автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Интегральное оценивание качества процесса плазменной модификации рабочей части металлорежущего инструмента по параметру микротвердости

На правах рукописи

СТАРИННОВА Виктория Олеговна

ИНТЕГРАЛЬНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ РАБОЧЕЙ ЧАСТИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПО ПАРАМЕТРУ МИКРОТВЕРДОСТИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

о-,

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов-2013 005544689

005544689

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

(СГТУ имени Гагарина Ю.А.)

Научный руководитель: Мартынов Владимир Васильевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Бекренёв Николай Валерьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», заведующий кафедрой «Техническая механика и детали машин»

Филимонов Евгений Васильевич кандидат технических наук, ОАО «Научно-исследовательский технологический институт «НИТИ-Тесар» (г. Саратов), заместитель генерального директора по науке

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Донской государственный

технический университет» (г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится «27» ноября 2013 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан « » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.А. Игнатьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одной из тенденций современного производства является использование износостойкого инструмента различного целевого назначения с повышенными прочностными характеристиками. Применение такого инструмента ведет, с одной стороны, к сокращению времени выполнения основных операций при изготовлении деталей как из специальных, так и из обычных материалов, с другой - к экономии инструмента, поскольку его производство своими силами не всегда является возможным, а использование услуг специализированных предприятий приводит к значительным временным потерям и финансовым затратам, поскольку они находятся в других регионах России, а иногда и за ее пределами.

Повышение износостойкости инструмента обеспечивается различными способами, в том числе модификацией его рабочей части. Однако анализ существующих для этого методов позволил сделать вывод о том, что их использование требует достаточно длительных циклов обработки и высокого энергопотребления. В связи с этим одним из перспективных направлений является модификация рабочей части инструмента плазменным воздействием, в частности, воздействием низкотемпературной плазмы комбинированного разряда. Особенностью разработанной в СГТУ имени Гагарина Ю.А. технологии такого воздействия является то, что плазма формируется непосредственно у обрабатываемой поверхности, локализуясь на режущих кромках инструмента, воздействуя на них и существенно изменяя их свойства при незначительных временных и энергетических затратах. Комплексные исследования этих свойств показали, что количественно они могут характеризоваться различными показателями, одним из наиболее адекватных и информативных среди которых является твердость, характеризующая прочность при вдавливании. Однако результаты практической апробации модифицированного инструмента позволили установить, что повышение его прочности и износостойкости происходит в различной степени, а в ряде случаев вообще не регистрируется, в том числе из-за поломок инструмента по различным причинам. В связи с этим актуальным является исследование результатов воздействия низкотемпературной плазмы на поверхность режущей части инструмента с целью оценки возможности использования твердости в качестве интегрального показателя качества процесса воздействия, во-первых, для адекватного отображения структурных изменений в материале, во-вторых, для нахождения условий, в которых повышение износостойкости модифицированного инструмента будет гарантированным.

Цель работы: повышение качества процесса плазменной модификации рабочей части металлорежущего инструмента на основе интегрального оценивания степени повышения и сохранения ее твердости.

Объект исследования-, поверхностный слой рабочей части металлорежущего инструмента, модифицированного воздействием низкотемпературной плазмы комбинированного разряда.

Предмет исследования: алгоритмизация процедуры обработки результатов оценки физико-механических свойств рабочей части металлорежущего инструмента по параметру микротвердости.

Методы и средства исследования. Работа представляет собой комплекс исследований, направленных на обоснование возможности использования микротвердости для проведения достоверной оценки результатов плазменной модификации и эксплуатации металлорежущего инструмента, выполненных с использованием соответствующих разделов теорий резания, прочности, вероятностей и математической статистики, планирования эксперимента, положений технологии машиностроения и материаловедения и стандартной измерительной аппаратуры. Экспериментальные исследования проведены с использованием инструмента различного целевого назначения в условиях реального производства.

Научная новизна работы заключается в установлении взаимосвязи между физико-механическими свойствами и статистическими характеристиками неоднородного по структуре поверхностного слоя рабочей части металлорежущего инструмента, модифицированного воздействием низкотемпературной плазмы комбинированного разряда, обосновании подхода и разработке процедуры количественного оценивания этой взаимосвязи, основанной на измерении микротвердости и анализе результатов измерений с использованием непараметрических статистических методов.

Практическая ценность работы состоит в создании методического и программного обеспечения для анализа результатов плазменной модификации и эксплуатации модифицированного металлорежущего инструмента.

Реализация работы была осуществлена в ОАО «КАМАЗ» (г. Набережные Челны) и ОАО «Саратовский агрегатный завод» при обработке заготовок из чугуна ЧВГ и легированных сталей 42ХМФА, 40Х, 45Г2, 40ХН2МА и ЗОХГСА на автоматических линиях, агрегатно-вертикальных и токарно-фрезерных станках и позволила не только подтвердить достоверность основных научных положений и выводов, но и разработать рекомендации по повышению эффективности использования модифицированного инструмента.

