автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности чистовой обработки деталей вакуумных приборов применением инструмента с износостойкими покрытиями

V4" ■

Государственный комитет, по делам науки и высшей шнолы РСФСР

• МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СТАНКОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи СТУПИН Борис Анатольевич

УДК 621.9.02:669.018.25

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ ПРОШЕНИЕМ ИНСТРУМЕНТА С ИЗНОСОСТОЙКИМИ ПОКРЫТИЯМИ

Специальность 05.03.01. - Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технически* наук

Москва -1992

Работа выполнена в Московском ордена Трудавого Красного Знамени станкоинструментальном институте и Сумском ПО "Электрон"

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Лауреат Государственной премии СССР Верещака A.C.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Гречишников В.А.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Андреев В.Н.

Ведущее предприятие -

Сумское машиностроительное научно-производственное объединение имени М.В.Фрунзе

Защита диссертации состоится " # " 199 2 г.

/*/ ^часов на заседании специализированного Совета 063.42.05

в Московском станкоинструментальном институте по адресу: I0I472, Москва, К-55» Вадковский пер., д.За, тел.2В9-35-73.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского станкоинструментального института.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.н., доцент

.П.Поляков

- г -

ОБЩ ХАРЖГЕРМСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. При производстве физических приборов ( масс-спектрометры, электронные микроскопы, электронно-сварочная аппаратура и т.д.) предъявляются высокие требования к надежности их функционирования, которая в значительной степень определяется качеством поверхностного слоя обработанных поверхностей деталей этих приборов ( шероховатость, физико-механическое состояние, структура и т.д.). Качество поверхностного слоя предопределяет закономерности взаимодействия заряженных частиц в электромагнитных (ЭМ) и магнитных силовых (МС) полях, происходящих в вакуумном объеме. Для снижения погрешностей взаимодействия заряженных частиц в ЭМ и МС полях вакуумного объема необходимо введение технологических ограничений на геометрические, физико-механические и структурные параметры поверхностного слоя, формируемого в процессе механической обработки резанием.

Следовательно, одним из путей повышения надежности функционирования вакуумных физических приборов является получение высокого качества поверхнос toro слоя деталей в процессе механической обработки резанией и формирование поверхностного слоя в соответствии с заданными технологическими требованиями к параметрам этого слоя.

Качество формируемого поверхностного слоя деталей определяется' многими, факторами, среди которых важнейшими являются свойства инструментального материала. Такие свойства определяют характер контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов, термомеханическую напряженность процесса резания и непосредственно приповерхностных слоев материала обрабатываем! ; деталей и, следовательно,значительно влияют на параметры поверхностного слоя.

Использование релсудего инструмента с покрытием,которое выполняет роль своеобразной " промежуточной" среды мезду инструментальным . и обрабатываемым материалами и, таким образом, позволяет регулировать характер контактного взаимодействия этих материалов и фор мировать поверхностный слой обрабатываемых деталей в оптимальных условиях.

Таким образом, установление связи ыетсду составом, свойствам и параметрами покрытго. с одной стороны, условиями процесса резания.и характеристиками поверхностного слоя, отвечающимтребова -ниям, предъявляемым к деталям вакуумных физических приборов - с другой стороны, является актуальной научной задачей, которая решается в данной работе.

Работа выполнена,в соответствии с общесоюзной„координационной программой Госкомитета СССР по науке и технике 0.16.05 (задание 38Т). -

Целью работы является повышение эффективности чистовой обработки деталей вакуумных приборов путем применения реяущего инструмента с износостойкими покрытиями, а также разработка рекомендаций по технологии нанесения износостойких покрыта

Общая методика исследований. Методическое обеспечение исследований разработано с учетом цели и . задач работы, Использованы основные положения теории резания материалов, стандартные и оригинальные методики оценки физических параметров процесса резания, а также современные методики физик химического анализа материалов (электронно-сканирующая и оптическая микроскопия, михрорентгеноспектральный анализ и др.). Теор тические исследования и обработка экрпериментальных данных выпол нялась с применением методов математической статистики и теории вероятности. Расчеты выполнялись на ПЭВМ ¿ВМ/>&. Теоретические положения работы подтверждены данными широких лабораторных и про

- 3 -

юдственных испытаний режущего инструмента с износостойкими покрытиями .

Научная новизна работы состоит в:

- закономерностях связи параметров износостойкого покрытия

!состав, толщина, структура) с характеристиками процесса резания I параметрами качества поверхностного слоя деталей вакуумных при-5оров;

- математических моделях и программах расчета на ПЭВМ параметров работоспособности инструмента из быстрорежущей.стали и твердого сплава с износостойким покрытием, обеспечивающих заданные технологические требования к параметрам качества' поЕерхност--юго слоя деталей вакумных приборов.

