автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Обеспечение надежности резцов оснащенных керамикой на основе повышения динамических характеристик резания и применения наноструктурированных многослойных покрытий

обеспечение надежности резцов оснащенных керамикой

на основе повышения динамических характеристик резания и применения

наноструктурированных многослойных покрытий

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и

физико-технической обработки

17 май 2015 автореферат гпгтшт7пт5"

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2015 г.

005569541

005569541

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский политехнический университет» на кафедре «Технология машиностроительного производства» (ФГБОУ ВПО ИВГПУ) и федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»)

Научный руководитель: Верещака Анатолий Степанович

доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»,

Официальные оппоненты: Максимов Юрий Викторович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизированные станочные системы и инструмент» ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет» «МАМИ»

Кущева Марина Евгеньевна

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ивановский

государственный энергетический университет» им. В.И. Ленина

Защита состоится «23» июня 2015 г. в / 'на заседании

диссертационного совета Д 212.142.01 на базе ФГБОУ ВПО "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" по адресу: 127994, г. Москва, Вадковский пер., д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" и на сайте http://www.stankin.ni/science/dissertatsionnve-sovetv/d-212-142-01 /.

Автореферат разослан «15» мая 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

4с.т.н., доцент

Волосова Мг(рина Александровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Лезвийный инструмент из керамики достаточно широко используют в автоматизированном производстве, так как керамика обладает высокой твердостью и теплостойкостью, что обеспечивает повышенную износостойкость инструмента при высоких температурах, возникающих в зоне обработки при резании на высоких скоростях. Инструменты из РК позволяют формировать шероховатость обработанной поверхности, соизмеримой с шероховатостью, характерной для операций шлифования 0,8-0,6 мкм), а также способны обеспечить получение высокой точности (округлости) формы детали, превышающей подобную характеристику, получаемую при шлифовании, при аналогичной чистоте обработки. В этой связи следует отметить мировую тенденцию замены процессов шлифования закалённых сталей на более эффективную обработку керамическим инструментом. Вместе с тем для РК характерна низкая трещиностойкость и повышенная хрупкость, что делает инструмент из РК чувствительным к вибрациям, возникающим при резании. Вибрации являются причиной формирования трещин в керамическом материале, которые из-за отсутствия пластической связующей фазы не встречают барьеров, способных затормозить или остановить их развитие. Указанное является причиной внезапных отказов токарного керамического инструмента из-за хрупкого разрушения режущей кромки и его недостаточной надежности.

Таким образом, обеспечение надёжности резцов из РК на основе применения нанодисперсных многослойных покрытий и демпфирующих устройств, позволяющих снизить вероятность внезапного отказа керамического инструмента, является актуальной научно-практической задачей.

Работа выполнялась в рамках программы Президиума Академии Наук Российской Федерации «Поддержка инноваций и разработок» по теме:

«Разработка технологий получения материалов с заданными уникальными свойствами на основе синтеза многокомпонентных нанодисперсных систем при использовании вакуумно-дуговых процессов осаждения с фильтрацией паро-ионного потока», при финансовой поддержке грантов Минобрнауки РФ:

- № 2014/68 (код проекта 254, название "Физические принципы повышения надёжности и устойчивости процессов механической и электрофизической обработки на основе квантово-механических моделей на микро- и наноуровнях");

- № 9.251.2014/К (код проекта 251, название "Разработка нового металлорежущего инструмента для сложных условий его эксплуатации и разработка метода экспрессной оценки качества инструмента").

Кроме того, актуальность диссертационной работы подтверждается её соответствием тематике научной программы Академии наук Российской Федерации «Поддержка инноваций и разработок» по тематике «Разработка технологий получения материалов с заданными уникальными свойствами на основе синтеза многокомпонентных нанодисперсных систем при использовании вакуумно-дуговых процессов осаждения с фильтрацией паро-ионного потока».