Представленные в работе результаты являются составной частью фундаментальных научных исследований, выполняемых кафедрой «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (СГТУ) по проектам в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ на оказание услуг (выполнение работ) в 2012-2014 гг. и Программы стратегического развития СГТУ на 2012-2016 годы.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на VIII Международной научно-технической конференции «Efektivní nástroje moderních véd - 2012» (Прага, Чехия, 2012), Всероссийской молодежной конференции «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в наноинженерии» (Саратов, 2012), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, производстве и образовании'2012» (Одесса, Украина, 2012), IV Международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении (ТМ-2012)» (Рыбинск, 2012), IX Международной научно-технической конференции «Veda a vznik -2012/2013» (Прага, Чехия, 2012), V Международной научно-технической конференции «Машиностроение - основа технологического развития России (ТМ-2013)» (Курск, 2013), заседаниях кафедры «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино-и приборостроении» СГТУ в 2011-2013 гг.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных трудах, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 112 страницах, списка литературы из 103 наименований, 57 рисунков, 8 таблиц и 3 приложений. Общий объем диссертации составляет 185 страниц.

В связи с изложенным на защиту выносятся следующие научные положения работы, определяющие новизну решенных в ней задач:

1. Методика анализа структуры и механических свойств модифицированного поверхностного слоя рабочей части металлорежущего инструмента и схема обработки его результатов.

2. Показатель качества процесса плазменной модификации.

3. Алгоритм оценивания результатов плазменной модификации и результаты его обоснования.

4. Результаты экспериментальной и практической реализации работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность диссертационной работы, приведены цель, объект и предмет исследования, научная новизна и практическая ценность, а также изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены существующие методы модификации рабочих поверхностей режущего инструмента, анализ которых позволил сделать вывод о том, что их применение требует достаточно длительных циклов обработки и высокого энергопотребления. В связи с этим одним из перспективных направлений является модификация плазменным воздействием, в частности, воздействием низкотемпературной плазмы комбинированного разряда, поскольку с ее помощью возможно получение поверхности с заданными свойствами, в том числе прочностными, характеризующимися твердостью

5

как сопротивлением инструментального материала упругому и пластическому деформированию, степень которого зависит от среднего размера его зерна. При этом рост твердости имеет место лишь до некоторого критического значения среднего размера (так называемый наноразмерный эффект). Дальнейшее же его уменьшение приводит к снижению твердости из-за проскальзывания по межзеренным границам (ротационный эффект). В результате повышение прочности и, как следствие, износостойкости инструмента происходит в различной степени, поэтому актуальной является разработка процедуры ее количественной оценки с целью повышения качества процесса воздействия низкотемпературной плазмы на поверхность режущей части инструмента. Для достижения этой цели в работе выполнен комплекс исследований, направленных на решение следующих задач:

1. Обоснование методики анализа структуры и механических свойств модифицированного поверхностного слоя рабочей части металлорежущего инструмента и схемы обработки его результатов.

2. Обоснование показателя качества процесса плазменной модификации.

3. Обоснование и разработка математического и алгоритмического обеспечения для оценивания результатов плазменной модификации.

4. Экспериментальная и практическая реализация результатов исследований.

Решению первых трех задач посвящена вторая глава работы. В основу решения были положены результаты изучения последствий воздействия плазмы на рабочую часть инструмента, позволившие зафиксировать наличие в приграничных областях слоя толщиной -3,0 мкм (рис. 1, а), в котором хорошо видны зоны вокруг карбидных зерен, содержащие многочисленные плоские частицы неправильной формы толщиной -100 нм и располагающиеся в виде сферы или облака. За пределами слоя число частиц заметно сокращается. Формирование слоя происходит в состоянии расплава, о чем свидетельствует наличие мениска вокруг карбидного зерна в области сопряжения его с материалом.

Высокоскоростное охлаждение по окончании воздействия плазмы приводит не только к сохранению выделившихся наноразмерных включений, но и образованию в сформировавшемся слое аморфной (т.е. неупорядоченной, в отличие от исходной кристаллической) структуры (рис. 1, б). При этом максимальное выделение включений приходится на глубину, равную примерно радиусу растворившегося карбидного зерна, что соответствует 0,7-0,8 мкм, а минимум включений может находиться на границе растворившихся карбидных зерен, т.е. на глубине 1,4-1,6 мкм.

Изложенное означает, что энергия заряженных частиц плазмы, воздействуя на поверхностный слой, совершает работу по перестройке его структуры из исходной высокодефектной, образовавшейся в результате

работы упругопластической деформации, в высоколегированную композитную, имеющую высокое сродство с материалом основы и содержащую неравномерно распределенные по глубине наноразмерные включения, что делает ее неоднородной с точки зрения механических свойств. Изложенное означает, что интегральное оценивание качества сформированной структуры возможно только на основе учета количественных изменений этих свойств.

Рис. 1. Вид и распределение карбидных зерен (а) и структура поверхности инструмента из стали Р6М5 после плазменного воздействия (б)

Наиболее простым, быстрым и очень чувствительным способом оценивания механических свойств материалов является измерение их твердости. Оно осуществляется без разрушения и порчи их поверхности, и, как правило, очень точно реагирует на самые тонкие, часто неуловимые микроскопические изменения структуры.

Твердость измеряется различными методами, однако в данном случае необходимо использование такого метода, который позволил бы оценивать не ее обобщенную характеристику под действием фиксированной нагрузки, а распределение как в исходной, так и в сформированной при модификации структуре, т.е. микротвердость, с целью количественной оценки степени изменений физико-механических свойств поверхностного слоя в ней.