Практическая ценность работы состоит:

- в производственных технических условиях (ТУ) на производство ревущего инструмента с износостойким покрытием в условиях сумского ПО "Электрон"; '

- в производственных ТУ на эксплуатации инструмента из быстрорежущей стали « твердого сплава с износостойкими покрытиями при обработке деталей вакуумных приборов из нержавевдих^сталей.

Общий эконошгческий зффект от внедрения полученных результатов составил 52593 рублей.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались.на кафедре "Резание материалов" Мосстанкина, на Всесоюзном научно-методическом семинаре "Поверхностный слой,эксплуатационные свойства деталей машин и приборов" ВДНТП, на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей иаяин" МАИ.

Публикации .По материалам диссертации опубликовано 2 печатных работы в соавторстве, получено авторское свидетельство

- 4 -

СССР на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 235 страницах машинописного текста, содержит 77 рисунков, 18 таблиц, списка литературы из 67 наименований, приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении представлено обоснование актуальности работы и краткое изложение оиновдах научных положений, составляющих предмет защиты.

В главе I приведен анализ данных научных исследований по особенностям чистовой обработки коррозионностойких, маломагнитных и конструкционных сталей, используемых в производстве деталей вакуумных физических и аналитических приборов, рассмотрены особенности'взаимодействия поверхности в условиях прогрева над вакуумом (р - Ю"2 4 10"^ Па ) до температур 400°С с электромагнитными, электростатическими и магнитноеиловыми полями, обобщены и сформулированы требования к поверхностям,работающим в указанных условиях. !

Особое внимание уделено анализу существующих методов повышения работоспособности режущесо инструмента путем нанесения износостойких покрытий ионно-вакуумным методом ШБ.

Под работоспособностью инструмента из твердых сплавов и быстрорежущей стали принято понимать такое его состояние,при котором он способен обеспечивать заданные критерии качества поверхностного слоя (шероховатость,' степень наклепа, остаточные напряжения, структура и т.д.), а за критерий отказа (изнашивания) приняты аредальние значения износа задней поверхности инструмента, при котором обеспечиваются заданные параметры качества поверхностного . слоя деталей. Важнейшим показателем надежности инструмента для

обработки деталей вакуумных приборов является вероятность его безотказной работы и сама надежность определяется параметрами закона распределения времени наработки на отказ: среднего значения периода стойкости инструмента Г № параметром, характери-зуац..м степень разброса стойкостных данных /7Z . Вероятность отказа инструмента при заданном периоде стойкости инструмента моделировали распределением Вейбулла и его показателями Ts (период стойкости при вероятности 0,632), /71 .

В главе приведен обзор основных работ в области повышения работоспособности инструмента нанесением износостойких покрытий

(Верещака A.C., Талантов Н.В., Табаков В.11., Жогин A.C.,Дерев -лев П.С., Касьянов СЛ., Беккер И.С., Кабалдин Ю.Г., Григорьев СИ. Кузин В.В., Кириллов А.К., Алешин C.B.). Показано, что большинство работ рассматривает нанесение покрытий как эффективные методы повышения работоспособности инструмента главным образом для получистовых и черновых операций (точение, фрезерование, сверление, протягивание) конструкционных и труднообрабатываемых материалов. Практически не изучены вопросы влияния состава, свойств,структуры покрытий на характеристики качества поверхностного слоя обра -батываемых деталей.

На осноЕе обобщения литературных данных и опмта промышленного применения инструмента с износостойким покрытием для различ -ных условий механической обработки резанием,а тактсе критического анализа имеацихся данных сформулированы цель и задачи исследований диссертации.

Указанная вьпе цель диссертации ио-чет быть достигнута при решении следущих основных задач:

I. Разработать концепции износостойкого покрытия для чистового режущего инструмента, работающего в условиях -честких ограничений по-параметрам качества поверхностного слоя.

- б -

2. Изучить основные закономерности чистового точения и фрезерования коррозионно-стойких и конструкционных сталей, приме -няемых при изготовлении деталей вакуумных приборов, инструмен -том с различными вариантами износостойких покрытий многослойно-композиционного типа, и разработать математические модели процессов чистового точения и фрезерования.

3.Изучить влияние состава покрытия и условий его получения на параметры качества поверхности го слоя (шероховатость, наклеп, остаточные напряжения) коррозионно-стойких, маломагнитных и конструкционных сталей.

4. Изучить основные закономерности изнашивания инструмента из быстрорежущей стали и твердого сплава с различными вариантами покрытия за период его работы, при котором обеспечиваются параметры качества поверхностного слоя.

о. Разработать составы покрытий и технологию его получения для чистового токарного и фрезерного инструмента, применяемого для обработки деталей вакуумных приборов.

б. Разработать математические модели для оценки надежности чистового инструмента с покрытием для обработки деталей вакуумных приборов. ' . _

В главе .2 изложены общие методики исследований, приведены сведения по 'используемому в экспериментальных исследованиях оборудованию, исследовательской аппаратуре, инструментальному и обрабатываемому материалу, методике нанесения покрытий.

