автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Обеспечение качества поверхностного слоя пористых металлокерамических материалов при чистовой механической обработке

На правах рукописи

005017802

ИНОЗЕМЦЕВ ВИТАЛИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПОРИСТЫХ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЧИСТОВОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 Р ДПР 20-2

Москва 2012

005017802

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования (МИИТ) на кафедре « Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Куликов Михаил Юрьевич (ФГБ ОУ ВПО МИИТ, г. Москва)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Овсеенко Александр Николаевич (ФГБОУ ВПО «СТАНКИН», г. Москва);

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный

Защита состоится 15 мая 2012 г. в 14 часов в малом конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 217.042.02 в ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" по адресу: 115088, г. Москва, Шарикоподшипниковская ул., д. 4кор. 1А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПО "ЦНИИТМАШ".

кандидат технических наук, доцент Дерябин Максим Николаевич (ОАО «НПО ИТ», г. Королёв)

энергетический университет имени В.И. Ленина»

Автореферат разослан « 2012

г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 217.042.02

кандидат технических наук

Клауч Д.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В качестве материалов для узлов трения в современном машиностроении находят широкое применение металлокерамические спечённые сплавы. Эти материалы создаются методами порошковой металлургии и обладают особыми химическими и физическими свойствами, в т. ч. повышенной антифрикционностью и износостойкостью. Главная особенность спечённых порошковых материалов заключается в наличии пористой структуры. Это обеспечивает реализацию эффекта самосмазывания при работе узлов трения.

Наиболее важной проблемой в области обработки металлопорошковых спечённых сплавов является обеспечение параметров качества поверхностного слоя деталей при операциях чистовой механической обработки. В процессе лезвийной обработки происходят значительные деформации поверхностных слоев металлокерамики и интенсивное затягивание пор, что способствует значительному снижению пористости готовых изделий и крайне негативно сказывается на эксплуатационной характеристике готовых изделий.

Цель работы

Обеспечение качества поверхностного слоя пористых металлокерамических материалов при чистовой механической обработке.

Методы исследования

В основе работы лежат теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретическая часть исследований проводились на основе фундаментальных положений теории резания металлов, композиционных материалов и сплавов, основных положений порошковой металлургии, научных основ технологии машиностроения. Экспериментальные исследования проводились на основе действительного процесса чистовой механической обработки. Применялись методы металлографического и

3

металлофизического анализа. Определялась пористость металлопорошковых изделий после механической обработки на основе стандартизованных методов определения плотности содержания масла и пористости для порошковых изделий. Для статистической обработки экспериментальных данных использовался математический аппарат программных пакетов Excel и MathCAD. Также использовались вероятностно-статистические методы исследований и математическое планирование экспериментов.

Научная новизна заключается в следующем:

- Установлены закономерности затягивания пор при чистовой механической обработке металлокерамических спечённых материалов;

- Выявлено влияние условий резания (марка инструментального материала, режимы резания, геометрия инструмента и применение СОТС) на процесс затягивания пор при чистовой механической обработке;

- Определены критерии оптимизации условий резания, обеспечивающих минимизации) процесса затягивания пор при чистовой механической обработке.

- Предложено использование электрической активации СОТС при чистовой механической обработке металлокерамических сплавов с целью эффективной минимизации процесса затягивания пор.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- Установлено эффективное действие метода комбинированной чистовой механической обработки металлокерамических спечённых материалов, обеспечивающего необходимый уровень качества получаемой поверхности и минимизацию эффекта затягивания пор на обработанной поверхности. Данный способ позволяет поднять уровень плотности пор на поверхности в 1,7 - 2,0 раза по сравнению с обычной лезвийной обработкой.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались: на международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» «Технология - 2011» (Технологический институт им. Н Н. Поликарпова. Орёл. 2011), на российской научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения» (Государственный технический университет. Комсомольск-на-Амуре. 2011), на международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении» (Москва 2010 г., МГУПИ), III научно-образовательной конференции «Машиностроение - традиции и инновации (МТИ-2010)» (Москва, 2010г., МГТУ Станкин), на научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов», проходивших в 2009, 2010, 2011 годах (Москва, МИИТ), на заседаниях кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» (МИИТ).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 2 статьи в изданиях, аккредитованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и выводов. Содержит 157 страниц печатного текста, 52 рисунка и фотограф™, 22 таблицы и библиографический список, включающий 114 наименований.

ОСПОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой глазе представлен литературный обзор по методам получения металлокерамических спечённых материалов и проблеме их механической обработки. Приводится описание технологии получения заготовок с заданными свойствами, анализ существующих способов чистовой механической обработки данных материалов, их недостатки и влияние на качественные параметры формируемой поверхности. Большой вклад в исследование получения и обработки металлокерамических изделий внесли Г. И. Аксенов, Р. А. Андриевский, В. Н. Анциферов, Ю. М. Бальшин, С. В. Белов, Б. А. Борок, Г. М. Жданович, А. Г. Косторнов, В. С. Раковский и другие учёные. Рассматриваются работы, изучающие особенности чистовой механической обработки пористых металлокерамических материалов, среди них фундаментальные исследования А. Я. Артамонова, В.И. Кононенко, А.Т. Болыыаченко, и др..