С этой целью нагрузка при измерениях задается переменной (грузами массой от 20 до 200 г с шагом 20 г), обеспечивающей свободное раз-

мещение отпечатка в зерне без его продавливания или разрушения. Число измерений для каждой нагрузки принимается с учетом размеров поверхности и требований к размещению микроотпечатков на ней, но не должно быть менее трех. Измерения выполняются по методу Виккерса, который является наиболее чувствительным и универсальным, несложным и достаточно быстрым. После снятия каждой нагрузки и измерения размеров диагоналей отпечатков алмазной пирамиды определяются величина микротвердости и глубина отпечатка.

Вероятностный анализ результатов измерений позволил установить, что обработку полученных данных необходимо проводить в направлении определения для каждой глубины отпечатка коэффициента вариации с целью проверки гипотезы о значимости разброса измеренных значений микротвердости относительно их средних значений. Если по результатам проверки коэффициент вариации не превысит 33%, то это даст основание считать оценку среднего несмещенной, поскольку систематические погрешности в ней в этом случае отсутствуют, и использовать ее для отображения распределения микротвердости по глубине модифицированного слоя.

Апробация предложенной методики анализа и схемы обработки его данных проводилась на сменных двухгранных твердосплавных пластинах 15СА11 СССР и включала измерение микротвердости до и после процедуры их плазменной модификации с целью определения величины и направления структурных изменений в поверхностном слое.

Результаты вычислений позволили установить, что оценки средних значений микротвердости во всех случаях оказались несмещенными, поэтому могут использоваться для графического отображения распределения микротвердости по глубине модифицированного слоя. Однако анализ распределений показал, что они имеют не только качественные, но и количественные различия. Из этого следует, что сама по себе микротвердость не может быть показателем качества процесса модификации ни в абсолютном (например, ее максимум), ни в относительном (разность между значениями максимумов модифицированной и исходной поверхностей) выражении, поскольку в первом случае она будет характеризовать изменение свойств материала лишь в определенной (локальной) области измененной структуры поверхностного слоя, во втором вычисление будет некорректным, поскольку максимумы у исходной и модифицированной поверхностей, вероятнее всего, будут располагаться на различной глубине.

Вместе с тем, анализ графиков позволил установить, что после модификации:

- во всех случаях имеет место эффект смещения распределений в направлении к началу координат по оси глубин отпечатков (т.е. к поверхности);

- разброс значений микротвердости в распределениях относительно их среднего, рассчитанного по всем измерениям (т.е. по всей глубине модифицированного слоя), уменьшается.

Это дало основание сделать вывод о том, что основным результатом модификации является уплотнение структуры материала, и предложить следующую процедуру его оценки:

- определяются плотности материала в поверхностном слое рабочей части инструмента до (р„) и после (р„) ее модификации как отношение микротвердости (НУ, кг/мм2) к глубине отпечатка (А, мм), полученного в результате действия каждой из п приложенных к поверхности рабочей части нагрузок (т.е. локальные плотности):

Р, ,< = 1,...,л; (1)

- находятся разности между значениями плотностей, определенных при одинаковых нагрузках, т.е. локальные приращения плотности (Ар,):

АР/ =Р.,и-Р„.е' = 1....,л; (2)

- вычисляется суммарное приращение плотности:

»

дР1=Едр.- (3)

Показатель (3) представляет собой количественную оценку уменьшения объема материала в модифицированном слое за счет уплотнения его структуры (т.е. повышения прочности), поэтому в содержательном плане может трактоваться как интегральный показатель качества процесса модификации.

Результаты вычисления данного показателя позволили установить, что даже у одной пластины, вершины которой обработаны в одинаковых условиях, он имеет различные значения, поэтому является актуальным проведение исследований, направленных на поиск таких условий, в которых модификация будет обеспечивать гарантированное повышение прочности модифицированного слоя. В содержательном плане перечисленные задачи являются традиционными задачами теории планирования эксперимента, для проведения которого были решены вопросы, связанные с выбором входных факторов и диапазонов их изменения, а также плана эксперимента.

Применение традиционного подхода к обработке результатов факторного эксперимента показало, что уравнения множественной регрессии описывают результаты модификации неоднозначно как на количественном, так и на качественном уровнях. В результате найти условия для обеспечения качества процесса модификации не представляется возможным, либо они будут иметь низкую практическую значимость. В связи с этим необходимо использование других процедур обработки результатов модификации, в частности, специальных методов теории выборок случайных процессов. При этом, поскольку в данном случае распределение приращений плотности материала после модификации не является нормальным, необходимо применять процедуры, не зависящие от вида распределений и предназначенные для решения задач обработки данных факторного эксперимента непараметрическими методами.

Непараметрические методы используют знаки и знаковые ранги и позволяют решать различные задачи, в частности, проверки гипотез о совпадении средних значений нескольких совокупностей и об однородности данных в совокупностях с помощью процедур дисперсионного анализа по одному или двум признакам, основанным на вычислении статистик Кру-скала-Уоллиса или Фридмана. Сравнение результатов обработки данных факторного эксперимента с помощью этих процедур между собой показало, что в случае одновременного удовлетворения измеренных значений микротвердости обеим статистикам показатель Др£ достигает своего максимально возможного значения. Таким образом, в отличие от регрессионного анализа, непараметрический дисперсионный анализ дает возможность сформулировать стратегию процесса модификации:

Др2 шах, (4)

которая позволяет найти условия достижения его максимально возможного качества в виде оптимального сочетания режимных параметров: потенциала смещения, подводимой СВЧ-мощности и координаты положения обрабатываемого инструмента в рабочей камере технологической установки.