Нанесение покрытий производили на исследовательском варианте ионно-вакуумной установки ННВ-6.0-И1 производственного участка малого предприятия "Нстатех" и установке "Булат-31" ПО "Электрон". Контроль качественных параметров покрытая и обработанных поверхностей деталей производили с использованием современных иселедова-приборов.чВ частности, толкну покрытия на матрицах-из

- 7 -

быстрорежущей стали контролировали на толзщшометре,, AficgoDFj?v MA 700 (США), степень наклепа и микрогвердость поверхностного слоя обработанных деталей и образцов инструментальных материалов с покрытием производили на микпотвердометре „ Paijvag кв г * Австрийской фирмы „ #£/су£/е '

Мнкроренггеяспектралънкй анализ и морфологию поверхности изучали на электронно-сканируидих микроскопах „ сдм^зях ' французской фирмы " слк&сЯ " и РЭММА-2СШ производства ПО "Электрон" г.Сумы,

Математическую обработку результатов экспериментальных исследований производили с использованием методов математической статистики, кореляяционного анализа с расчетами на ПЭВМ типа IBM PS .

В главе 3 рассмотрены теоретические предпосылки выбора состава покрытия, исходя из разработанной модели контактного взаимодействия режущего клина инструмента с износостойким покрытием и обрабатываемого материала. В основу такой модели положена сравнительно новая феноменологичесгля теория конфигурационной модели веще'стЕа (КМВ), которая была использована В.А.Жилиным для обьяснг пая субатомного механизма изнашивания

твердых сплавов wc -Со и WC • Г;с -Сег, а также В.Хусейном

i

и А.С.Верещака для качественной оценки интенсивности изнашивания инструмента из твердого сплава с износостойким покрытием.

Согласно предложенной модели контактного взаимодействия инструментального материала с покрытием и обрабатываемого материала мерой качественной оценки оптимальности состава покрытия является минимизация интенсивности схватывания мезду покрытием и обрабатываемым материалом. Минимизация интенсивности схватывания между покрытием и обрабатываемым материалом в зоне формирования поверхностного слоя детали (задняя поверхность инструмента) приво-

дит к минимуму энергетических затрат на трение со стороны задней поверхности, что сникает териомеханическуо напряженность приповерхностных слоев обрабатываемого материала, способствует улучшению параметров качества поверхностного слоя. Интенсивность схватывания между покрытием и обрабатываемым материалом определяете ч числом активных центров на единицу площади контакта при термическом и механическом активировании, а также площадью фактического контакта. В свою очередь, число активных центров при термическом и механическом- активировании зависит от энергии термической активации контактируюлдех материалов, плотности дислокации; средней длины пробега дислокаций, приложенного напряжения. Интенсивность схватывания мекду- покрываемым и обрабатываемым материалом будет снижаться по. мере роста таких характеристик мате-• риала покрытия как: температуры плавления и твердости. В соответствии с теорией КМВ наибольшей твердостью и жесткостью вещества

с большим статистическим весом атомов наиболее стабильных элект-

3 £ (

ронных конфигураций (СВАСК). К таким СВАСКам относятся £р .$р,

.Г.г та -у а., а , а , уС, ^ , у . .Среди нитридов тугоплавких металлов наиболее устойчивы против адгезии соединения с большим содержанием СВАСКоб $2р6:

С учетом повыаенной склонности к адгезии между коррозионно-стойкими сталями типа 12Х1ЭД10Т и инструментами из быстрорежущих сталей Р5Мэ и твердых сплавов Ш6, ЕКЗ, Т14К8, ТаКЮ, ТН20, предопределяющей получение поверхности низкого качества (повышенная шероховатость, формирование остаточных напряжений растяжения и т.д.), предложены составы покрытий на основе деойных нитридов систем (Л' - Сг)Ы} (Тс -2г)М, ( П -Мс)Н, снижающих склонность к адгезии и повьпдада^х качество поверхностного слоя. При разра -ботке покрытия для чистового инструмента, работающего в условиях-жесткого .ограничения но параметрам качества поверхностного слоя,

использовали принцип многослойно-композиционного конструирования покрытия, в наибольшей степени соответствующий концепции покрытия как промежуточной технологической среды мевду инструментальным и обрабатываемым материалами. *

Приведены данные по оптимизации параметров многослойно-композиционных покрытий, получаемых ионно-плазменным методом КИБ на установках ННВ-6.6-И1 и Булат-ЗТ на основе нитридов систем ( П: - Сг ) (V, С П - Л/, ( ¡7 - Мо )<V ( см.рис.1), применительно к инструменту для обработки деталей вакуумных приборов (концевые фрезы, токарные резцы).

