Введение к работе
Актуальность проблемы. Диссертация посвящена изысканию путей овышения эффективности использования технологических процессов ион-ю-вакуумной обработки инструментов на основе управления их эксплуа-ационными свойствами.
Повышение работоспособности инструментов, обеспечение их надеж-[ой и безотказней эксплуатации представляет собой крупную народно-:озяЙственную проблему. В связи с этим важным и актуальным является юиск, изучение и внедрение в практику новых высокоэффективных эко-. югически чистых методов улучшения эксплуатационных свойств инстру-іентов, альтернативных традиционным термическим и механическим спо-:обам обработки. Решение указанной проблемы позволит широко,исполь-ювать высококачественный инструмент в условиях прессово-штампового і станочного металлообрабатывающего производств, в том числе и на автоматизированном оборудовании. Все перечисленное является важном эезервом роста'эффективности производства и повышения производитель-юсти процесса механической обработки.
Эксплуатационные свойства инструментов такие, как износо- и коррозионная стойкости, долговечность, безотказность в работе, в значительной степени определяются качеством их поверхностных слоев. Армирование высокого качества последних является одним из наиболее эффективных способов повышения работоспособности инструментов. В этой связи обобщение закономерностей поведения поверхностных слоев как в процессе их ионно-вакуумной обработки, так и в процессе эксплуатации в широких диапазонах изменения параметров с целью изучения физической природы взаимосвязи структуры, состава и строения с физико-механическими и химическими свойствами инструментальных материалов, и не этой базе разработка научных основ управления этими свойствами является решением крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Кроме того, актуальность работы подтверждается присуждением ее автору (в соавторстве) ГРАНГа 1993-94 гг. по исследованиям в области машиностроения по направлению "Режущие инструменты, штампы, прес-сформн", за разработку и математическое моделирование метода модификации рабочих поверхностей режущих инструментов, штампов и пресс-форм.
Цель работы. Создание теоретических и технологических основ направленного улучшения свойств поверхностных слоев изделий из инструментальных мйтъриалов посредством их ионно-вакуумной модификации, на базе которых решается важная народнохозяйственная проблема повышения работоспособности режущих, прессово-иггампових и других обрабатывающих инструментов.
Методы исследований. Работа выполнена на основе системного подхода к процессу ионно-вакуумной модификации ЦШМ) с использованием фундаментальных положений термодинамики, физики твердого тела, квантовой механики, феномблогической теории конфигурационного строения вещества, многопараметрического регрессионного анализа, математических методов обработки экспериментальных данных. В работе использованы оригинальные методики оценки упрочнения поверхностного слоя и ад-' гезионной прочности покрытий, а также современные методы металло-фи-зических исследований - рентгеноструктурный анализ, сканирующая электронная и туннельная микроскопия. Обработка и анализ полученных данных производились с использованием ЭВМ.
Теоретические положения работы подтверждены экспериментальными исследованиями образцов и изделий с модифицированными поверхностями, использованы при разработке промышленных технологий ионно-вакуумной модификации инструментов и в учебном процессе.
Научная новизна состоит в:
предложенной методологии направленного формирования свойств поверхностных слоев изделий из инструментальных материалов, основанной на анализе эволюции конфигурационной модели вещества при самоорганизации (организации) системы "инструментальный материал - модифицирующие элементы'' в твердом состоянии как непосредственно во время ионно-вакуумной модификации, так и при эксплуатации инструментов;
разработанной эволюционной синергетической многофакторной модели системы "инструментальный материал - модифицирующие элементы", позволяющей оценивать прочностные и пластические свойства модифицированных поверхностных слоев и управлять указанными свойствами;
созданной математической модели процесса модификации инструментальных материалов.устенавливащей связь между параметрами решетки твердорастворного состояния системы и характеристиками элементов, ее составляющих,и позволяющей оценивать и управлять состоянием поверхностного слоя изделия;
- разработанное методе прогнозирования свойств поверхностных
лоев инструментальных материалов, позволяющем оценить существова-
;ие и свойства бинарных химических соединений, формируемых ионной
'брасюткой;
- закономерностях, связывающих параметры способов ШЛ с техно-
огическими характеристиками точности и качества модифицированных
:лоев.