Материалы выполненных исследований определили структуру алгоритма оценивания результатов процесса плазменной модификации рабочей части режущего инструмента на основе непараметрического дисперсионного анализа (рис. 2). Алгоритм может быть реализован в виде компьютерной программы, при этом все его шаги, включая принятие решений, выполняются автоматически, что исключает возможность получения ошибочных результатов или их неверной интерпретации.

Третья глава работы посвящена экспериментальным исследованиям, связанным с изучением характера изменений состояния модифицированного инструмента по результатам его эксплуатации с целью подтверждения возможности использования микротвердости для интегрального оценивания качества процесса модификации.

Исследования были проведены по результатам стойкостных испытаний трех концевых фрез 08x75 мм из твердого сплава RX10 в ОАО «Саратовский агрегатный завод» при фрезеровании заготовки из стали ЗОХГСА и двух сменных многогранных пластин из сплава Т15К6 с покрытием TiN в ОАО «Саратовский подшипниковый завод» при точении заготовок из стали ШХ-15 при различных сочетаниях параметров технологического режима. Методика исследований включала изучение состояния инструмента по фотографиям, полученным с помощью оптической видеонасадки микротвердомера ПМТ-3 и цифрового микроскопа AKKORD, измерения микротвердости на режущих кромках фрез и пластин и вычисление показателя Дрх.

^ Начало

Ввод результатов измерений

Оценка воспроизводимости данных для каждого сочетания режимных параметров с помощью статистики Крускала-Уоллиса

Оценка значимости повышения прочности модифицированного слоп для каждого сочетания режимных параметров с помощью статистики Фридмана

Рис. 2. Алгоритм оценивания результатов плазменной модификации рабочей части металлорежущего инструмента

Поиск сочетаний,

удовлетворяющих

критериям

па основе обеих

статистик

Результаты исследования фрез позволили сделать вывод о том, что на состояние их рабочей части в значительной степени влияют параметры технологического режима, изменяющие распределение сил на контактных поверхностях. В связи с этим модифицированный слой будет замедлять скорость процессов разрушения в тем большей степени, чем в большей степени условия резания будут близки к оптимальным, включая отсутствие конструктивных погрешностей и дефектов на рабочих поверхностях по результатам проектирования и изготовления инструмента.

Результаты исследования сменных многогранных пластин позволили установить, что плазменная обработка увеличивает микротвердость переходных зон между покрытием TiN и сплавом Т15К6 за счет укрепления их адгезионных связей. Практически это приводит к уменьшению количества и размеров дефектов, образующихся в модифицированном покрытии TiN, особенно при работе на подаче, близкой к оптимальной, и снижает вероятность его отслаивания в процессе резания.

Оценка степени изменения состояния модифицированного слоя на примере пластин с использованием процедуры непараметрического корреляционного анализа, основанного на вычислении коэффициента конкорда-ции, показала, что плазменная модификация повышает устойчивость слоя к процессу образования и воздействия дефектов на рабочие поверхности и режущие кромки инструмента. Работа же на режиме, близком к оптимальному, позволяет, целенаправленно изменяя направление и степень воздействия дефектов на модифицированный слой, стабилизировать его состояние и на этой основе обеспечивать наиболее полное выполнение им защитных функций по отношению к остальной части поверхностного слоя, а не провоцировать ускорение процесса ее разрушения.

В целом результаты проведенных экспериментальных исследований позволили сделать вывод о том, что измерение микротвердости дает возможность проводить интегральное оценивание качества не только процесса модификации, но и процесса эксплуатации модифицированного инструмента, используя полученные результаты для поиска условий, в которых измененные механические свойства поверхностного слоя будут проявляться наиболее полно в направлении повышения не только прочности, но и износостойкости инструмента.

В четвертой главе представлены результаты практической реализации работы по материалам стойкостных испытаний метчиков и сверл из быстрорежущей стали Р6М5, а также сменных многогранных пластин из твердого сплава RX10, предоставленных ОАО «КАМАЗинструментспец-маш» и ОАО «Саратовский агрегатный завод». Испытания проводились в ОАО «КАМАЗ» и ОАО «Саратовский агрегатный завод» на автоматических линиях, агрегатно-вертикальных и токарно-фрезерных станках; условия эксплуатации инструмента после его плазменной модификации не изменялись. Результаты испытаний показали, что повышение прочности по-

верхностного слоя способствует не только гарантированному обеспечению нормативной стойкости инструмента, но и ее повышению тем в большей степени, чем больше значение Ару. Вместе с тем в ряде случаев к концу испытаний инструмент терял работоспособность вследствие сколов или поломок, что определило целесообразность проведения анализа результатов с целью установления причин, которые привели к возникновению подобных ситуаций. Материалы анализа позволили сделать вывод о том, что основной их причиной стали погрешности конструктивных параметров инструмента и дефекты на его рабочей части, возникающие как при изготовлении и переточке, так и в процессе эксплуатации, особенно если ее условия не соответствовали оптимальным. По материалам анализа были разработаны и переданы на предприятия рекомендации, выполнение которых позволяет прогнозировать повышение износостойкости модифицированного инструмента в 1,5-3 раза.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Результаты исследований, выполненных по интегральному оцениванию качества процесса плазменной модификации рабочей части металлорежущего инструмента по параметру микротвердости, позволяют сформулировать следующие основные выводы.