Рис. I. Влияние содержания Сг в составных катодах К - Сг при точении сталей 45 (I) и 4(Х (2) резцами ТоКЮ-~ (?( - Сг)/V на коэффициент относительной стойкости Кг У = 150 м/мин., S= 0,45 мм/об ; t"= 2,0 мм. Критерии технологически* ограничений ( / = 0,2 т 0,3 ш ; = Г,25 мм ; /V-i.-ЗО % ; i?il,5 f 2 мкм ; ^ ¿С 0,2 * 0,3

- 10 -

Экспериментально установлено, что при использовании систем -Сг)л/ , (/?-2/*)Л". , (Я' требуется «есткая регла-

ментация элементов,, входящих в их состав. В частности показано, что максимальную эффективность инструмента из стали Р6М5 и твердого сплава Т5К10 при выполнении заданных ограничений на шероховатость, остаточные напряжения и наклеп поверхности при точении и торцевом фрезеровании сталей 12Х16Н10Г, 45, 40Х, обеспечивают покрытия ( 10 %Сг- % П )л/ , ( ВО % /? - 20 Цг) Л/ , ( Ш %П - гъ %Ма)Н (точение), ( 7а %77- 23 %Ма)Ы фрезерование). :

На основании разработанной модели контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материала предложены состав и конструкция покрытия для обработки деталей вакуумных приборов (АС СССР № 1501531 от 29.09.87 }.

Установлено, что при получек:ш покрытий сло-шокомпоопционно го состава (71' , (7?-2»/У , ЛП необходима жесткая регламентация элементов, входящих в их состав (см.рис. I). Предложена методика получения таких покрытий на основе использования катодных систем, в которых соотношения элементов моделируются соотношением площадей поверхности составных эле--ментов катода.

В работе даны рекомендации получения покрытий оптимального состава и параметров (толщина, микротвердость, структура) на примерах точения и симметричного фрезерования сталей 12Х13Н10Т, 40Х (НВ 2С0), 45 (НВ 130 ) инструментом из стали Р6М5 и твердого сплава Tj.il0. В качестве примера оптимизации толщины покрытия по двум параметрам Г V приведены данные по оптимизации тол^ны много-сясйно-компогиционного. покрытия Сг- ( 71' -СгУЛ/ - (7? -Сг*ОЫ (ом.рис.2).

3 главе 4 изложены результаты исследований основных

'.етрсв процесса резания (коэффициент продольного укорочения

стручки, силы резания, контактные характеристики, энергетические показатели резания, температуры резания) при точении и торцевс;.; фрезеровании коррозионно-стойкой стали 12Х13Н10Т и стали 1СХ (НВ 200) инструментом, оснащен«-.м пластинами Р5М5, ЕКЗ, ТоКЮ, ТН20 с различными вариантами композиционно-многослойных покрытий не основе нитридов систем (П-Сг)Н , ( К - , (Я-/%)//.

Толщина, покрытия, мкм

Рис.2. Влияние толщины- многослойно-композиционного покрытия Сс ~ ( 7* ~ Сг )' М — С /7' - Сг )ОЫ на среднюю стойкость

коэффициент ее'вариации 1)г при точении (I) и симметричном торцевом фреэерованни (2) коррозионно-стойкой стали 12Х1ЫП0Т инструментом т стали Р6.-5 1,4 - точение с 1Г= 40 м/мин.;

.У = 0,3 мм/об ; £ ~ 2,0 мм; 2,3 - симметричное торцевое фрезе-рова"ие.

Процесс фрезерования моделировали торцевым фрезерованием однозубной фрезой при симметричной и смещенных схемах резания ( <2 — 0-~-&тзх ; —.О ) на специальном стенде, смонти-

рованном на базе консольного вертикально-фрезерного станка мод.Ш127. Такой стенд включал специальную дерчсавку, иммитируо-щую геометрии концевой фрезы, динамометр УД&-&00 с регистрирующей аппаратурой, сигналы от аппаратуры через переферийное устройство выводили, регистрировали и обрабатывали с помощью специальной программы на ПЭВМ типа 1ВЫ Р? . Одновременно, фиксировали параметры стружки (толдину,коэффициент деформации), длины полного и пластического контактов по передней и задней поверхности пластин, моделирующих реху^й элемент инструмента.

Расчет контактных характеристике напряжения в плоскости сдвига-5^ , контактные напряжения на передней , и задней (¿^ поверхностях), а также энергетических характеристик процесса резания проводили по методике Н.Н.Зорева с помочь-э специально разработанных программ на ПЭВМ.

Аналогичные исследования проведены при точении на специальном стенде, смонтированном на базе токарного станка мод. 16К20.

Основные данные получены применительно к точениэ и фреоеро-ванио коррозионно-стойкой стали 12Х13Н10Т и стали 40Х, выборочные исследования проведены применительно и к другим материалам, применяемым при производстве деталей вакуумных приборов: электротехнической стали 10630, сплаву 49X5 (49 %Са, I % V, остальное/"*?), * сплавам 79Н ( 79 I остальное РС ) и 50Н { ¿0 %М',

50 ) и др. -

Установлено, что нанесение разработанных составов многослой-в^нсомпозиционных покрытий на ревущем инструменте из стали ВоЫЗ, сплавов ВКэ, Т5К10, ТК20 оказывает заметное влияние на все основные показатели зоны струккообразования.