Анализ литературы показал, что в большом количестве научных и исследовательских работ, посвященных получению и механической обработке металлокерамических порошковых материалов, предлагаются различные варианты абразивной обработки как связанным, так и свободным абразивом. Большое значение также уделяется шероховатости полученной поверхности деталей. Однако, при рассмотрении качества поверхностного слоя необходимо также рассматривать и пористость, как фактор, влияющий на формирование поверхности при чистовой обработке. Весьма важным условием является обеспечение максимальной плотности пор в поверхностном слое детали, что не достигается в полной мере результатами абразивной обработки.

Необходимо также учитывать, что результат любой чистовой механической обработки металлокерамических материалов сопровождается затягиванием пор в поверхностном слое материала. Данный процесс снижает плотность пор, тем самым блокируя доступность масла внутрь детали, и ухудшает условия смазывания и эксплуатации узла трения. Таким образом, исследование процессов порообразования в поверхностном слое после механической обработки и сохранение первоначальной плотности пор имеет

А

большое значение для возможности обеспечения требуемого качества поверхности.

Установлено, что сохранению пор на поверхности металлокерамических материалов при чистовой механической обработке не уделено должного внимания. Несмотря на большое количество работ, посвященных чистовой механической обработке металлокерамических материалов, в настоящее время практически отсутствуют сведения о влиянии обработки на особенности порообразования в их поверхности, влияния пор, формирующихся в процессе обработки, на прочностные свойства и эффект самосмазывания деталей. Исходя из этого была определена цель работы.

Вторая глава содержит описание методики проведения исследований, также перечисляются используемые приборы и оборудование.

В качестве обрабатываемых материалов используется бронзографит марки БрОГрЗН (графит - 2,2-3,5 %, никель - 4,5-5,5%, олово - 6-9%, медь -остальная часть) и железографит марки ЖГрЗ (железо — 97%, графит — 3%). В процессе исследований был проведён ряд экспериментов по чистовой обработке металлокерамики, где часть заготовок обрабатывалась всухую, часть с применением водорастворимой 3 % смазывающей охлаждающей технологической среды (СОТС) Велс— 1М (ТУ 0258-053-00148843-2002).

Кроме того, во второй главе приводится теоретическое описание построения полного факторного эксперимента, предъявляемые требования к факторам и исследования степени влияния факторов при планировании эксперимента.

Чистовая механическая обработка осуществлялась на токарно-винторезном станке 16К20ПФ1, рассмотрены варианты обработки резцами с напайными пластинами из таких материалов, как быстрорежущая сталь Р6М5; твёрдый сплав Т5К10; со сменными пластинами - керамика марок (ЗМТ20, ВОК75 и ВОК70 с покрытиями; алмаз; твёрдый сплав Т5К10 с покрытием "ПИ (марка пластины БММ0150608 РС), также рассматривались результаты обработки шлифовальным крутом, а также абразивной обработки

мелкозернистой шкуркой 14А СФЖ У1С (ГОСТ 13344-79), зернистостью 100Н-М40 (размер зерна 28-40 мкм).

Измерение шероховатости поверхности проводились с использованием интерференционного микроскопа Ке\у\Че\у 5000.

Для исследования пористости поверхностного слоя обработанной поверхности была разработана специальная методика определения плотности пор (пористости), основанная на базе стандартной методики определения плотности содержания пор (ГОСТ 18898-89).

С целью обеспечения требуемых значений качественных параметров поверхностного слоя после механообработки (шероховатость Яа 0,63 - 1,25, пористость 18—25 %) проведена чистовая обработка с электрической активацией СОТС. Для этого на станке 16К20ПФ1 была смонтирована установка (рис. 1), состоящая из ёмкости с активированным раствором, в которой находились анод и трубка подвода сжатого воздуха для поддержания постоянного давления. Также в установку входит источник питания, микроамперметр, резистор с переменным сопротивлением. Замыкание электрической цепи через обрабатываемую заготовку осуществлялось при помощи динамического токосъёмного устройства, установленного в пиноли задней бабки токарно-винторезного станка. Со стороны шпинделя заготовка устанавливалась на оправку с ложным конусом.

5 А

1-Заготовка

2 - Режущийинструмент,

3 - Динамическое токосьёпное устрвйстбп,

4 - АктЛшюр,

5- ПрдШ сжатого бйздуха для создания дайпеиия;

6 - ЗлекарОО;

7 - Источник питания,-

8 - Мсщдмпержяр;

9 - Перевенный резистор

Рис. 1. Схема установки для экспериментального исследования процесса резания с активацией СОТС. 8

Третья глава посвящена исследованию порообразования на поверхности металлокерамических спечённых материалов в процессе чистовой механической обработки. В ней подробно рассматривается порообразование в процессе получения заготовок (до механической обработки), влияние механической обработки на порообразование (на размеры пор, на форму и плотность пор (пористость)). Здесь представлены микрофотографии поверхности бронзографита БрОГрЗН и железографита ЖГрЗ до механической чистовой обработки (рис. 2 - 3), а также рассматривалась структура поверхности после обработки.