Степень разработанности. Большой вклад в исследование процессов изнашивания и отказов, а также надежности керамического режущего инструмента внесли отечественные и зарубежные ученые: В.Н.Аникин, Д.А. Бекташов, Г.В. Боровский, A.C. Верещака, A.M. Вульф, Г.Г. Гнесин, В.П. Жедь, Ю.Г. Кабалдин, О.М. Кириллова, В.В. Кузин, А.У. Маргулес, А.И. Попов, Е.С. Сотова, В.К. Старков, B.C. Фадеев, A.G. Evans, H.K. Tonshoff, С. Arendt, R.S. BenAmor, R.S. PalDey, S.C. Deevi и др. Авторы в своих работах предлагают различные методы повышения режущих свойств PK путем механического и термического воздействия, которые увеличивают режущие свойства инструмента из PK при недостаточной изученности задачи обеспечения его надежности. В ряде исследований для улучшения режущих

свойств керамического инструмента предлагается использование покрытий. Однако при этом не обоснован выбор метода получения покрытий и их состава, не рассмотрены условия формирования покрытий, не изучено влияние покрытий на надежность инструмента из РК, что не позволяет эффективно реализовать идею повышения режущих свойств керамического инструмента при обеспечении его надежности.

Целью работы является обеспечение надежности токарных резцов, оснащённых пластинами из режущей керамики для процессов непрерывного точения заготовок повышенной твердости на основе применения наноструктурированных многослойных покрытий и демпфирующих устройств.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- разработать методику формирования нанометрических многослойно-композиционных покрытий для направленного залечивающего воздействия на рабочие поверхности керамических пластин, снижающих его поверхностные дефекты и уменьшающих вероятность внезапного отказа инструмента, на основе использования фильтруемых катодно-вакумно-дуговых процессов осаждения;

- разработать составы и технологии нанесения наноструктурированных многослойных покрытий на керамические пластины из смешанной оксидной керамики для оснащения токарных резцов, предназначенных для продольного точения заготовок из сталей повышенной твёрдости;

- разработать систему резания керамических пластин с покрытием для демпфирования вибрационных процессов;

- установить характер и законы распределения стойкости токарных резцов, оснащенных пластинами из смешанной керамики с покрытием, как наблюдаемой случайной величиной, разработать модели и программное обеспечение для автоматизированного расчета основных параметров установленного распределения;

- составить технические условия на применение процесса резания с демпфированием токарных резцов с покрытием для производственных условий обработки.

Достижение цели и решение задач автореферата позволит создать высокоэффективный токарный инструмент, оснащённый керамическими режущими пластинами с покрытием, имеющий высокую надежность, повышенные режущие свойства и расширенную область технологического применения. Процесс резания керамическим инструментом с разработанными покрытиями и демпфированием может быть хорошей альтернативой энергоёмкому и экологически неблагоприятному процессу шлифования с обеспечением высокой точности и низкой шероховатости формируемых поверхностей.

Объектом исследований являются токарные керамические резцы, оснащённые сменными многогранными пластинами (СМП) из смешанной режущей керамики (АЬ03-Т1С) с покрытиями, формируемыми при использовании процесса фильтруемого катодно-вакуумно-дугового осаждения и демпферное устройство.

Предметом исследования являются установление закономерностей процесса непрерывного резания с демпфированием критических сил резания и сил, возникающих при врезании керамическим инструментом с наноструктурированными многослойными покрытиями.

Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:

- Установлено, что стандартные токарные резцы, оснащенные пластинками из РК, подчиняются экспоненциальному закону распределения наблюдаемой случайной величины (коэффициент вариации в данном случае составляет 1,08).

- Установлено влияние покрытий на статистику внезапных отказов токарных резцов, оснащенных РК. Так, при нанесении наноструктурируемых покрытий на основе СгЫ и методом КИБ удалось получить коэффициент

вариации равный 0,39 и 0,45 соответственно, что приводит к смене экспоненциального закона на распределение Вейбула - Гнеденко.

- Применение демпфирующего устройства, как повышение надежности токарного инструмента, подчиняется закону распределения Вейбулла -Гнеденко (коэффициент вариации в данном случае составляет 0,36). Это приводит к более прогнозируемому процессу разрушения.

- Разработана программа автоматизированного расчета основных параметров надежности с возможностью построения графических зависимостей.