1. Прочность как один из показателей эксплуатационных свойств режущего инструмента повышается различными, включая плазменные, методами, которые, однако, имеют длительные циклы обработки и высокое энергопотребление. В связи с этим наиболее перспективным является воздействие на рабочую часть инструмента низкотемпературной плазмы комбинированного разряда, способствующее существенному увеличению износостойкости. Однако для эффективного использования метода необходимо исследование результатов воздействия низкотемпературной плазмы на поверхность рабочей части инструмента с целью нахождения условий, в которых повышение его прочности будет гарантированным.

2. Энергия плазмы, воздействуя на инструментальный материал, совершает работу по перестройке структуры его поверхностного слоя до глубины -3,0 мкм из исходной высокодефектной в высоколегированную композитную, имеющую высокое сродство с материалом основы и содержащую неравномерно распределенные по глубине наноразмерные включения растворенных карбидных зерен. Количественная оценка физико-механических свойств этой структуры возможна только на основе учета степени ее уплотнения суммированием приращений плотности по глубине модифицированной части поверхностного слоя. В содержательном плане данная сумма может трактоваться как интегральный показатель качества процесса модификации.

3. Результативность модификации рабочей части режущего инструмента воздействием низкотемпературной плазмы зависит не только от того, в каком

сочетании задаются его контролируемые (технологические) параметры, но и от того, в каком направлении действуют неконтролируемые факторы, многие из которых (прежде всего неоднородность исходной структуры и скрытые дефекты) носят неслучайный характер. В связи с этим количественное оценивание результатов модификации традиционными методами статистической обработки данных может оказаться низкоэффективным. Применение процедур непараметрического дисперсионного анализа позволяет не только оценивать результаты модификации, но и находить условия, которые, обеспечивая их воспроизводимость и значимость, являются необходимыми для гарантированного повышения прочности модифицированного инструмента.

4. Износостойкость модифицированного инструмента зависит не только от степени изменения его механических свойств, определяющих повышение прочности рабочей части, но и от условий эксплуатации, определяющих направление и скорость изменения ее состояния в результате образования дефектов в поверхностном слое. Измерение микротвердости, вычисление плотности и процедура непараметрического корреляционного анализа позволяют проводить оценивание состояния и использовать полученные результаты для поиска условий, обеспечивающих повышение износостойкости модифицированного инструмента.

5. На состояние и режущие свойства модифицированной рабочей части инструмента существенное влияние оказывают отклонения в конструкции, которые даже после плазменной обработки в ряде случаев приводят к саморазрушению ее рабочих элементов. Это связано с тем, что плазменная обработка является финишной операцией, поэтому конструктивные погрешности инструмента с ее помощью устранить невозможно.

6. Основными условиями достижения практической эффективности процесса плазменной модификации являются:

- обязательным - выполнение требований нормативно-технической документации и/или справочной литературы при проектировании и изготовлении рабочей части;

- необходимым - воспроизводимость и значимость (по условию Ар! —> тах) результатов модификации;

- достаточным - оптимизация параметров технологического режима.

Выполнение первого условия позволит гарантированно обеспечивать

нормативную стойкость, двух первых условий - повысить стойкость в 1,5-2 раза, всех трех условий - повысить стойкость в 2-3 раза на основе максимальной стабилизации состояния модифицированного слоя при резании и, как следствие, эффективного выполнения им защитных функций по отношению к оставшейся неизмененной структуре поверхностного слоя рабочей части инструмента.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Исходные предпосылки для экспериментального исследования процесса плазменной модификации рабочей части режущего инструмента / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина, В.О. Стариннова // Вестник Саратовского государственного технического, университета. -2011. - № 3 (58). - Вып. 2. - С. 20-24.

2. Повышение прочности режущего инструмента на основе модификации его рабочих поверхностей в низкотемпературной плазме / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина, В.О. Самодельных (В.О. Стариннова) II Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2012. - № 5. - С. 79-84.

3. Обоснование математического обеспечения и разработка алгоритма оценки результатов плазменной модификации рабочих поверхностей металлорежущего инструмента / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина, В.О. Стариннова // Наукоемкие технологии в машиностроении. -2013,-№5.-С. 41-48.

4. Анализ результатов эксплуатации металлорежущего инструмента, модифицированного воздействием низкотемпературной плазмы / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина, В.О. Стариннова // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2013. - № 8. - С. 35-39.

Публикации в других изданиях

5. Перспективы повышения износостойкости рабочих частей металлорежущего, прессового и деревообрабатывающего инструмента из углеродистых и легированных сталей / Е.П. Зинина, В.В. Мартынов, В.О. Самодельных, М.А. Царенко // Исследование сложных технологических систем: межвуз. науч. сб. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011. - С. 24-32.

6. Пошаговое измерение микротвердости, как способ выявления технологической наследственности поверхностных слоев материалов и изделий / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина, В.О. Самодельных // Efektivni nastroje modernich vöd - 2012: materiäly VIII mezinärodni vgdecko-prakticka konference. Dil 32. Technicke vSdy. Tglovychova a sport. - Praha: Publishing House «Education and Science» s.r.o., 2012. - S. 39-43.