Рис. 2. Поверхность заготовки из бронзографита БрОГрЗН (х50) до механической обработки.

Рис. 3. Поверхность заготовки из железографита ЖГрЗ (х120) до механической обработки.

В результате практических исследований структуры поверхности деталей из бронзографита после операций чистовой механической обработки были выявлены существенные различия в изменении состояния структуры поверхностного слоя, выражающиеся в изменении размеров и формы пор, а также их плотности. Кроме того, после чистовой механической обработки наблюдалось изменение шероховатости поверхности в широком диапазоне.

Как показали результаты экспериментов, в процессе резания как бронзографита, так и железографита при всех способах и режимах механической обработки происходит уменьшение размеров пор.

Исследование механизма затягивания пор показало, что при точении режущая кромка сминает, а затем срезает слой материала. При приближении зоны контакта «инструмент - заготовка» к порам, происходит смятие срезаемого материала, который выходит из зоны резания за счёт пространства самой поры. В результате обработки кратер поры закрыт тонким слоем металла (рис. 4.), толщина которого зависит от режущего инструмента, от марки обрабатываемого материала, а также от режимов резания и условий обработки.

1 - кратер поры; 2 — наплыв после обработки в форме люка.

Рис. 4. Закрытие поры в результате механической обработки бронзографита БрОГрЗН (х500).

В результате чистовой обработки различными инструментальными материалами минимальное снижение пористости наблюдается при использовании твердосплавного инструмента с покрытием ТІЙ (Рис. 5.).

П, % 25

____21,14______ ______22,8. - Д° обработки

18,6 -для керамики СШТ20; 23,14 - для тв, сплава с покр. ИМ еСОТС;

12,1 -для абразива; 25-до обработки; 13,9 -для Р6М5 с СОТС; 22,8 -для алмаза

...........Мб........0.406..........1,5...............М..............12...............М.....................................................................................................................................................

Рис. 5. Влияние инструментального материала на шероховатость и пористость на поверхности деталей из металлокерамических материалов.

Поверхность с шероховатостью Яа 0,406, полученная в результате проведённых экспериментов, также признаётся наилучшей, так как обладает минимальной шероховатостью и более открытыми порами. Учитывая, что шероховатость поверхности антифрикционных бронзографитовых втулок должна составлять Яа 0,63 - 1,25, а пористость 18-25 %, представляется целесообразным повысить качество поверхности за счёт активации СОТС.

В результате проведённых исследований установлено, что в процессе механической обработки металлокерамических спечённых материалов происходят значительные преобразования структуры поверхностного слоя, способствующие изменению свойств поверхностного слоя, ухудшающих возможность обеспечения технологии самосмазывания узлов трения за счёт удержания масла пористыми антифрикционными втулками, в том числе, изменяются размеры, форма пор и уменьшается их плотность.

Установлено, что применение шлифовальной обработки приводит, практически, к полному затягиванию пор у поверхности, исключая дальнейшую работоспособность поверхности. Те поры, которые полностью не затянулись, приобрели вытянутую форму, то есть наблюдается значительное преобладание сокращения ширины над сокращением длины пор.

11

Соответственно, такая поверхность обладает очень низкой способностью впитывать и удерживать масло внутри деталей.

Применение твердосплавного инструмента с покрытием нитрида титана позволяет получить поверхность с минимальным затягиванием пор и относительно высоким качеством поверхности. При этом наблюдается минимальное изменение формы пор после обработки по сравнению с другими рассматриваемыми материалами режущего инструмента.

Исследование влияния радиуса вершины инструмента показало, что при значениях радиуса г = 0,2 мм пористость и чистота обработанной поверхности выше по отношению к пористости, полученной после обработки резцом с вершиной г = 0,4 мм.

При обработке образцов из металлокерамики резцом с радиусом вершины г = 0,4 мм получена поверхность Яа 0,43, при обработке с СОТС шероховатость составила Яа 0,406. При изготовлении втулок для подшипников скольжения, полученная шероховатость поверхности составила Яа 0,43, в то время как технические требования к чистоте поверхности изготовляемых втулок соответствуют Яа 0,63 — 1,25.

Таким образом, снижение радиуса вершины менее 0,4 мм позволит получить более низкую шероховатость. Лучший результат обработки может быть достигнут при использовании радиуса при вершине г < 0,2 мм.

Применение твердосплавного инструмента с покрытием нитрида титана и СОТС при обработке металлокерамики на скорости V = 141 м/мин дало возможность достичь пористости поверхности 23,14 %. Данные значения наиболее приближены к плотности пор до механической обработки -25 %, при этом, значение шероховатости поверхности составило Яа 0,406. До механической обработки шероховатость поверхности бронзографита составляла Яа 1,6.

В четвёртой главе рассматривается возможность дальнейшего повышения качественных показателей поверхностного слоя металлокерамических спечённых материалов в результате комбинированного

способа чистовой обработки резанием с помощью электрической активации

сотс.