Научная новизна работы состоит в:

- закономерностях связей между вероятностью отказов и степенью изнашивания токарных резцов, оснащенных смешанной керамикой без покрытия и с покрытием, позволяющих прогнозировать надёжность инструмента на основе анализа законов распределения отказов и значений коэффициентов их вариации;

- закономерностях влияния наноструктурированных многослойных покрытий на основе систем Сг-СгЫ и осаждаемых на токарные пластины из смешанной керамики при использовании процессов фильтруемого катодно-вакуумно-дугового осаждения (ФКВДО) на статистику их случайных отказов, позволяющих установить законы и параметры распределения случайных отказов инструмента;

- системе резания с демпфированием вибраций, подчиняющейся закону распределения Вейбулла - Гнеденко, позволяющего прогнозировать отказы и повышать надежность токарного режущего инструмента из смешанной керамики с наноструктурированным многослойным покрытием при значении коэффициента вариации стойкости;

- математической модели и программе автоматизированного расчёта параметров надёжности, позволяющих построить графические интерпретации параметров надёжности.

Практическая ценность работы заключается в:

- составах и технологии нанесения покрытия на керамические пластины сборных резцов с ограниченной электропроводностью, при использовании процессов фильтруемого катодно-вакуумно-дугового осаждения (ФКВДО);

- оптимальных составах и свойствах поверхностного слоя керамического инструмента с разработанными покрытиями;

- разработке демпфирующего устройства для увеличения надёжности токарных резцов из смешанной керамики;

- разработке программного обеспечения по «Расчету основных параметров экспоненциального закона распределения наблюдаемой случайной величины». Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2013612102.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Работа соответствует формуле специальности 05.02.07 — "Технология и оборудование механической и физико-технической обработки" (технические науки) в области «исследования механических и физико-технических процессов в целях определения параметров оборудования, обеспечивающих повышение производительности обработки», а также «создание инструмента и других компонентов оборудования, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки» в полном соответствии с пп. 3,4 области исследования паспорта специальности.

Методы исследований. Работа выполнена на основе использования фундаментальных положений теории резания материалов и физики твердого тела, методов статистического анализа результатов экспериментальных исследований, математического и компьютерного моделирования. Изучение состава и свойств многослойно-композиционных покрытий выполняли на основе современных методов металлографического и металлофизического анализов с использованием методик электронно-сканирующей микроскопии, микрозондового рентгенографического анализа (EDS).

Реализация работы. Полученные научные результаты и практические рекомендации были использованы при производственных испытаниях, проведенных на ОАО «НПО ИТ» г. Королев и ОАО «Завод им. Г.К. Королева» г. Иваново, и показали, что стойкость инструмента с СМП из ВОК-71 с применением наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий Сг-СгЫ и гг-г^ при продольном точении закаленной стали У8 с твердостью 52—54 в 2.5-3.5 раза превышала стойкость инструмента, оснащенного СМП из ВОК-71 без покрытия.

Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» на кафедре «Технология машиностроения» при преподавании дисциплины «Технология и параметры формообразующей обработки».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов ПОИСК 2012-2013 гг. (г. Иваново), Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» («XVII БЕНАРДОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ») (г. Иваново), VI Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Актуальные проблемы техники и технологии машиностроительного производства» (ПОЛИКАРПОВСКИЕ ЧТЕНИЯ) 2013-2014 гг. (г. Орел), на Ганноверской промышленной ярмарке НаппоуегМезве 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них - 5 статей в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, выводы, список используемых библиографических источников (131 наименование). Общий объём текста диссертации включает 174 страницы печатного текста, 42 рисунка, 26 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы, научная новизна, практическая значимость, показана её направленность, даётся общая характеристика работы использования керамического режущего инструмента в крупном и среднесерийном автоматизированном производстве.

В первой главе проведен анализ основных работ по проблемам разработки, методов совершенствования и основных аспектов использования керамического инструмента в операциях резания материалов повышенной твердости. Дана качественная оценка и характеристика инструмента из смешанной керамики, проведен обзор основных отечественных и зарубежных исследований по проблемам повышения работоспособности и эксплуатационных свойств керамического инструмента, методик повышения его режущих свойств.