В диапазоне скоростей резания V = 10 - 50 м/мин. при точении и торцевом фрезеровании для инструмента, оснащенного пластинами РоМо без покрытия, отмечена хоро.ио развитая зона наросто-образования (особенно для ст-яи 12Х18Н10Г ).С примененном покр^тя-т на основе (/V-Сг)л/ , { П" - 2г)N , .отмечено рез-

кое снижение высоты и длины подошвы ¿у нароста, причем для стали 12Х13Н10Г максимальное снижение значений параметров нарс та отмечено для покрытия ( 90 % Тс - 10 % 1г ) /V , а для стали 40Х - для покрытия ( 70 % Я- 30 % Сг )/^.Применение .покрытии.тгкже заметно уменьшает диапазон скоростей активного наростообразования, в частности при точении и фрезеровании стали 12Х18Н10Т инструментом, оснащенным пластинами Р5М5 - ( П - Сг)// , РоМо - ( /7' -- 7г~)Ы> скоростной диапазон, при котором формируется устойчивый нарост .снижается на 30-40 %.

При точении резцами, оснащенными пластинами Т5К10 (Я-Сг)Л/, Т5К10 - (П-2г)Л/ , Ш0 -{П-Мо)ЛГ установлено увеличение значения угла сдвига <р, уменьшение коэффициента продольного укорочения стружки £ , средних значений напряжений средних значений коэффициента тре-

ния по передней уи. , ^ и задней поверхности. Эти

характеристики непосредственно влияют на формирование параметров качества поверхностного слоя деталей. Установлено, что при по -стоянном значении радиуса округления режуцей кромки ¿О непо -средственное рлияние на параметры ^ , ££ , У1^ оказывает состав покрытия и его толщина, причем для пластин из твердого сплава, имеющих среднее значение радиуса скругления около уО = 10 мкм, влияние толщины покрытия в пределах ее изменения от 4 до 12 мкм проявляется слабо* Последнее связано с сильным влиянием толщины покрытия на величину радиуса уО и соответственно на упругое последействие контактирующего обрабатываемого материала. Таким образом,

для инструмента из быстрорежущей стали, имеющего радиус \р в пределах 3-5 мкм после затачивания толщину наносимого покрытия следует ограничивать в пределах = 2 4 4 мкм для того, чтобы не увеличивать радиус округления и величину упругого последействия обрабатываемого материала. Для инструмента из твердого сплава, имеющего радиус = 10-20 мкм, нанесение покрытия толщиной = 6 - 8 мкм практически не сказывается на изменении радиуса скругления, величине упругого последействия и на контактных характеристиках по задней поверхности ^ , , ^/¿^,

Оценку теплового состояния зоны резания и режущего инструмента производили с помощью аналитической методики А.Н.Резникова и. экспериментально-аналитической методики фиксирования температур при использовании термоиндакаторных веществ типа ТХИ-53, разработанной в Мосстанкине А.С.Верещака и В.В. Кузиным. Установлено, что при использовании покрытия оптимального состава средние в макси- ' мальные температуры при точешш и фрезеровании сталей 12Х18Ш0Т, 40Х снижаются на 10 - 20'%,

Исследовали влияние состава покрытия на качество обработанных поверхностей при точении.и фрезеровании стали 12Х1&Н10Т г 40Х.

. Изме^ение шероховатости проводили согласно разработанной методике с использованием измерительно-вычислительной системы (ИБС). В состав ИБС входил ярофилометр-профилограф модели 252 завода "Калибр", оснащенный приспособлением для измерения шероховатости в труднодоступных местах и микро ЭШ "Электроника" (ДВК-2М или ДВК-3). Входящий в систему ИБС блок сопряжения систем.состоит из фильтра высокой частоты, аналогоцифрового преобразователя Ф4225, функционального генератора тактовых импульсов, который управляет работой А1Ш и интерфейса на основе устройства параллельного обмена И2, что" позволяло осуществлять "запись" профилей шероховатости поверхностей в ОЗУ микро дШ на гибкий магнитный диск. Шаг дискретизации профиля

- 15 -

устанавливается за счет изменения частоты тактовых импульсов, которые изменяются от 0,0005 до 0,05 чм. При проведении исследований по измерению шероховатости обработанных поверхностей был использован пакет прикладных программ, реа/шзованн-тх на языке Фортран 1У и макроасемблер.. Программное обеспечение системы позволяет определить нормируемые по ГОСТ 2789-73 параметры шероховатости, исследовать оценки статических, характеристик профилей шероховатости (закон распределения, оценки автокорелляциснной и специальной функции).