При обработке металлокерамики с электрической активацией СОТС ток изменялся в диапазоне 0,2 - 2,4 А, напряжение 3—28 В. Исследование влияния электрического тока на пористость при обработке показало, что наибольшая пористость после чистовой обработки была получена при напряжении 28 В, силе тока 2,4 А, её значение составило около 24,7 %, процесс резания с применением активированной СОТС проводился на скорости V = 141 м/мин, среднее значение шероховатости поверхности после обработки составило около 11а 1,06. При исследовании напряжение и ток изменялись в диапазонах 3 - 28 В и 0,2 - 2,4 А.

Размеры пор по окончании процесса обработки с активированной СОТС значительно увеличились в результате ликвидации наплыва тонкой медесодержащей плёнки, которая образуется на поверхности над кратерами пор металлокерамических материалов в результате деформирующего пластического воздействия режущей кромки инструмента на поверхностный слой обрабатываемой заготовки. Таким образом, размеры пор поверхности всех заготовок после процесса обработки с активированной СОТС составили в пределах 45 — 205 мкм по длине, в то время как после чистовой обработки без активации СОТС поверхность была более чистой и размеры пор наблюдались в пределах 30 - 95 мкм по длине. Также механическая обработка с неактивированной СОТС способствовала значительному уменьшению внешних размеров пор — крупные поры уменьшались в размерах и имели вытянутую форму, а мелкие поры оказались затянутыми полностью.

Ряд проведённых экспериментов показал, что увеличение концентрации раствора сульфата меди, добавляемого в СОТС, способствует увеличению размеров пор на поверхности спечённых металлокерамических материалов. При этом наблюдается обратная зависимость - чем выше концентрация используемого раствора, тем медленнее увеличивается скорость роста размеров пор.

В пятой главе описывается полный факторный эксперимент по исследованию формирования качества поверхностного слоя металлокерамики, а также планирование эксперимента чистовой механической обработки с активацией СОТС.

Основная цель планирования эксперимента чистовой механической обработки металлокерамики состоит в установлении характера взаимодействия факторов, оказывающих влияние на процесс формирования поверхностного слоя изделий из металлокерамических спечённых материалов, а также определение степени воздействия того или иного фактора на качество образуемой поверхности, полученной в результате механической чистовой обработки. В частности, особое внимание уделяется изменению плотности пор на обработанной поверхности под влиянием условий, в которых осуществляется резание металлокерамики. Важной и необходимой задачей в процессе обработки статистических данных также является определение значимости парного взаимодействия факторов на качество полученной поверхности.

Проведённые эксперименты показали, что твёрдосплавный инструмент с покрытием НИ является наиболее эффективным и все опыты проводились с использованием данного инструмента и СОТС.

За параметр оптимизации была принята относительная плотность пор, которая сравнивалась с плотностью пор материала до обработки.

Исходя из анализа литературных источников и результатов проведённых экспериментов, было принято изменять следующие факторы: скорость резания - V, м/мин; подача инструмента - Б, мм/об; радиус при вершине резца - г, мм.

В основе математической модели лежит полином первой степени, парное и тройное взаимодействие факторов наблюдалось практически незначительным, что позволило их не учитывать. В результате преобразований математическая модель формирования пористости поверхностного слоя после чистовой механической обработки приобрела следующий вид:

у = 23,065 + 0,063% - 0,063X2 - 0,044Х3 (1) 14

Определение оптимального значения пористости на поверхности изделий из бронзографита после механической обработки методом крутого восхождения показало, что оптимальные условия резания достигаются при проведении основных опытов и соответствуют следующим значениям факторов: V = 141 м/мин; Б = 0,05 мм/об; г = 0,4 мм (пористость - 23,184 %).

Снижение пористости при дальнейшем увеличении скорости резания свыше 141 м/мин, очевидно, имеет связь с ростом температуры резания, размягчением прирезцовых слоев материала и увеличением сил адгезии, приводящим, совместно с силами трения, к образованию неоднородной поверхности. Кроме того, из-за пониженной теплопроводности пористого материала, которая при нагреве понижается ещё больше, у поверхностного слоя увеличивается количество тепла. Совместно с действием сил трения на гранях режущего инструмента это способствует закупориванию устьев пор, находящихся у поверхности. Следовательно, в самых тонких поверхностных слоях металлокерамики при чрезмерно высоких скоростях обработки происходит повторное интенсивное уплотнение помимо деформации от сил резания.

При планировании эксперимента механической обработки металлокерамики с электрической активацией СОТС за параметр оптимизации принимается относительная плотность пор, которая сравнивалась с плотностью пор материала до обработки.

Исходя из анализа литературных источников, а также по результатам предыдущих экспериментов, варьировались следующие факторы: скорость резания — V, м/мин; величина тока в цепи — I, А.

Как показали практические результаты обработки, наибольшее влияние факторов исследования на параметр оптимизации наблюдается при тех же факторах, что соответствуют обработке без активации СОТС: скорости резания V - 141 м/мин; подаче Б - 0,05 мм/об; радиусе при вершине г - 0,4 мм. Кроме этого, достижению оптимального качества поверхности способствует большая концентрация раствора сульфата меди СиЭОд и ток I = 2,4 А.