7. Самодельных В.О. Пошаговое измерение микротвердости, как способ интегральной оценки качества процесса наноструктурирования поверхностных слоев металлорежущего инструмента / В.О. Самодельных // Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в наноинженерии: сб. материалов Всерос. молодеж. конф. - Саратов: ООО «Издательство Научная книга», 2012. - С. 246-247.

8. Анализ прочностных характеристик режущего инструмента, модифицированного воздействием низкотемпературной плазмы / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина, В.О. Стариннова // Современные проблемы и пути их решения в науке, производстве и образовании'2012: сб. науч. тр. SWorl: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Вып. 4. - Т. 5. -Одесса: Издательство Куприенко С.В., 2012. - С. 13-17.

9. Исследование эксплуатационных свойств инструмента, модифицированного воздействием низкотемпературной плазмы комбинированного разряда / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина, В.О. Самодельных, М.А. Царенко // Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении (ТМ-2012): материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. - Рыбинск: РГАТУ имени П.А. Соловьева, 2012. - С. 322-325.

10. Tool Strengthening by Surface Modification in Low-Temperature Plasma / B.M. Brzhozovskii, V.V. Martynov, E.P. Zinina, V.O. Samodel'nykh / Journal of Machinery Manufacture and Reliability. - 2012. - Vol. 41. -№ 5. - P. 413-416.

11. Стариннова В.О. Регрессионный анализ результатов процесса плазменной модификации металлорежущего инструмента // В.В. Мартынов, Е.П. Зинина, В.О. Стариннова // Vëda a vznik - 2012/2013: materiàly IX mezinârodni vëdecko-praktickâ konference. Dil 35. Technické vëdy. - Praha: Publishing House «Education and Science» s.r.o., 2012/2013. - S. 80-82.

12. Analysis strength properties of the cutting tool modified by affecting of low-temperature plasma / B.M. Brzhozovsky, V.V. Martynov, E.P. Zinina, V.O. Starinnova // Modern scientific research and their practical application: Research Bulletin SWorld. - 2013. - Vol.Jl 1307. - P. 59-64.

13. Эксплуатационные испытания инструмента, модифицированного воздействием низкотемпературной плазмы / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина, В.О. Стариннова, М.А. Царенко // Машиностроение -основа технологического развития России (ТМ-2013): сб. науч. ст. V Междунар. науч.-техн. конф. - Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2013. - С. 216-219.

СТАРИННОВА Виктория Олеговна

ИНТЕГРАЛЬНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ РАБОЧЕЙ ЧАСТИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПО ПАРАМЕТРУ МИКРОТВЕРДОСТИ

Автореферат Корректор Л.А. Скворцова

Подписано в печать 17.10.13 Формат60х84 1/16

Бум. офсет. Усл.-печ.л. 1,0 Уч.-нзд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 162 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел. 24-95-70,99-87-39. e-mail: izdat@sstu.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

ИНТЕГРАЛЬНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ РАБОЧЕЙ ЧАСТИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПО ПАРАМЕТРУ МИКРОТВЕРДОСТИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

На правах рукописи

04201451233

Стариннова Виктория Олеговна

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор В.В. Мартынов

Саратов - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА........................................!........................................8

1.1. Основные способы модификации рабочей части режущего инструмента........................................................................................................................................................8

1.1.1. Нанесение износостойких покрытий..........................................................................................9

1.1.2. Электроискровое легирование......................................................................................................10

1.1.3. Лазерное упрочнение................................................................................................................................11

1.1.4. Химико-термическая обработка..................................................................................................13

1.2. Методы плазменного термоупрочнения......................................................................................14

1.2. Г. Йонно-плазменное диффузионное внедрение

(ионное азотирование)..........................................................................................................................15

1.2.2. Ионно-лучевая упрочняющая обработка................................................................................17

1.2.3. Обработка с применением иммерсионной плазмы........................................................19

1.3. Постановка задач исследования........................................................................................................21

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО ОЦЕНИВАНИЯ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕНОЙ МОДИФИКАЦИИ ПО ПАРАМЕТРУ МИКРОТВЕРДОСТИ....................................24

2.1. Анализ структуры и механических свойств модифицированного поверхностного слоя....................................................................................................................................24

2.1.1. Физическая основа анализа..............................................................................................................25

2.1.2. Методика анализа......................................................................................................................................30

2.1.3. Схема обработки результатов анализа..............................................................................................34

2.2. Показатель качества процесса плазменной модификации........................................41

2.3. Обоснование и разработка математического и алгоритмического обеспечения для оценивания результатов плазменной модификации............48

2.4. Выводы....................................................................................................................................................................56

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ИНТЕГРАЛЬНОМУ ОЦЕНИВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ПЛАЗМЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ .... 58

3.1. Объекты и методика исследований................................................................................................59

3.2. Результаты исследований..........................................................................................................................60

3.2 Л. ..............................................................................................40

3.2.2. Сменные многогранные пластины..............................................................................................64

3.3. Корреляционный анализ результатов исследований......................................................70

3.4. Выводы....................................................................................................................................................................76

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ..............................78

4.1. Стойкостные испытания модифицированного инструмента

в ОАО «КАМАЗ» (г. Набережные Челны)..............................................................................78

4.2. Анализ результатов испытаний........................................................................................................85

4.2.1. Метчики М10х1,25 (2620-4054)....................................................................................................85