Глубину и степень наклепа определяли на специальных "косых шлифах" с углом расположения плоскости, измерения микротвердости по отношению к опорной'плоскости образца ¡¿С = 1.5 - 2°, что позволяло значительно увеличить длину исследуемого участка наклепанного слоя. Оценку степени наклепа производили с помощью мик-ротвердомера/Зя/^ м£Г, позволяющего оценивать среднестатичзскую величину микротвердости при определенном числе вдавливаний ин~ дентора (50 - 100 раз) с автоматизированной обработкой полученных данных на микропроцессоре по специальной программа. Оценку

20

микротвердости производили по средней величине ffпри нагрузке на лндентор до 0,2 Я..

Остаточные напряжения оценивали с помощью автоматизированного стенда АПООН, разработанного Казанским авиационным институтом совместно с НИИДом, использующим бесконтактный лазерный датчик фиксирования деформации образда при электролитическом стравливании напряженных слоев и автоматическую оценку величины и знака остаточного напряжения на ЭШ, использующей расчетную программу оценки напряжений с помощью уравнения Давыденкоза (язык Алгол для преобразователя М-222 и транслятора TA-IM). Остаточные напряжения (осевые) оценивали на специальных призматических образцах 5x5x40 мм, , полученных после фрезерования и- точения поверхности с помощью электроэррозионной "вырезки", исключающей появление дополнительных напряжений.

- 16 -

Установлено, что использование инструмента из Р6М5 -(90 % f¿ - Ю % Cr )/V (фрезерование стали I2XI8HI0T) и T5KI0 - ( 70 $ Гс - 30 % СГ )л/ (точение стали 40Х) позволяет снизить шероховатость обработанной поверхности с 2,5 до /?, 1,25. Отмечено снижение уровня (степени)наклепа и толщины наклепанного слоя в среднем на 10 - 15 % после точения и фрезерования инструментом с покрытием оптимального состава в сравнении с параметрами упрочненного слоя иосле обработки инструментом без покрытия. Показано, что при точении и фрезеровании сталей I2XI8HI0 и 40Х в поверхностном слое заметно снижается уровень остаточных напряжений, знак и глубина распространения которых зависят от состава и параметров покрытия. В частности, для покрытий оптимального состава установлено снижение уровня и глубины распространения оста точных снимающих напряжений.

Для расчета параметров процессе: резания материалов, применяемых для изготовления деталей вакуумных приборов, разработаны математические модели, представляющие систему математических соотношений между вероятностью появления значений параметра резания (не превышающих заданное значение параметра J?¿ ) и значений этих параметров при определенных значениях определявдих факторов по методике В.И. Власова:

ftf) = г-ехрс-я./с; -д - z^'j™!

где C¿ ~ коэффициент, - степень- влияния <2,- на выходно

параметр FfJ?), т =■ i/tf ¡/ - коэффициент вариации заданного па раметра резания.

Использование полученных моделей резания позволяет рассчигат сначенгя показателей качества поверхностного слоя деталей вакуумных приборов (шероховатость, наклеп, остаточные напряжения).

- 17 -

В главе о приведены данные исследований работоспособности инструмента при точении и фрезеровании коррозионно-стойких и конструкционных сталей, применяемых при изготовлении деталей вакуумных приборов.

Кинетику изнашивания пластин из стали РЗМ5 и твердых сплавов ВК5, TI5K5, ГН20 и TjKIO с различными вариантами покрытий изучали при продольном точении сталей I2XI8HI0T, 40Х и торцевой фрезеровании стали 40Х в широком диапазоне изменения условий обработки: V = Ю - ¿0 м/мин.; £z~ 0,08 - 0,3 мм/зуб.;

t = 0,5 - 2,0 мм (фрезерование стали XI2HI0T ); V = 80 -- 200 м/шн,; 5 = 0,1 - 0,? мм/об.; ¿= 0,5 - 2,0 мм (продольное точение сталей I2XI8HI0T 40Х твердосплавным инструментом).

Установлено, что меньшая интенсивность изнашивания при точении и симметричном фрезеровании стали I2XI8HI0T связана с двумя факторами.

I. Исходная структура быстрорежущих пластин с покрытием обладает повышенной сопротивляемость-о изнашивания вследствие упрочнения поверхности быстротекущей стали в процессе ионной бомбардировки и последующей конденсации покрытия.

2.Энергетическое воздействие процесса резания на контактной площадке инструмента с покрытием существенно.тле, соответствующего воздействия инструмента без покрытия.

Это приводит к сни'зсениз уровня термомеханического ¡воздействия на инструмент и своеобразному упрочнение структур быстроре.ху-цей.стали непосредственно под покрытием.

Указанное подтверждается исследованиями полой микротрердости ь опасном сечении пластин РоМ5 с покрытием и без покрытия при точении' стали 12Х1;ЗН1СГ на различных стадиях изнашивания. Анализ полей микротвердости показывает, что на стадиях приработочного ( 45 - 60 с ) и на начальном этапе установившегося изнашиваний

( 150 - 192 с. ) микротвердость локальных объемов быстрорежущей стали непосредственно примыкающих к контактным площадкам инстру -мента с покрытием заметно вьше, чем соответствующее значение инструмента без покрытия.