В результате полученная математическая модель формирования пористости поверхностного слоя после механической чистовой обработки с электрической активацией СОТС имеет следующий вид:

у = 24,175 + 0,4% + 0,095Ж2 (2)

Как показали результаты опытов для построения крутого восхождения, оптимальные условия резания достигнуты при проведении дополнительных опытов и соответствуют значениям переменных факторов: V = 141 м/мин; I = 2,4 А. Полученная пористость составила 24,7%, при этом снижение плотности пор при механической обработке достигает 0,3% .

Выводы по диссертации.

1. Разработана методика оценки пористости поверхностного слоя металлокерамических спечённых материалов после обработки резанием.

2. Выявлены закономерности механизма затягивания пор на рабочих поверхностях деталей из металлокерамических спечённых материалов при чистовой механической обработке (поры затягиваются по поверхности, в результате образуя замкнутое пространство, что снижает пористость поверхности).

3. Установлено влияние условий процесса резания на формирование поверхностного слоя деталей из металлокерамических материалов (снижению затягивания пор способствует: применение лезвийной обработки твердосплавным инструментом с износостойким покрытием и малым радиусом вершины; использование СОТС).

4. Установлены закономерности влияния условий процесса резания на формирование поверхностного слоя деталей из металлокерамических материалов (затягивание пор и шероховатость поверхности).

5. Установлено влияние режимов резания и СОТС на пористость поверхностного слоя металлокерамических спечённых материалов. Снижению затягивания пор способствует: увеличение скорости резания; уменьшение подачи; применение электрической активации СОТС.

16

6. Разработаны рекомендации по чистовой обработке металлокерамических материалов, обеспечивающие снижение исходной пористости на поверхности полученных деталей в допустимых пределах.

7. Производственные заводские испытания показали, что рекомендованные условия и режимы резания позволяют сохранить пористость деталей и обеспечить требуемую шероховатость поверхности.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в изданиях ВАК

1. Иноземцев В.Е.. Использование и обработка металлокерамики. Журнал «Мир транспорта» № 4/2010. МИИТ. С. 44 - 48.

2. Иноземцев В. Е.. Факторы, влияющие на технологические возможности металлокерамических спечённых материалов, в процессе лезвийной чистовой обработки. Научно - технический журнал «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» Государственного университета - учебно-научно-производственного комплекса (ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»). № 4/2 (288) 2011. Орёл 2011. С. 61-66.

Публикации в других изданиях

3. Иноземцев В.Е.. Исследование поверхностного слоя после механической обработки деталей из металлокерамических спечённых материалов. Межвузовский сборник научных трудов «Физика, химия и механика трибосистем» Ивановского государственного университета. Трибологический центр ИвГУ. Выпуск IX. Иваново 2010. С. 33 — 37. (соавт. Цыпкин E.H., Хеин Мин Аунг).

4. Иноземцев В.Е.. Исследование качества поверхности спечённых материалов после их финишной механической обработки. Научные труды меясдународной научно-практической конференции «Фундаментальные

проблемы и современные технологии в машиностроении». ИМА1И РАН им. Благонравова, МГУПИ, ФГУП ММПП «Салют». Москва «Машиностроение» 2010. С. 305-310.

5. Иноземцев В.Е.. Разработка способов повышения качества поверхностного слоя спечённых материалов после механической обработки. Труды Юбилейной десятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» МГУПС. 2009. С. XIII-16 - XIII17.

6. Иноземцев В.Е.. Исследование качества поверхности металлокерамических спечённых материалов после их механической обработки. Труды научно-практической конференции Неделя науки - 2010 «Наука МИИТа - транспорту. Москва 2010. С. 1-44 -1-45.

7. Иноземцев В.Е.. Управление качеством деталей из металлопорошковых и композиционных материалов при финишной механической обработке. Материалы III научно-образовательной конференции «Машиностроение - традиции и инновации (МТИ-2010)». Секция «Машиностроительные технологии». Москва 2010. С. 130 — 134. (соавт. Куликов М.Ю., Флоров A.B.).

8. Иноземцев В. Е.. Факторы, влияющие на технологические возможности металлокерамических спечённых материалов, в процессе лезвийной чистовой обработки. Сборник тезисов докладов XTV Международной научно-техническая конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» «Технология - 2011». Орёл 2011. С. 25 - 28.

9. Иноземцев В.Е., Куликов М.Ю.. Исследование влияния условий чистовой механической обработки металлокерамических спечённых материалов на качество образуемой поверхности. Межвузовский сборник научных трудов «Физика, химия и механика трибосистем» Ивановского государственного университета. Трибологический центр ИвГУ. Выпуск X. Иваново 2011. С. 88 - 93. (соавт. Куликов М.Ю.).

10. Иноземцев В.Е.. Улучшение качества поверхности при механообработке металлокерамики. Труды Юбилейной двенадцатой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» МИИТ. 2011. С. ХГУ-126. (соавт. Куликов М.Ю.).

