изготовления инструмента и последующей его эксплуатацией. -Основным показателем надежности инструмента является его стойкость (7), зависящая от следующих факторов: - геометрических и габаритных его параметров; - числа и расположения режущих поверхностей; - состава и качества инструментального материала; - полного использования ресурса инструмента за счет его перетачивания. Такой выбор определяется не только техническими условиями на эксплуатацию режущих инструментов, но и рядом прочих немаловажных факторов технологического исполнения: химическим составом инструментального материала, его технологической совместимости с особенностями процесса модификации рабочих поверхностей инструментов, способностью аккумулирования прагматических достоинств инструментального материала и материала наносимого износостойкого покрытия. Поэтому разработка и реализация технологических методов упрочнения представляет собой исключительно сложную проблему науки и производства. Тем не менее, прогресс в развитии технологий модификации режущих поверхностей инструментов очевиден, и именно в силу этого происходит непрерывный рост качественных показателей эксплуатационных характеристик рабочего инструмента в части ресурса их износостойкости. Основные требования, предъявляемые к режущим инструментам с упрочненными поверхностями, представлены нарис. 1.2 [16].
Так как при изготовлении режущих инструментов нанесение упрочняющего покрытия является конечной, финишной операцией, поэтому несоответствие температурного режима нанесения упрочняющего покрытия техническим условиям температурного режима предыдущей ответственной технологической операции в ряде случаев перечеркивает достоинства всего технологического цикла изготовления инструмента, сводит на нет и достоинства операции упрочнения. Выбор требуемого метода упрочнения режущих инструментов не должен допускать термического разупрочнения инструментального материала (основы упрочнения). Таким образом, с учетом специфики работы инструмента, необходимости согласования свойств модифицирующих материалов и инструментальной основы, технологических особенностей методов -упрочнения, модифицирован-ные поверхности могут быть разделены по общим признакам на группы (рис. 1.3). С учетом специфики протекания процессов модификации рабочих поверхностей инструментов, анализируемые методы можно разделить на три группы (рис. 1.3) [39-43]. К термической группе методов модификации режущих поверхностей инструментов могут быть отнесены методы импульсного термоудара в соляных ванных готового металлорежущего инструмента и его лазерного упрочнения. Упрочнение кратковременным импульсным нагревом инструмента из стали Р6М5 способствует полноте превращения твёрдого раствора углерода в у Fe с образованием мелкодисперсных выделений карбидных частиц, что позволяет получить более равновесную мартенситную фазу, в результате выделения из твёрдого раствора углерода в у Fe и уменьшения его количества до 0,14-0,16% против 0,22-0,24% при известной технологии отпуска. Это обусловлено принятием более высокой температуры при импульсном нагреве, увеличивающим диффузионную подвижность легирующих элементов. Уменьшение остаточного аустенита практически до нуля против стандартной технологии отпуска (рис. 1.4), образование вторичных мелкодисперсных карбидных частиц, благоприятный характер их распределения в зёрнах, в субзёрнах и по границам зёрен, а также уменьшение числа дислокаций на один порядок особенно по границам зёрен и их однонаправленность увеличивает прочность, ударную вязкость и теплостойкость стали Р6М5 (рис. 1.5) [41].