Установленное означает, что даке после разрушения покрытия состояние быстрорежущей матрицы достаточно удовлетворительное дчя эффективного сопротивления дальнейшему изнашивания. Поэтому период стойкости инструмента с покрытием складывается и.- стадии изнашивания (микроразруления).собственно покрытия и последующего непосредственного изнашивания матрицы, обладающей более высокими свойстга-ми по сравнению с исходным материалом.

На стадии катастрофического изнашивания уровень разупрочнения матрицы как.с покрытием, так и без покрытия примерно одинаков.Хотя для инструмента без покрытия при точении коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Г катастрофическое разрушение инструмента наступает через 532 с. при тех же режимах обработки.

Разработанные математические модели стойкости инструмента из быстрорежущей стали и твердого сплава с покрытием при точении стали 40Х и 12Х18Б10Г позволяют отметить следующее:

д. С ростом скорости резания стойкость быстрорежущего и твердосплавного инструмента с покрытием и без покрытия резко падает, однако степень влияния скорости резания на стойкость для инструмента с покрытием значительно меньше, чем для инструмента без покрытия

2. Установлено значительно меньшее влияние подачи и глубины реэаяия на стойкость для инструмента с покрытием, по сравнению с соответствующим влиянием инструмента без покрытия.

Характерные зависимости "интенсивность изнашивания - скорость" для твердосплавного инструмента с различными покрытиями при точении стали 40Х представлены иа рис. 3.

Установлено'смещение оптимальной скорости резания ]/е ,для которой минимизируется интенсивность изнажвания в сторону ее увели-

чения для всех исследованных твердосплавных пластин с покрытием. (См.рис. 3).

Рис.3. Влияние скорости резания на интенсивность изнашивания твердосплавных пластин ТН - 20 (I), Т15К6 (2), Т5К10 -йЦ (3), Т5КЮ - (/? - Мс>)# - (Л1 (4) при точении стали 404

с $ = 0,26 мм/об ; С= 0,5 мм .

йу - оптимальная скорость резания при 7/т'л для пластин Ш - 20; . - оптимальная скорость резания при 7т/л Для пластин Т15К5;

~ оптимальная скорость резания при ¿т/п для пластин Т5К1С-/7/У; Ус? ~ оптимальная скорость резания^да для пластик ТЖ10-& 'Ма)/Ч ~

-СП -Мо)0Ы

- 20 -

Очевидной причиной такого смещения является установленное выше уменьшение термомеханических напряжений режущей части твердосплавных пластин с покрытием за счет снижения уровня действующих контактных напряжений и температур. В результате происходит изменение видов контактного взаимодействия и связанное с этим изменение механизма изнашивания инструмента при одной и той же скорости резания для инструмента с покрытием и без покрытия. Изнашивание твердосплавных пластин " покрытиями на скоростях ниже \/е носит ьыраженный адгезионный характер. Об этом свидетельствуют данные анализа микрофотографий очагов изнашивания твердосплавных пластин.

Наиболее употребительным в скоростном диапазоне резания для стали 40Х твердосплавным инструментом ( 150 - 3J0 м/мин. ) максимальное значение стойкости имели пластины T5KI0 (П -Ma)N _( /У - Мо) ОЫ , стойкость которых в 2,5 - J раз превышала стойкость пластин TI5K6, ТН20, T5KI0 -TiN .

Потребность автоматизированного производства в четком знании необходимого количества инструмента обусловливает необходимость расчета показателей, характеризующих надежность режущего инструмеь та. К таким показателям относится прежде всего длина пути резания Lg до принятого критерия затупления.

Для расчета разработаны математические модели резания инструментом, с композиционно—многослойными покрытиями:

для точения стали 4ОХ твердосплавным инструментом с компози -ционно — многослойным покрытием

. Z о,Мр Щ21 , о,938

Le*-t,8-fa-fiv- -v ■ Jf5 А*¿А

. для точения стали 12Х18Н1СГ инструментом из твердого сплава с композиционно-многослойным покрытием

, г цт a c,3s о, ™

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана концепция и технические требования к режущему инструменту с покрытием, применяемому обработки деталей вакуумных приборов на основе установления"закономерностей связи параметров- износостойкого покрытия ( состав, толщина, структура } с функциональными параметрами резания и изнашиванием инструмента при технологических ограничениях на качественно-точностные параметры поверхностного слоя обработанных деталей.

2. Разработаны составы многослойно-композиционных покрытий на основе нитридов систем П - Cr, Ti - Ма, ЛУ - Zr в наибольшей степени удовлетворяющие требованиям к покрытиям для режущего ин -стумента при обработке деталей вакуумных приборов.