11. Иноземцев В.Е.. Режущий инструмент как главный фактор формирования высококачественной поверхности порошковых спечённых материалов. Труды научно-практической конференции Неделя науки - 2011 «Наука МИИТа - транспорту». МИИТ. 2011. С. III - 166.

12. Иноземцев В.Е.. Повышение качества поверхности подшипников скольжения при чистовой механической обработке. Сборник материалов XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов МИКМУС-2011. Москва 2011. С. 83. (соавт. Куликов М.Ю.).

13. Иноземцев В.Е.. Исследование влияния механической обработки на поверхность металлокерамики. Сборник трудов Российской научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения» Комсомольск-на-Амуре Государственного технического университета. Комсомольск-на-Амуре 2011. С. 240 - 242.

Подписано в печать:

03.04.2012

Заказ № 6899 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.nj

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)

На правах рукописи

61 12-5/2483

Иноземцев Виталий Евгеньевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПОРИСТЫХ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЧИСТОВОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Куликов М.Ю.

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.................5

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................6

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................................................9

1.1. Обзор ассортимента и свойств металлопорошковых материалов...........................................................................9

1.2. Особенности обработки металлопорошковых

материалов резанием..............................................................12

1.3. Цель и задачи исследования................................................41

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ......................44

2.1. Объект исследований, приборы и оборудование.....................44

2.2. Построение эксперимента и исследование

степени влияния факторов.......................................................48

2.3. Планирование эксперимента.

Полный факторный эксперимент................................................49

2.4. Критерии оптимизации......................................................52

2.5. Требования к критериям оптимизации...................................53

2.6. Задачи с несколькими выходными параметрами......................54

2.7. Характеристика факторов и требования к ним........................56

2.8. Выбор математической модели............................................57

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРИСТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ СПЕЧЁНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ ЧИСТОВОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ....................................59

3.1. Пористость до механической обработки.................................59

3.2. Влияние механической обработки на пористость......................66

3.2.1. Влияние механической обработки на размеры пор.................66

3.2.2. Влияние механической обработки на форму пор...................76

3.2.3. Влияние механической обработки на плотность пор...............80

Выводы................................................................................91

4. ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МЕТАЛЛОКЕРАИМЧЕСКИХ СПЕЧЁННЫХ МАТЕРИАЛОВ В РЕЗУЛЬТАТЕ КОМБИНИРОВАННОГО СПОСОБА ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ...............................................................93

Выводы..............................................................................108

5. ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ ПОРОШКОВЫХ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ СПЕЧЁННЫХ МАТЕРИАЛОВ..............................................................................109

5.1. Критерии оптимизации качества поверхностного слоя металлокерамических спечённых материалов................................109

5.2. Требования, предъявляемые к критериям оптимизации качества поверхностного слоя

металлокерамических спечённых материалов..............................110

5.3. Задача с несколькими выходными параметрами при определении критериев оптимизации условий механической чистовой обработки порошковых металлокерамических спечённых материалов............111

5.4. Характеристика факторов, влияющих на критерии оптимизации качества поверхностного

слоя при проведении эксперимента и требования к ним..................113

5.5. Разработка математической модели процесса чистовой обработки металлопорошковых

спечённых материалов.............................................................114

5.6. Планирование эксперимента и выбор факторов, влияющих на критерий оптимизации условий механической чистовой обработки................................................................116

5.7. Полный факторный эксперимент по исследованию формирования качества поверхностного

слоя металлокерамики............................................................121

5.8. Определение максимального значения пористости на поверхности

изделий из бронзографита после механической обработки.............130

5.9. Планирование эксперимента и выбор факторов, влияющих на условия комбинированной

чистовой обработки с активацией СОТС.....................................133

5.10. Полный факторный эксперимент по исследованию формирования качества поверхностного слоя металлокерамики в результате обработки

с активированной СОТС.........................................................136

5.11. Определение максимального значения пористости на поверхности изделий из бронзографита после обработки с электрической активацией

СОТС методом крутого восхождения.......................................143

Выводы.............................................................................144

6. ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ..........................................147

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................148

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ПАВ - поверхностно-активное вещество;

СОТС - смазочно-охлаждающая технологическая среда;

П - пористость металлокерамики, %;

ПО - поры открытые;

ПТ - поры тупиковые;

Пз - поры закрытые;

р' - коэффициент насыщения поверхности; Б - подача, мм/об; N - частота вращения, об/мин; I - глубина резания, мм; I - ток, А;

И - напряжение поляризации, В; V - скорость резания, м/мин; НВ - твёрдость по Бринеллю, МПа; Н - линейные размеры пор, мкм; Яа - шероховатость поверхности, мкм;

система СПИД - система технологического процесса: станок -приспособление - инструмент - деталь; г' - коэффициент корреляции; г - величина радиуса вершины резца, мм.

ВВЕДЕНИЕ

Высокий уровень развития промышленности во всём мире способствует значительному расширению номенклатуры применения высокотехнологичных искусственных материалов. Из данных материалов изготавливаются детали, применяемые в узлах трения машин и механизмов. Данная тенденция объясняется тем, что эти высокотехнологичные материалы обладают заранее заданными химическими и физическими свойствами, то есть имеют особый химический состав и могут сохранять свою работоспособность в определённых физических условиях намного дольше по сравнению с материалами, которые использовались ранее. Таким образом, преимущество отдаётся металлокерамическим спечённым порошковым материалам; композитам; специальным антифрикционным полимерным материалам.