Материалы, оборудование и приборы, используемые при модификации рабочих поверхностей инструментов из стали Р6М5 и исследовании их упрочненных поверхностей
Модификация рабочих поверхностей инструментов проводилась с использованием упрочняющих электродов из: вольфрама (W-98%); твердых сплавов ВК8 и Т5К10; -самозащитной порошковой проволоки марки ППРИ-1 (Мо-0,5%, Сг-6%, Ti-1%, V-1%, Мп 1%, W-1%); - соляного раствора (40%NaOH+30%NaCl+30%Na2CO3); - ПАВ,эпилама 6СФК-180-5 ТУ 6-02-602-79; - металлов Ті, Zr; - реагирующего газа азота (N). В качестве технологического оборудования для проведения операций модификации рабочих поверхностей инструментов применялись: - установка для нанесения износостойких покрытий методом электроакустического напыления-легирования модели ЭЛАН-3 (рис. 2.10); - установка для нанесения износостойких покрытий методом конденсации покрытий их плазменной фазы с ионной бомбардировкой (метод КИБ) модели ВУ-1Б (рис. 2.11); - установка для модификации изделий методом ионной имплантации азота в приповерхностные слои режущих инструментов модели ВИУ-1 (рис.2.12). Химический состав модифицированного слоя определялся с помощью микроанализатора «JXA-6400». Исходная шероховатость и шероховатость модифицированных поверхностей режущих инструментов определялась с помощью профилографа-профилометра завода «Калибр» модели 253Х-182 (рис 2.15). ) Микротвердость модифицированных поверхностей определяли микротвердомером модели ПМТ-3 (рис. 2.17). Твердость режущего инструмента и образцов из стали Р6М5 определялась твердомером модели ТК-14-250 ГОСТ 13407-67, представленном на рис. 2.18. Рисунок 3.1. Схема процесса теплообмена Альтернативой ионно-плазменному упрочнению режущих инструментов из быстрорежущей стали Р6М5 ГОСТ 19265-73 может служить метод электроакустического напыления-легирования.
Однако следует помнить, что надежная работа инструмента без отслаивания износостойких покрытий возможна при условии, что в процессе нанесения покрытия за счет нагрева от искровых разрядов и от тепла расплавленного электрода поверхностный слой основного металла должен быть нагрет до температуры плавления. В этом случае в результате диффузии произойдет надежное соединение износостойкого покрытия с материалом основы. Схема процесса теплообмена при электроакустическом напылении-легировании может быть представлена следующим образом (рис. 3.1). Электрод из упрочняющего материала, имеющий положительный заряд, скользит со скоростью v по упрочняемой поверхности материала основы. В месте контакта между электродом и изделием, имеющим отрицательный заряд, возникают электрические разряды, которые нагревают электрод и изделие. Во время электрического разряда электроны из отрицательно заряженного изделия движутся к положительно заряженному электроду, а навстречу им движутся ионы расплавленного электрода и осаждаются на поверхности изделия.
Ультразвуковое воздействие электрода на упрочняемую поверхность обрабатываемого инструмента
При контакте упрочняющего электрода, колеблющегося с ультразвуковой частотой, и упрочняемой легируемой поверхностью инструмента возникает удар, при котором мгновенные значения усилий во много раз превосходят значение статического усилия прижима. Эффект упрочняющей ультразвуковой обработки проявляется максимально при воздействии на термообработанные (твердые) инструментальные стали. При ультразвуковом воздействии на упрочняемую поверхность происходит перераспределение остаточных напряжений в обрабатываемом инструменте, уменьшается концентрация напряжений возе пор, микротрещин и локальных несовершенств кристаллической решетки материала, что приводит к повышению сопротивления усталости упрочняемого инструмента, изменениями в тонкой структуре последнего и созданием в поверхностном слое режущей части остаточных напряжений сжатия, которые препятствуют микровыкрашиваниям под действием сил резания [7]. Ультразвуковая колебательная система является резонансной системой. В диапазоне частот системы может находиться несколько резонансов, т.е. имеет место существенное увеличение механических колебаний электрода при изменении частоты ультразвукового генератора. Сущность настройки ультразвуковой колебательной системы установки ЭЛАН-3 заключается в установлении частоты колебаний соответствующей одному из резонансов. Выбор рабочего резонанса определяется технологическими параметрами процесса напыления-легирования. Рабочим органом ультразвуковой колебательной системы является магнитострикционный преобразователь типа ПМС -основанный на использовании прямого магнитострикционного эффекта (деформировании тел при изменении их магнитного состояния - в частности изменение линейных размеров материалов помещенных в магнитное поле).
Переменное магнитное поле ультразвуковой частоты создается в магнитострикционном преобразователе генератором. Оно периодически намагничивает магнитострикционный пакет, вследствие чего изменяется его длина. Укрепленный на пакете акустический трансформатор (концентратор) служит для увеличения амплитуды колебаний электрода.