На защиту выносятся:
- методология управления свойствами поверхностных слоев изделий,
існованная на допущении о способности системы "инструментальный ма-
ериал - модифицирующие элемента" к сямоорганизации в твердом сос-
оянии как непосредственно во время ионно-векуумной модификации, так
і после нее - при эксплуатации инструмента;
- концепция комплексной оценки направления самоорганизации, за
мечающаяся в стремлении элементов диссипативной системы занять эне-
)гетически выгодные положения, определяпцие общий минимум энергм
системы. Такими положениями являются стабильные электронные конфи-
'урации на внешних валентных оболочках атомов, изменяя соотношения
Юлей которых за счет модифицирующих элементов, можно влиять на та-
(ие свойства поверхностных слоев изделий, как прочность, твердость
1 пластичность;
математический анализ равновесных конфигураций атомов модифицирующего элемента; математические закономерности, связывающие шраметр решетки и релаксационный объем внедренного атома с концентрацией модифицирующих элементов в твердом растворе;
результаты моделирования поведения атомов модифицирующего цемента в мартенсите инструментальной стали, показывающие, что внесенным атомам энергетически выгодно объединяться в комплексы,которые могут являться зародышами новых фраз и соединений;
разработанные методики и рекомендации по целенаправленному армированию свойств поверхностных слоев изделий из инструментальных материалов путем их модификации, а также по определению рациональных способов ионных воздействий и их режимов для обработки различных групп инструментальных материалов;
результаты лабораторных и производственных испытаний физико-механических, химических и эксплуатационных свойств инструментов, прошедших модификацию;
- рекомендации по разработке технологических процессов модифи
кации поверхности изделий в вакууме.
Практическая ценность работы заключается в:
созданных алгоритмах и программах расчетов для 1)ВМ выбора моду фицирущих элементов, оценки существования и свойств их соединений;
установленных областях рационального применения различных способов ионно-вакуумной модификации поверхности, и оценке возможности их последовательного и параллельного осуществления;
технологических рекомендациях по проектированию типовых экологически чистых процессов финишной обработки прессово-штамповых и режущих инструментов, а также в рекомендациях по модернизации существующего промышленного оборудования для внедрения этих процессов.
Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке и внедрении технологических процессов ионно-вакуумной модификации инструментов на ШО "Востокмашзавод" (г. Усть-Каменогорск, Казахстан). Полученные данные использованы также при разработке нового технологического оборудования для ионно-вакуумной модификации и нанесения покрытий на изделия. Внедрение технологических процессов ИВМ металлорежущих инструментов, штампов и технологической оснастки позволили повысить их стойкость в 3...4 раза, что дало значительный экономический эффект (г. Полоцк, Беларусь). Типовой экологически чистый процесс финишной ИВМ стальных прессформ принят для внедрения на машиностроительных предприятиях России Ассоциацией центров инжиниринга и автоматизации Российской Федерации. Испытания работоспособности прессово-штамповых и режущих инструментов, прошедших ионно-ваку-умную модификацию, были проведены в производственных условиях 10 предприятий России и стран СНГ. Положительные итоги этих апробаций подтверждены 14 актами испытаний 'и внедрений.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на 27 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе на международных и всесоюзных (СНГ): АМО-89, АМ0-9І (Болгария, Ботевград); Шишяяди* (Лаплеенраига), 1989; I Всесоюзный сьеэд технологов СССР, Москва, 1989; П международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы фундаментальных наук", Москьа, 1994; "Технология-94", С.-Петербург, ІУ94; "Нелинейные явления в сложных системах", Белоруссия, Полоцк, 1994; "Новые технологии в машино-
і-роении", Украина, Харьков-Рыбачье, 1994; "Износостойкость машин", )ссия, Брянск, ЫЛ>; I, П и Ш конференции "Модификация свойств кон-грукционных материалов пучками заряженных частиц", Россия, Томск, іердловск, І9Ь6, ІУУІ, ІУУ4; "Ионно-лучевая модификация материалов? ггва, Каунас, ІЛЗУ; "Радиационная повреждаемость и работоспособ-)сть конструкционных материалов", Россия, Петрозаводск, Псков, 1990, 193; "Прикладные вопросы ионной имплантации", Белоруссия, Сморгонь, >92; "Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения восстановления деталей машин", Белоруссия, Новополоцк, 1993; "Мо-фисация свойств поверхностных слоев неполупроводниковых материалов средством воздействия пучками заряженных частиц", Украина, Сумы, 194.
В целом работа обсуждена в 1995 г. на совместном заседании кадр "Технология конструкционных материалов" и Технология машино-роения" С.-Петербургского государственного технического университе-| с участием представителей кафедр "материаловедение", "Гибкие вв-матические комплексы", "Физика металлов", "Оборудование и техноло-я сварочного производства", "Теоретическая механика", "Детали ма-н", "Турбиностроение'' СПбПУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 58 научных бот, в том числе I авторское свидетельство на изобретение, а также учебных пособия.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти ев, заключения и выводов, изложенным на -/^5"страницах машинопис-го текста, содержит 52 рисунка, 20 таблиц , список литературы включающий 2-03 наименований я три приложения.