Наряду с использованием этих материалов имеется также актуальная проблема с их механической обработкой - выбором режущего инструмента, режимов и условий обработки, а также необходимость исследования их механических свойств. Таким образом, затрагивается вопрос о работоспособности режущего инструмента, связанного с обработкой таких материалов, учитывая их сложную неоднородную структуру.

Механическая обработка пористых металлокерамических материалов сопровождается более существенными изменениями материала [10] в поверхностном слое, чем при обработке литых материалов и сплавов. Это связанно с наличием пористости, которая приводит в процессе резания к дополнительным изменениям физико-механического состояния материала в поверхностном слое: уплотнению пористого каркаса, влияние которого на общее упрочнение материала не зависит от температуры резания, к срыву отдельных макро- и микроучастков упрочнено-уплотнённого слоя, обуславливающего появление неоднородной поверхности. Снижение тепло- и температуропроводности материала приводит к локализации действия теплового фактора в тончайших поверхностных слоях.

Существуют различные способы чистовой механической обработки пористых металлокерамических материалов в камере несвязанным абразивом под действием сжатого воздуха. Тем не менее, обработка этими способами приводит к шаржированию обработанной поверхности продуктами износа абразивных зёрен, а также пылевидными частицами материала заготовки, что значительно ухудшает качество такой поверхности. Кроме того, при такой обработке поверхность подвергается неодинаковому съёму материала.

В данной работе исследуется комбинация способа лезвийной обработки и одновременно травления обрабатываемой поверхности. Как показала практика, данным способом при определённых условиях возможно достичь требуемых качественных параметров поверхностного слоя за короткий промежуток времени. Также проводились научные исследования, связанные с установлением действия различных факторов на протекание процесса резания металлокерамики и определением необходимых условий для осуществления комбинированной обработки.

Целью данной работы является обеспечение качества поверхностного слоя пористых металлокерамических материалов при чистовой механической обработке.

Работа выполнена на кафедре «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ).

На защиту выносятся:

1. Установленная закономерность механизма затягивания пор при механической обработке;

2. Результаты экспериментальных исследований влияния материала инструмента, режимов резания и геометрических параметров инструмента на плотность пор при обработке;

3. Интерполяционная модель, полученная при математическом планировании эксперимента, и определение оптимума достигаемой пористости;

4. Применение электрической активации СОТС для достижения требуемых параметров качества поверхности изделий из пористой металлокерамики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

установлены закономерности затягивания пор при чистовой механической обработке металлокерамических спечённых материалов;

- выявлено влияние условий резания (марка инструментального материала, режимы резания, геометрия инструмента и применение СОТС) на процесс затягивания пор при чистовой механической обработке;

- определены критерии оптимизации условий резания, обеспечивающих минимизацию процесса затягивания пор при чистовой механической обработке.

- предложено использование электрической активации СОТС при чистовой механической обработке металлокерамических сплавов с целью эффективной минимизации процесса затягивания пор.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- установлено эффективное действие метода комбинированной чистовой механической обработки металлокерамических спечённых материалов, обеспечивающего необходимый уровень качества получаемой поверхности и минимизацию эффекта затягивания пор на обработанной поверхности. Данный способ позволяет поднять уровень плотности пор в 1,7 - 2,0 раза по сравнению с обычной лезвийной обработкой.

По теме диссертации опубликовано 13 работ. Основные положения диссертации доложены на международных и всероссийских конференциях.

1. Состояние вопроса и постановка задач исследований.

1.1. Обзор ассортимента и свойств металлопорошковых материалов.

В современном мировом машиностроении в последнее время наблюдается тенденция применения искусственных высокотехнологичных материалов, обладающих заранее заданными свойствами, которые обеспечивают бесперебойную работу технических средств. К таким материалам относятся и спечённые пористые порошковые материалы, получаемые методами порошковой металлургии. Они обладают большой пластичностью, сквозной проницаемостью для газов и жидкостей, прочностью, устойчивостью к тепловым воздействиям. Данные материалы могут обладать работоспособностью при температурах 1000° С, они также коррозионно-стойкие и жаропрочные. Порошковые спечённые материалы очень экономичны в изготовлении [30]. Получают эти материалы методами порошковой металлургии, включающие в себя прессование и спекание порошков бронзы, железа, меди, сталей, молибдена, вольфрама, никеля, титана и других. Специфическими свойствами являются наличие пористости, которое обеспечивает явление самосмазывания трущихся поверхностей в процессе эксплуатации. Пористость таких материалов колеблется в пределах 20-80 %, также различны размеры и самих пор - от 1 до 1000 мкм, как по глубине, так и по диаметру [30].