Анализ работ по проблемам применения керамических лезвийных инструментов позволил установить, что закономерности изнашивания и повышения работоспособности, расширения области технологического применения, вопросы эксплуатационной надёжности остаются актуальными. Менее исследованной и чрезвычайно важной остаётся задача обеспечения надежности и установления критериев отказа керамических инструментов с учётом высокого разброса времени полного отказа инструмента. В этой связи достижение цели и решение задач диссертационной работы позволяет обоснованно выбирать методику обеспечения надёжности керамического режущего инструмента при обработке материалов повышенной твердости на основе применения системы резания, включающей керамический инструмент с наноструктурированным многослойным покрытием и демпфирование вибраций.

Во второй главе представлено описание методик проведения экспериментов.

Объектом исследования служили сменные многогранные пластины (СМП) квадратной формы по ГОСТ 19049-80, ISO SNGN 120408 (03111-

120408) из смешанной керамики (A1203-TÏC) ВОК-60, ВОК-71, ВОК-200 с покрытием и без покрытия. Использовали державки с механическим креплением керамических СМП по ГОСТ 25003-81 повышенной жёсткости при продольном точении заготовок из закалённых сталей У8, 45, 40Х с твердостью HRC 48...52. Геометрические параметры режущей части резцов с механическим креплением керамических СМП имели следующее значения: у= - 6°; а=5°; ф= 75 ; cpi= 15°; к= 0 с радиусом при вершине СМП г= 0,8 мм. Исследования проведены на токарном станке JET GH-20120 ZHDRORFS (производство ФРГ).

Для определения влияния режимов резания на качество обрабатываемой поверхности строился полный факторный эксперимент типа 2к. Определены оптимальные параметры резания (скорость резания -600 м/мин, подача - 0,1 мм/об и глубина резания - 0,25 мм), при использовании которых обеспечивали шероховатость обработанной поверхности порядка Кл= 0,8-0,6 мкм.

Шероховатости определяли с помощью цифрового профилометра РСЕ-RT 1200 (ФРГ). Для измерений фаски износа по задней поверхности использовался микроскоп МИМ-7. В качестве критерия отказа инструмента принимали величину фаски износа А3= 0,35 - 0,4 мм или макро- и микросколы режущей кромки.

Для определения законов распределения использовали основные положения теории надёжности и методы математической статистики.

Особое внимание в работе было уделено разработке функциональных покрытий, способных существенно модифицировать свойства поверхности и «залечить» поверхностные (технологические) дефекты керамических СМП, возникающих при изготовлении СМП в процессах шлифования и затачивании инструмента для резкого снижения вероятности внезапного отказа инструмента. С этой целью были сформулированы требования к покрытию для керамических СМП:

- модифицировать такие параметры контактных процессов, как длина пластического и полного контактов материалов заготовки и инструмента с целью более благоприятного распределения контактных напряжений и температур по передней и задней поверхностям инструмента;

- обеспечить высокую физико-химическую пассивность керамического материала по отношению к материалу заготовки и высокую физико-химическую активность материалов покрытия по отношению к керамике для максимизации адгезионной прочности между ними;

- максимизировать снижения вероятности проявления твердофазной диффузионной реакции при резании между материалом покрытия и инструмента;

- повысить температуру начала адгезионного взаимодействия материалов покрытия и обрабатываемой заготовки.

На основании разработанных требований к покрытию для СМП из смешанной керамики, а также с учётом двойственности природы покрытия, как некоторой технологической промежуточной среды, между материалами заготовки и инструмента были разработаны составы покрытия на основе многослойной архитектуры с наноструктурой каждого из слоев. Принятые положения использовали для выбора двух вариантов покрытий - ZI-ZIЪ¡ и Сг-СгИ, синтез которых осуществляли на вакуумно-дуговой установке ВИТ-2, оснащённой устройствами для фильтрации паро-ионного потока, гашения микродуг и динамического смешивания реакционных газов. Синтез покрытий осуществляли при использовании специальной версии технологии фильтруемого катодно-вакуумно-дугового осаждения (ФКВДО), позволяющего наносить покрытия на низкоэлектропроводные субстраты.

Проведены исследования следующих свойств СМП с разработанными покрытиями: микроструктура, фазовый и химический состав, прочность адгезии, толщина, микротвердость, морфология поверхности; трещиностойкость при использовании стандартных методик и оборудования.

В третьей главе представлены результаты исследования влияния условий резания и состояния токарного режущего инструмента на основные показатели надёжности, а также результаты разработки программы для автоматизированных расчётов параметров распределения отказов инструмента.