4.2.2. Метчики М12х1,25 (2620-4089)....................................................................................................91

4.2.3. Метчики М12* 1,25 (2620-4295) с покрытием ТйчГ......................................................97

4.2.4. Сверла 05,1 (2300-4042)......................................................................................................................103

4.3. Выводы....................................................................................................................................................................105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................................111

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................................................113

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................................................................................124

Приложение А. Результаты измерения микротвердости рабочей части

металлорежущего инструмента........................................................................125

Приложение Б. К вопросу о связи микротвердости материала

с его локальной плотностью....................................................................................165

Приложение В. Материалы практической реализации результатов работы ... 169

ВВЕДЕНИЕ

. /

' « « и 1

Одной из основных тенденций развития современного производства является г' применение износостойкого инструмента различного целевого назначения с повы-

а

шенными прочностными характеристиками. Применение такого инструмента ведет, с одной стороны, к сокращению времени выполнения основных операций при изготовлении деталей как из специальных, так и из обычных материалов, с другой стороны - к экономии инструмента, поскольку его производство своими силами не всегда является возможным, а использование услуг специализированных предприятий приводит к значительным временным потерям и финансовым затратам, поскольку они находятся в других регионах России, а иногда и за ее пределами.

Повышение износостойкости инструмента обеспечивается различными способами, в том числе модификацией его рабочей части. Однако анализ существующих для этого методов позволил сделать вывод о том, что их использование требу-

г

ет достаточно длительных циклов обработки и высокого энергопотребления. В связи с этим одним из перспективных направлений является модификация рабочей части инструмента плазменным воздействием, в частности, воздействием низкотемпературной плазмы комбинированного разряда. Особенностью разработанной в СГТУ имени Гагарина Ю.А. технологии такого воздействия является то, что плазма формируется непосредственно у обрабатываемой поверхности, локализуясь на режущих кромках инструмента, воздействуя на них и существенно изменяя их свойства при незначительных временных и энергетических затратах. Комплексные исследования этих свойств показали, что количественно, они могут характеризоваться различными показателями, одним из наиболее адекватных и информативных среди которых является твердость, характеризующая прочность при вдавливании. Однако результаты практической апробации модифицированного инструмента позволили установить, что повышение его прочности и износостойкости проис-

у V

ходит в различной степени, а в ряде случаев вообще не регистрируется, в том числе из-за поломок инструмента по различным причинам. В связи с этим актуальным является исследование результатов воздействия низкотемпературной плазмы на

» 1 1 4 I > ' ' ' ' '(

• ' ' • > 4 , • * ,

( ! *

5

/

' поверхность режущей части инструмента с целью оценки возможности использования твердости в качестве интегрального показателя качества процесса воздействия, во-первых, для адекватного отображения структурных изменений в материале, во-вторых, для нахождения условий, в которых повышение износостойкости модифицированного инструмента будет гарантированным.

Цель работы: повышение качества процесса плазменной модификации рабочей части металлорежущего инструмента на основе интегрального оценивания

< *

степени повышения и сохранения ее твердости. 1 - ■<",.

х « е

Объект исследования: поверхностный слой рабочей части металлорежущего инструмента, модифицированного воздействием низкотемпературной плазмы комбинированного разряда.

Предмет исследования: алгоритмизация процедуры обработки результатов оценки физико-механических свойств рабочей части металлорежущего

>

инструмента по параметру микротвердости. ' I *'

Методы и средства исследования. Работа представляет собой комплекс исследований, направленных на обоснование возможности использования микро-

%

твердости для проведения достоверной оценки результатов плазменной модификации и эксплуатации металлорежущего инструмента, выполненных с использованием соответствующих разделов теорий резания, прочности, вероятностей и математической статистики, планирования эксперимента, положений технологии машиностроения и материаловедения и стандартной измерительной аппаратуры. Экспериментальные исследования проведены с использованием инструмента различного целевого назначения в условиях реального производства.

Научная новизна работы заключается в установлении взаимосвязи между физико-механическими свойствами и статистическими характеристиками поверхностного слоя рабочей части металлорежущего инструмента, модифицированного воздействием низкотемпературной плазмы комбинированного разряда, обосновании подхода и разработке процедуры количественного оценивания этой взаимосвязи, основанной на измерении микротвердости и анализе результатов измерений с использованием непараметрических статистических методов.

Практическая ценность работы состоит в создании методического и про-

t

граммного обеспечения для анализа результатов плазменной модификации и эксплуатации модифицированного металлорежущего инструмента.

у

Ь А- *

Реализация работы была осуществлена в ОАО «КАМАЗ» (г. Набережные Челны) и ОАО «Саратовский агрегатный завод» при обработке заготовок из чугуна

ЧВГ и легированных сталей 42ХМФА, 40Х, 45Г2, 40ХН2МА и ЗОХГСА на авто-

í

матических линиях, агрегатно-вертикальных и токарно-фрезерных станках и позволила не только подтвердить достоверность основных научных положений и выводов, но и разработать рекомендации по повышению эффективности использования модифицированного инструмента.