При значительной интенсивности ультразвуковых колебаний электрода импульсное воздействие (удары) на упрочняемой поверхности инструмента приводят к ее пластическому деформированию сопровождающемуся наклепом поверхности. Эффект достигается в результате механического воздействия упрочняющего электрода на дислокационную структуру кристаллической решетки упрочняемого материала основы. Под действие внешних сил, дислокации двигаются, что и определяет дислокационный механизм пластической деформации упрочняемого материала (рис. 3.5). Механическое воздействие на поверхностный слой упрочняемого инструмента в первую очередь определяется действующим напряжением и дислокационной структурой металла этого слоя (рис. 3.5). Связь между напряжением течения металла а и плотностью дислокаций р описывается уравнением [96] где fi - модуль сдвига, МН/м ; в - вектор Бюргерса, см. При ультразвуковом воздействии на материал где А - амплитуда колебаний электрода, мкм; Рст - статическая сила, Н. Из уравнений (3.6) и (3.7) следует Диффузионное проникновение напыляемого материала электрода в материал основы (инструмента) происходит в результате присутствия точечных дефектов в кристаллической решетке-вакансии (вакансии - узлы в кристаллической решетке свободные от атомов). Перемещение вакансий по кристаллу рассматривается как встречное движение атомов, которые играют важную роль в диффузионном процессе. Механизм замещения атомов показан на рис. 3.6. Характерными при ультразвуковом воздействии электрода на упрочняемую поверхность инструмента являются: высокая частота ультразвуковых колебаний (/=19,5+-22,5кГц), незначительная амплитуда колебаний (Л=5-И0мкм), небольшая статическая сила (Рст=3 0-КЗ ООН); весьма малое время контакта электрода с инструментом, большое отношение тангенциальной силы к нормальной (PT/PN=0.7), значительные колебания скорости электрода (Уг2ж/А 2...3м/с), ускорение (/-(27г/)2-Л 24-104м/с2) и многократность деформирования (Z 400MM" ).
В результате совместного действия механических продольно-крутильных колебаний ультразвуковой частоты и электрической искры в процессе электроакустического напыления-легирования происходят металлургические процессы на поверхности и химические реакции легирующего металла с диссоциированным атомарным азотом и углеродом воздуха, а также с материалом инструмента. В поверхностных слоях инструмента образуются закалочные структуры и сложные химические соединения (высокодисперсные нитриды, карбонитриды и карбиды) возникает диффузионный износостойкий упрочненный слой на рабочей поверхности инструмента.
Изменение микротвердости напыленно-легированного покрытия, нанесенного на установке ЭЛАН-3 электродом марки Т5К10 на инструмент из стали Р6М5, приведено на рис. 3.7, в зависимости от толщины покрытия.
Как видно из графика микротвердость упрочненного поверхностного слоя распределяется неравномерно. Наибольшую микротвердость имеет приповерхностный напыленный «белый слой». По мере углубления в основу микротвердость уменьшается и достигает значения микротвердости исходного термообработанного материала инструмента.
Исследование влияния комбинированной модификации (КИБ+ионная имплантация) режущего инструмента на его размерную стойкость
Исследования влияния скорости резания на стойкость режущего инструмента поводились при точении резцами изготовленными по стандартной технологии, упрочненными нитридом титана (TiN), нитридом циркония (ZrN), комбинированной модификацией - нитрид титана+ионная имплантация азотом (TiN+N), комбинированной модификацией - нитрид циркония+ионная имплантация азотом (ZrN+N). На основании проведенных исследований построены зависимости: h3=f(L) (рис. 4.2-4.6,4.8-4.10). Обработка экспериментальных данных позволила построить зависимость h03=f(V),l = f(V) и 0 = f(V)(рис. 4.11-4.16). Анализ зависимостей прочностных (ав, as) и пластических (д, у) свойств конструкционных сталей от температуры испытания (табл. 2.1, рис. 2.1 [38]) показал, что при некоторой температуре испытания наблюдается охрупчивание (провал пластичности), характеризуемое резким снижением характеристик д и у/. На основании проведенных стойкостных испытаний при точении резцами из стали Р6М5 и анализа зависимостей прочностных и пластичных свойств конструкционных сталей от температуры 0 (рис. 2.1) установлено, что значение оптимальной температуры резания незначительно отличается от температуры наименьшей их пластичности (рис. 4.7 и 4.16).