Фрактографические исследования с использованием микроскопа МИМ-7 показали, что контактные площадки СМП из ВОК-71 разрушаются главным образом в результате внезапного отказа (хрупким сколом, имеющим следы развития магистральной трещины, рис.1).

Рис. 1. Типичный характер хрупкого разрушения контактных площадок передней и задней поверхностей СМП из ВОК-71 при точении закаленной стали 45 с у=500 м/мин; 5=0,1 мм/об; г=0,15 мм Стойкостные испытания токарных резцов, оснащенных СМП из ВОК 71, позволили получить вариационный ряд (время стойкости режущего инструмента в сек.): 99, 109, 9, 120, 21, 47, 24, 14, 72, 35, 8, 11, 235, 9, 42, 65, 438, 107, 13, 17, 59, 107, 327. 109, 6, на основании которого идентифицирован закон распределения отказов инструмента, рассчитаны основные показатели надёжности (вероятность безотказной работы, вероятность отказов, параметры потоков отказов, интенсивность отказов). На основе полученных результатов, согласно методике определен коэффициент вариации У(Х) = 1,08, в этом случае распределение наблюдаемой случайной величины подчиняется экспоненциальному закону распределения, так как при экспоненциальном законе У{Х) > 1.

Рассчитаны основные показатели надёжности для экспоненциального закона распределения: интенсивность отказов X,; вероятность безотказной работы Р{/); вероятность отказов ()((); параметр потока отказова а(/) = Полученные данные вынесены в таблицу 1.

Таблица

Основные показатели надежности лезвийного инструмента из режущей керамики

т Р( о 6(0 а(0 =.М

0 1 0 0,0107

76,54 0,4409 0,5591 0,0047

153,08 0,1944 0,8056 0,0021

229,62 0,0857 0,9143 0,0009

306,16 0,0378 0,9622 0,0004

Установлено, что даже при величине фаски износа /г3= 0,1 мм высока вероятность внезапного скола режущей кромки инструмента, поэтому использование стандартного керамического инструмента в условиях автоматизированной обработки невозможно. При исследовании зависимости интенсивности отказов инструмента от величины фаски износа й3 была построена гистограмма (рис. 2), анализ которой показал, что при увеличении фаски износа задней поверхности увеличивается количество отказов. При этом резкое увеличение количества отказов происходит при достижении фаски более 0,2 мм.

Рис. 2. Зависимость вероятности отказов от значений величины фаски износа й3 инструмента из ВОК-71 при точении закаленной стали У8 НЯС 52 с у=600 м/мин, 8=0,1 мм/об, 1= 0,1 мм для 100 режущих кромок

100.009»

100% -—-

i ' 8 ■

~ «о?. —51.,---=—Щ

1111

0.1 0 2 О) 0 4 венимма фаски шипи

В ходе исследований установлено, что наиболее интенсивно внезапные отказы инструмента в виде сколов режущей кромки происходят при врезании и выходе инструмента из контакта с заготовкой. В частности, при врезании инструмента зафиксировано до 77 % отказов, в то время как для непрерывного точения - только 23 %.

Для оперативного определения основных показателей разработана программа автоматизированного вычисления, написанная на языке Microsoft Visual Basic. Она позволяет рассчитать основные параметры надежности: вероятность безотказной работы, вероятность отказа, параметр потока распределения, интенсивность отказов и построить соответствующие графические зависимости (рис. 3). Применение данного программного обеспечения позволяет производить автоматический расчет достоверных данных надежности инструмента при использовании его в условиях автоматизированного производства. Разработанная программа позволяет рассчитать в автоматическом режиме следующие параметры: максимальные и минимальные значения ряда; размах вариации; среднюю наработку на отказ; СКО (среднее квадратическое отклонение); коэффициент вариации; установить характер распределения:

если V > 0 и V< 0.25554 - нормальный закон распределения; если V > 0.25554 и V< 0.75554 - распределение Вейбулла; если V > 0.75554 и V< 1.25554 - экспоненциальный закон.