Представленные результаты являются составной частью фундаментальных научных исследовании, выполняемых кафедрой ({Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в маншно- и приборостроении» ФГЪОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (СГТУ) по проектам в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ на оказание услуг (выполнение работ) в 2012-2014 гг. и Программы стратегического развития СГТУ на 2012-2016 годы.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на УШ Международной научно-технической конференции «Efektivní nástroje moderních véd - 2012» (г. Прага, Чехия, 2012 г.), Всероссийской молодежной конференции «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в наноинженерии» (г. Саратов, 2012 г.), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, производстве и образовании'2012» (г. Одесса, Украина, 2012 г.), IV Международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении (ТМ-2012)» (г. Рыбинск, 2012 г.), IX Международной научно-технической конференции «Veda а vznik -2012/2013» (г. Прага, Чехия, 2012 г.), V Международной научно-технической конференции «Машиностроение - основа технологического развития России (ТМ-2013)» (г. Курск, 2013 г.), заседаниях кафедры «Констру1фование и компьютерное моделирование технологического оборудования в мапшно- и приборостроении» СГТУ в 2011-2013 гг.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных трудах, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 112 страницах, списка литературы из 103 наименований, 57 рисунков, 8 таблиц и 3 приложений. Общий объем диссертации составляет 185 страниц.

В связи с изложенным на защиту выносятся следующие научные положения работы, определяющие новизну решенных в ней задач:

1. Методика анализа структуры и механических свойств модифицированного поверхностного слоя рабочей части металлорежущего инструмента и схема обработки его результатов.

2. Показатель качества процесса плазменной модификации.

3. Алгоритм оценивания результатов плазменной модификации и результаты его обоснования.

4. Результаты экспериментальной и практической реализации работы.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

?

1} 4 ,

■I г

Повышение эффективности использования металлорежущего инструмента как научная проблема сформировалась в результате многолетних исследований процессов, протекающих при резании металлов, которые позволили констатировать, что их строгий количественный анализ наталкивается на сложность адекватного математического описания взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов. В результате теоретическое обоснование возможностей повышения эффективности вышло на междисциплинарный уровень, где с позиций фундаментальных положений различных наук изучаются разнообразные частные аспекты эксплуатации инструмента, а затем производится интеграция полученных результатов и их содержательная интерпретация в рамках основной предметной области. Наиболее значимым итогом этих работ стало создание новых инструментальных материалов, таких как мелкозернистые твердые сплавы с покрытиями,

? .

> 4

керамика, кубический нитрид бора, синтетический алмаз.

Дальнейший рост требований к качеству обработки привел к появлению в последние десятилетия станков, реализующих гибко перестраиваемую высокоскоростную технологию обработки. Их основными отличительными особенностями являются улучшенные динамические характеристики и уменьшенные температурные деформации узлов и механизмов, длительное сохранение точности за счет использования новых материалов в конструкции. В результате проблема повышения эффективности использования инструмента получила дополнительное направление решения, связанное с экономически обоснованным улучшением эксплуатационных характеристик традиционного инструмента за счет модификации и эффективного восстановления различными способами его рабочей части.

1.1. Основные способы модификации рабочей части инструмента

Повышение эффективности режущего инструмента методами модификации его рабочей части приобрело особую остроту в связи с возникновением ряда новых отраслей техники, в которых применяются различные труднообраба-

тываемые материалы. В связи с этим рассмотрим основные известные способы модификации.

» *

1.1.1. Нанесение износостойких покрытий

Все существующие способы, используемые для нанесения износостойких покрытий, можно объединить в две группы.

К первой группе относятся методы, в основе которых лежит физическое испарение или распыление материала: термическое [1], ионное [2-4], магне-тронное [2]. Перевод в паровую фазу осуществляется испарением вещества или методом ионной или электронной бомбардировки мишени. Затем переведенное в газообразное состояние вещество мишени проходит через область горения плазмы, которая образуется в среде реактивно-активного газа, например, азота, кислорода или ацетилена, способного образовывать соединения, могущие осаждаться на обрабатываемом изделии. Обозначается способ как Р\Т) - «осаждение из паровой фазы».

Вторую группу составляют методы, в основе которых лежат различные химические реакции: плазмохимическое осаждение из газовой фазы при термическом испарении [1], электрофизическое разделение ионов при электрохимическом осаждении и анодировании [1], а также низкотемпературные плазменные методы выращивания пленок [1, 5, 6].

В основе метода плазмохимического осаждения лежит взаимодействие невозбужденных молекул с активированными частицами в плазме. В результате образуется большое число обладающих большим запасом энергии возбужденных радикалов и молекул. Это облегчает протекание химических реакций, продуктом которых становится осаждаемый в виде тонких пленок материал. Такой способ нанесения покрытий обозначается как СУБ - «осаждение из газовой фазы».

Наиболее распространенными покрытиями являются нитрид титана ТйчГ, карбид титана ТЮ и окись алюминия А1203. Прочность и износостойкость покры-

тий увеличивают созданием в них слоев с различными физико-механическими

. , ' \ / " 'Л.'г . ' ' ■ 1 ■ - - • ; - .. . .

; • ■ • , .

свойствами и химическим составом. В качестве подложки используются твердый сплав на основе карбида вольфрама (WC) и кобальта (Со) с микротвердостью до 1800 ЯГ [1].

Покрытия» нанесенные рассмотренными способами, обладают высокой твердостью: 3200-3400 НУ ПС и 2100-2400 НУ ПК Являясь диффузионным барьером, они значительно уменьшают усилия резания, деформирование и износ режущего инструмента, защищают его от перегрева, снижают склонность инструментального материала к свариванию с обрабатываемым материалом, нал