Поэтому с достаточной для практических целей точностью в качестве оптимальных температур резания для конструкционных сталей могут приниматься температуры наименьшей их пластичности. Факт совпадения температур 90 и 9ПП может быть использован для ускоренного определения оптимальных скоростей резания Г0 лишь на основе температурных исследований, без постановки трудоемких и дорогостоящих стойкостных испытаний. Аналогичные результаты были получены профессором Макаровым А.Д.. Мухиным B.C. и другими исследователями [54,56] при точении труднооборабатываемых материалов твердосплавными резцами. Установлена так же определенная зависимость оптимальной скорости резания VQ ОТ действительного предела прочности Se и подачи .у (рис. 4.17, 4.18) - с повышением Se и s оптимальная скорость резания снижается. Известно, что применение многофакторного эксперимента позволяет получить математическую модель, которая наиболее полно отражает внутренние связи исследуемого процесса [72].
Основной предпосылкой для аналитического определения VQ явилось существование тесной взаимосвязи с одной стороны между VQ И действительным пределом прочности Se обрабатываемого материала и с другой - между VQ и параметрическим критерием модификации (3.18). Суммарным критерием, оценивающим одновременно влияние прочности (ав, НВ) и пластичных ( 5, у/) свойств обрабатываемого материала, является ДеЙСТВИТеЛЬНЫЙ (ИСТИННЫЙ) Предел ПрОЧНОСТИ При раСТЯЖеНИИ Se = (Тв(1+3). Эта величина является достаточно точной характеристикой удельной работы деформации при резании, учитывающей действующие на рабочей поверхности инструмента усилия и температуры [16,116]. Для получения аналитической зависимости V0=f(Se,s,t,r,KM) был проведен полный факторный эксперимент (ПФЭ) типа 25. В качестве независимых переменных были взяты действительный предел прочности стали при оптимальной температуре Se, подача s, глубина резания t, радиус резца при вершине г и параметр упрочнения (модификации) Км. Кодовое обозначение и уровни этих переменных приведены в табл. 4.1. При этом постулировалась математическая модель в виде полинома первого порядка у = lg V0 = b0 + blxl + b2x2 + b3x3 + Реализация плана (ПФЭ) позволила получить адекватную математическую модель y = \gV0 =1,761281-0,12915Ц -0,166758 2 -0,015127 +0,05983Ц + Коэффициенты регрессии рассчитывались методам наименьших квадратов в среде Microsoft Excel (по программе составленной к. ф-м. н. Мугафаро-вым М.Ф.). Проверка коэффициентов регрессии на значимость проводилась с помощью /-критерия по формуле где \Ь\ - абсолютная величина коэффициента регрессии; SE - дисперсия опыта; СЦ - диагональный элемент ковариационной матрицы. В результате все коэффициенты парного взаимодействия оказались незначимыми. Проверка модели на адекватность производилась по F-критерию. где Se - дисперсия, характеризующая неадекватность представления результатов эксперимента; fe =п к- степень свободы (к - количество вычисленных коэффициентов регрессии). Интерпретация уравнения (4.3) показывает, что повышение Se, s и t приводит к снижению VQ, а повышение г и Кми. - к повышению VQ. Используя зависимость (4.1), уравнение (4.3) можно преобразовать в степенную зависимость для натуральных величин С помощью разработанных моделей, удалось впервые в формализованном виде представить влияние различных типов износостойких покрытий на величину оптимальной скорости резания при точении конструкционных сталей инструментами из быстрорежущей стали Р6М5. Предложенные модели учитывают влияние на оптимальную скорость таких параметров как физико-механические свойства обрабатываемых материалов, режимы резания и геометрия инструмента. Область применения модели VQ=f(Se,s,t,r,KMU) определяется диапазоном изменения параметров процесса резания и различными типами износостойких покрытий. Этот диапазон возможного изменения параметров режимов обработки, свойств обрабатываемых материалов, геометрии инструмента и покрытий рабочих поверхностей инструмента достаточно широк применительно к чистовой обработке и соответствует реальным условиям машиностроительного производства (табл. 4.1). Поэтому их целесообразно использовать при расчете оптимальных режимов резания инструментами с покрытиями.