Рис. 3. Скриншот программы «Расчет основных параметров надежности», открытый в диалоговом окне

В четвертой главе представлены результаты исследований по изучению надежности керамического инструмента из смешанной керамики с наноструктурированным многослойно-композиционным покрытием. Проведенные исследования позволили установить (рис. 4), что инструмент с покрытием имеет меньшую вероятность отказов. Стоит отметить, что показатели надежности керамического инструмента значительно ухудшаются при достижении фаски износа й3>0,2 мм.

■ 80К71

■ В0К71 Сг-СгМ еВ0К71гг-2гН

Рис. 4. Вероятности отказов инструмента из смешанной керамики при критической величине фаски износа Ь3 при точении закаленной стали У8 с НЯС 52 с У=600 м/мин, 5=0,1 мм/об, г=0,1 мм при дубле числа испытаний - 100

Установлено, что разрушение керамического субстрата происходит до повреждения нанесенного на него покрытия, в результате чего последнее не успевает реализовать свои положительные эффекты (снижение трения, уменьшение контактных нормальных и сдвигающих напряжений и т.д.). Поэтому были проведены дополнительные исследования по определению закона распределения отказа инструмента и расчёта критериев надежности для ВОК-71-(Сг-СгЫ) и В(Ж-71-(2г^гЫ). По полученным данным определена средняя наработка на отказ, среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации.

В результате коэффициент вариации отказов для ВОК-71-(Сг-СгЫ) составил 0,39, а для ВОК-71-(гг-ггЫ) - 0,45, что позволило идентифицировать соответствие полученного вариационного ряда отказов закону распределения Вейбулла - Гнеденко.

Применение закона распределения Вейбулла - Гнеденко позволило определить основные параметры надежности, на основании которых построены графические зависимости, представленные на рис. 5-8.

Рис.5. Зависимость вероятности безотказной работы от времени

о

О 100 200 300 400500 I-ВОК71 -ВОК71 Zr-ZrN ВОК71 Сг-СтМ~1

Рис. 7. Зависимость потока распределения от времени

"Время, t

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011001200

100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001

-ВОК71

-ВОК71 Zr-ZrN

ВОК71 Cr-CtN I

Рис. 6. Зависимость вероятности отказов от времени

О 100 200 »0 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Время, I

| -ВОК71 -BOK71Zl-ZrH 80К71Сг-С|Н |

Рис. 8. Зависимость интенсивности отказов от времени

Выяснилось, что наноструктурируемое многослойное покрытие, нанесенное на рабочие поверхности инструмента из РК, позволяет повысить износостойкость инструмента в процессе резания. Как показывает практика, использование базового инструмента с нанесенным на его поверхность одного лишь покрытия при предварительной обработке деталей достаточно неэффективно, так как оно неспособно в должной мере предотвратить опасность скола, возникшего под действием силовой или тепловой нагрузки. Это является следствием повышенных скоростей резания, переменных припусков на обработку, неоднородности поверхностного слоя после термической обработки.

В пятой главе рассмотрены основные аспекты проблемы повышения показателей надежности режущей керамики путем использования системы резания с демпфированием и с наноструктурированным многослойным покрытием на основе систем Сг-СгЫ и Хг-ТтН.

Установлено, что повышение устойчивости режущей части СМП из керамики при врезании за счет применения демпфирующей системы способствует существенному снижению пиковых значений контактных напряжений, возникающих в момент врезания инструмента, которые и являются основной причиной инициирования формирования и последующего роста и ветвления хрупких трещин, приводящих к хрупкому сколу режущей кромки керамического инструмента. Принципиальная схема демпфирующего устройства показана на рис. 9.

В качестве демпфирующего устройства предложено использовать диск толщиной 20-30 мм из стали 45 в состоянии поставки, обладающей оптимальной пластичностью и демпфирующими свойствами, достаточными для смягчения пиковых напряжений, возникающих при врезании инструмента в материал заготовки. Установлено, что применение демпфирующего приспособления меньшей твердости, чем обрабатываемый материал, приводит к снижению и стабилизации пиковых нагрузок, возникающих при врезании. Следует отметить, что эффективность демпфирующего устройства не снижается и по мере роста фаски износа задней поверхности токарного инструмента, поэтому повышение динамических характеристик можно рассматривать, как простой и достаточно эффективный способ повышения надежности керамического инструмента. В свою очередь, система демпфирования способна осуществить гашение вибраций, особенно в момент врезания инструмента, что положительно влияет на целостность нанесенного покрытия.