Теоретические и практические разработки Г. И. Аксенова, Р. А. Андриевского, В. Н. Анциферова, Ю. М. Балынина, С. В. Белова, Б. А. Борока, Г. М. Ждановича, А. Г. Косторнова, С. С. Кипарисова, А. Ф. Силаева, О. В. Романа, И. М. Федорченко, Б. Ф. Шибряева, В. С. Раковского, и других учёных позволили значительно расширить ассортимент и область применения пористых порошковых материалов во многих отраслях промышленности. Данные материалы успешно нашли своё применение в космической технике, сельском хозяйстве, машиностроении, медицине, радиоэлектронной и химической промышленности, а также в атомной энергетике и приборостроении [2, 20, 23, 26, 37, 50-52, 45, 85, 79, 95, 105, 106, 76].

После изготовления все детали из порошковых материалов имеют различную пористость: открытую, закрытую, тупиковую [64]. Это способствует применению деталей из таких материалов в узлах трения с предварительной пропиткой их смазкой.

Металлокерамические материалы, изготовленные из порошков меди и бронзы спеканием при свободной насыпке, характеризуются высокими проницаемостью, капиллярным потенциалом, но низкой относительной величиной межчастичных контактов и невысокой теплопроводностью [30]. При прессовании и спекании теплопроводность повышается, но снижается проницаемость и капиллярный потенциал. Оптимальными свойствами обладают пористые порошковые спечённые материалы, полученные по технологии прессования с порообразователем и спекания. Материалы, полученные этим методом, имеют пористость от 34 до 54 % в зависимости от давления прессования, которое может составлять 50, 100 или 200 кПа, средний размер пор находится в пределах от 22 до 201 мкм, максимальные размеры пор могут составлять 283 мкм, форма пор овальная.

Для металлокерамических материалов, полученных из порошков углеродистой стали, пористость может составлять от 24 до 41 % в зависимости от давления прессования, которое может составлять от 196 до 294 кПа, средние размеры пор - 20-220 мкм, максимальные размеры отдельных пор составляют 370 мкм. Металлокерамические материалы из стального порошка имеют пористость до 43 %, средний размер пор может составлять 40-80 мкм. Для металлокерамических материалов из порошков коррозионно-стойких сталей пористость колеблется в пределах 34-56 % в зависимости от давления прессования, средний размер пор 90-234 мкм, максимальный размер пор - 307 мкм [30].

Однако нужно учитывать, что высокая плотность пор отрицательно влияет

на прочностные характеристики металлопорошковых спечённых материалов,

чем выше плотность пор материала, тем сильнее он подвержен разрушению.

Увеличение процентного соотношения пор приводит к повышению

10

концентрации напряжений и снижает пластичность [65]. Также необходимо учитывать, что наличие пор в поверхностном слое значительно влияет на увеличение износа таких деталей из за попадания в микротрещины, находящиеся возле пор, молекул поверхностно-активных веществ, вызывающих расклинивающее действие в трещинах материала и разрушение детали [64].

Тптггти г к nnn» TT/-kW TI TIV ТТ TT/^\'-rTJ/~\r»nrT AVQ9LTDQtAT ^Г\ TTTL DTTTJCIUWP UQ

JL dKi4iVl UUUaiUlVLj ÍJCtolVl^L/ ll\jp Л ПЛ liJiViriwib VIVUOÜIIJUIV i Wjiumvv ujiiTi/iiinv nu

качественные и эксплуатационные показатели деталей из порошковых спеченных материалов.

Порошковые пористые материалы, изготавливаемые из меди и бронзы, находят применение в качестве материалов для фильтров и подшипников скольжения. Применение подшипников скольжения из пористых спечённых материалов обуславливается тем, что в процессе их работы масло, помещённое в поры подшипника, нагревается и поступает в зону трения, тем самым создавая масляную ванну и поддерживая хорошую работу пары трения. Кроме того, своё применение эти материалы находят и в качестве конструктивных элементов теплообменных устройств, так как они обладают значительно высокой теплопроводностью [30].

Порошковые пористые материалы из порошков железа обладают высокой коррозионной стойкостью в таких средах, как керосин, бензин, масло.

Свойства порошковых пористых материалов на основе железа можно обеспечить введением специальных добавок. При спекании с применением таких добавок сглаживается рельеф пор, а также повышается проницаемость таких материалов. Такие материалы имеют целый ряд преимуществ в отличие от керамических, стеклянных, тканевых и многих других материалов, имеющих проницаемую структуру: прочность, устойчивость к коррозии, термостойкость, хорошая подверженность механообработке, свариваемость, высокая тепло- и электропроводность.

По результатам исследований, проведённых П. А. Витязем, В. М.

Кацевичем, В. К. Шелегом, можно сделать вывод, что методы порошковой

металлургии позволяют получать изделия из пористых порошковых материалов,

II

точность которых не выше 12-го квалитета, а среднее отклонение профиля поверхности находится в пределах 32 - 63 мкм.

1.2. Особенности обработки металлопорошковых материалов резанием.

Методом порошковой металлургии получают заготовки, максимально приближенные к параметрам требуемой детали. Однако окончательная форма и размеры рабочих поверхностей оформляются с помощью методов механической обработки.

В настоящее время существует небольшое количество работ, посвященных изучению процессов механической