Рис. 9. Принципиальная схема демпфирующего устройства

Проведенные етойкоетные испытания керамического инструмента в условиях демпфирования позволили получить вариационный ряд периодов стойкости инструмента, на основании которого получена графическая интерпретация данных расчётов, представленная на рис. 10-13.

—8СИ7Иа«иф«> —BQgriZbZithMMitw BOICTCi-Cittonitw

—801Р1щи»р—BOCICtCitHaiufoii

О 100 200 300 400 500 600 70Q 800 9QQ 1000 1100 1200 Bpamt _

—В0№»иф<|>— БШМШ-дмфо ЩЦЖуафд

Рис. 11. Зависимость вероятности

отказов лезвийного керамического

инструмента от времени резания

0

0 1» 200 300 400 500 600 700 800 900 ОТ 1100 1200 —В0ГИдмф»р—1Ш1Ы11»;шф||> Юй-Ждмф^1"1'' Рис. 10. Зависимость вероятности безотказной работы от времени

О 100 200 Ж 491 5»

800 500 1000 1100 1200

0 100 2Ю 300 400 500 JOO ТОО S00 900 1000 1100 12Ю Bpwt

Рис. 12. Зависимость параметра Рис. 13. Зависимость параметра потока

интенсивности отказов от времени распределения от времени

Установлено, что полное разрушение покрытия наиболее интенсивно происходит при потере устойчивости формы режущего клина инструмента.

Проведенные исследования позволили установить, что эффективность использования инструмента из РК с наноструктурируемыми многослойными покрытиями наиболее высоко проявляются при резании с демпфированием (рис. 10-13). Это позволяет сделать важное заключение о том, что механизм изнашивания керамического инструмента переходит от стадии внезапного

(непредсказуемого) отказа в произвольный момент времени к стадии прогнозируемого (сбалансируемого) изнашивания с минимальным коэффициентом вариации.

Установлено, что наибольшей эффективностью при продольном точении закаленных сталей в условиях демпфирования (наибольшая стойкость при минимальных разбросах значений отказов) обладает лезвийный инструмент из режущей керамики ВОК-71-(Сг-СгТ\1).

Основные выводы и результаты по работе

1. В работе решена актуальная научно-техническая задача обеспечения надежности токарного инструмента, оснащённого СМП из режущей керамики при чистовой обработке закалённых сталей повышенной твердости на основе разработки и применения наноструктурированных многослойных покрытий и демпфирования резания.

2. Экспериментально установлена зависимость интенсивности отказов токарного инструмента с СМП из режущей керамики от величины фаски износа задней поверхности. Показано, что при фаске износа задней поверхности /г3> 0,2 мм увеличивается вероятность хрупкого скола режущей части инструмента, что отрицательно влияет на разбросы и параметры надежности керамического инструмента.

3. На основе анализа факторов, влияющих на отказы СМП из керамики, установлено, что наиболее высока вероятность отказа инструмента при врезании инструмента в материал заготовки. Это позволило разработать устройство, демпфирующее пиковые значения напряжений, возникающих при врезании керамического инструмента в зону обработки, что обеспечит повышение его надежности.

4. Экспериментально установлены рациональные режимы при чистовом точении закалённых сталей с твердостью НЛС>50 керамическим инструментом с разработанными наноструктурированными многослойными покрытиями на основе систем (Сг-СгЫ) и (2г-7г1\1) при

скорости резания 500-600 м/мин, подаче 0,1-0,15 мм/об и глубине резания 0,1 мм, обеспечивающих получение шероховатости обработанной поверхности Ла= 0,8-0,6 мкм.

5. Установлены законы распределения стойкости токарных СМП из смешанной режущей керамики с покрытием и без покрытия при обработке закаленных сталей с твердостью HRC>52. Показано, что разбросы стойкости инструмента, оснащенного СМП из ВОК-71, подчиняются экспоненциальному закону распределения (коэффициент вариации 1,08), а после осаждения покрытий, (Cr-CrN) и (Zr-ZrN) при использовании ионно-плазменных процессов ФКВДО, разбросы стойкости соответствуют закону распределения Вейбулла - Гнеденко (коэффициент вариации 0,38 и 0,44 соответственно). Рассчитаны основные параметры надежности стойкости инструмента P(t), Q{t)

и МО-

6. Доказано, что точение резцами, оснащенными керамическими СМП с нанесенными наноструктурируемыми многослойными покрытиями, в условиях использования демпфирующих устройств существенно снижает коэффициенты вариации отказов инструмента и обеспечивает необходимую эксплуатационную надежность инструмента при обработке закаленных сталей.

7. Разработана компьютерная программа, позволяющая идентифицировать законы распределения отказов (стойкости) керамического инструмента и автоматизировать расчеты основных параметров надежности керамического инструмента с построением графиков Р{0, 6(0 и МО- Программа защищена свидетельством № 2013612102.

8. Промышленная апробация результатов диссертационной работы на базовом предприятии показала, что точение закаленных сталей керамическим инструментом из ВОК-71-(Cr-CrN) с применением разработанного демпфирующего устройства позволила улучшить

показатели надежности инструмента до 3 раз и обеспечила увеличение коэффициента выхода годных изделий по всему производственному циклу на 21 %.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ СТАТЕЙ Статьи, опубликованные в изданиях ВАК

1. Бекташов, Д.А. Исследование механических и физико-химических процессов, протекающих на контактных поверхностях минералокерамического режущего инструмента / Д.А. Бекташов,

A.A. Крапостин // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - Иваново: ИГЭУ, № 4/2011. С. 33-35.

2. Бекташов, Д.А. Исследования уровня надежности механических систем чистового формообразования деталей энергетических устройств. /

Д.А. Бекташов, A.A. Крапостин // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - Иваново: ИГЭУ, № 2/2012. С. 63-65.

3. Бекташов, Д.А. Определение основных параметров надежности минералокерамического режущего инструмента. / Д.А. Бекташов,

A.A. Крапостин // Научно-технический журнал "Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии" Государственного университета — учебно-научно-производственного комплекса. — Орел: ФГБУ ВПО "Госуниверситет УНПК" № 5(295), 2012 С. 94-98.

4. Бекташов, Д.А. Нанесение наноструктурируемых покрытий с целью повышения показателей надежности минералокерамического режущего инструмента. / Д.А. Бекташов, A.A. Крапостин // Научно-технический журнал "Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии" Государственного университета - учебно-научно-производственного комплекса. - Орел: ФГБУ ВПО "Госуниверситет УНПК" № 3-2 (299), 2013, С.40-43.

5. Бекташов, Д.А. Исследование кристаллического строения минералокерамического режущего инструмента, применяемого для механической обработки деталей энергетических устройств /

Д.А. Бекташов, A.A. Крапостин // Научно-технический журнал "Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии"

Государственного университета - учебно-научно-производственного комплекса. - Орел: ФГБУ ВПО "Госуниверситет УНПК" № 6 (308), 2014, С. 104-107.

Публикации в других изданиях:

1. Крапостин, A.A. Исследование причин микроразрушения минералокерамического режущего инструмента / A.A. Крапостин // Межвузовская научно-техническая конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск 2012). Сборник материалов. - Иваново: ИГТА, 2012, С. 153-154.

2. Крапостин, A.A. Установление закона распределения и определение основных параметров надежности минералокерамического инструмента ВОК-71 / A.A. Крапостин // Международная научно-технической конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (XVII Бенардосовские чтения). Сборник материалов. - Иваново: ИГЭУ 2013.-т.З С. 306-309.

3. Бекташов, Д.А. Применение износостойких покрытий для повышения уровня надежности минералокерамического режущего инструмента /

Д.А. Бекташов, A.A. Крапостин // 16 международная научно-техническая конференции «Технология-2013». Сборник тезисов. - Орел, 2013, С. 32-35

Подписано в печать 07.04.2015 Формат издания 60x84 1/16

Печ.л. 1.44 Усл.п.л. 1.34 Тираж 100 экз. Заказ 2084

Отпечатано в полиграфическом отделе ФГБОУ ВПО «Ивановская ГСХА имени академика Д.К. Беляева» 153012, г. Иваново, ул. Советская, 45