3. Исследования по оптимизации составов многослойно-компози -ционных покрытий позволили установить, что при точении и симмет -ричном'торцевом фрезеровании конструкционных сталей типа 45 и 40Х обеспечивают максимальную эффективность покрытия ( 80 % - /?' -

ZQ % Zr )/V к { 90 % 77 - 10 % CrW , нанесенные на твердые сплавы ( I5KI0, ВКб ) и быстрорежущую сталь Р6М5, При точении и симметричном торцевом фрезеровании коррозионно-стойкой стали I2XI8HI0 максимальную эффективность быстрорежущего и твердосплавного инструментов обеспечивают соответственно, покрытия (.75 %-/}' - 25 %Мд)л/ ( 80 % Г( - 20 % /*fa )/у._..

4. Установлено,.что максимальное повышение стойкости инструмента из быстрорежущей-стали Р6М5 и твердого сплава T5KI0 при то -чении коррозионно-стойкой стали I2XI8HI0T обеспечивает многослой -но-композиционное покрытие.. С г ( П' - С г ) /V - ( /? - С г )ОМ толщиной 5.-7 мкм, в то время как при симметричном фрезеровании указанной стали максимальную стойкость имеет инструмент с указанном покрытием толщиной 3 - 4 мы..

5. Установлено, что покрытие оптимального состава заметно улучшает характеристики стружкообразования, иг , ^ ) , контактных процессов ^ » ¿у., ^ ), снитая

на 10 - 20 % энергозатраты на процесс резания, что положительно сказывается на процессе формирования поверхностного слоя обработанных деталей.

6. Установлена принципиальная возможность управления на -ростообразованиемс помощь» покрытия ревущего инструмента. В част ности покрытие. (/}' -Ма)Ы -(.??'- Мо )0А/ нанесенное на инструмент из быстрорежущей стали Р6М5, значительно снижает даа-пааон скоростей , при котором формируется .устойчивый-нарост и позволяет формировать нарост наиболее благоприятной.геометрической формы, с точки зрения получения поверхностного слоя обрабатываемой детали. Установлено, что при определенном сочетали состава покрытия и геометрических параметров инструмента (^,/2) можно полностью исключить наростообразование при любых условиях резаяия, поэтому для чистового инструмента из быстрорежущей стали С зенкеры, развертки, концевые фрезы, метчики и т.д.). при обработке коррозионно-стойких сталей для исключения наростообра-зования рекомендуется покрытие {/7' -Ма)М - (Г/ -Ме)СЫ при /-= 20° ,Лк 30? • -

7. Показано, что покрытие оптимального состава (Л" - Мо) -(Г/ -Ма)ОЫ значительно снижает тепловую напряженность процесса

• резания и резущей части инструмента. В частности,. длд,резцов РоМЗ - ( П -ЛсО/У - (77' ~А7е )са/ при точении стали 40Х в течение ¿0 юн, отмечено полное отсутствие изотермы с температурой • 320°С, соответствующей началу интенсивного разупрочнения контакт ных площадок инструмента, в то время как для резцов из РЗМЗ ~~ и КИЗ- .это врет соответственно составило 5 и 24 мнн»

8. Исследования по выявления влияния состава пкрытия при •

точении и торцевом симметричном фрезеровании на шероховатость и точность размера показали, что покрытие оптимального состава ( 7? -Ма^м - (Л' -Мо^М обеспечивает снижение параметра шероховатости , интенсивность приращения размера Д& и величину упругого последствия А /¡, а также увеличивает стабильность указанных параметров по времени.

9. Установлено, что покрытие оптимального состава уменьшает глубину и степень наклепа, величину остаточных растягивающих напряжений, трансформируя в некоторых случаях остаточные растяги -ващие напряжения з более благоприятные напряжения сжатия. Последнее подтверждает привалируюдее влияние покрытия на снижение вторичных деформаций и уменьшение фрикционного источника тепла со стороны задней поверхности. .

10. Установлены причины роста стойкости инструмента из быстрорежущей стали с покрытием,, которые заключаются как в упрочнении быстрорежущей стали- в процессе-' формирования покрытия, так и г.а счет структурной приспособляемости быстрорежущей стали к пониженным термомеханическим напряжениям, возникаю:дим при резании инструментом с покрытием.

II.,Разработаны математические модели стойкости инструмента из быстрорежущей стали и твердого сплава с покрытием применительно к процессу точения конструкционных и коррозионно-стойких сталей, анализ которых показал, что интенсификации працесса резания инструментом с покрытием целесообразней осуществлять за счет роста скорости■резания по сравнению с ростом сечения среза.

12. Результаты исследований, полученные в работе,внедрены на сумском ПО "Электрон" в виде ТУ на технологию получение иснно-плаз-менных покрытий, заводских нормативов ретамов резания инструментом с покрытием, технических нормативов на разработку технологии

обработки деталей вакуумных приборов с применением инструмента ■ с покрытием. Годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 52 596 рублей.

Основные положения диссертации опубликованы автором в следующих работах:

1. Авторское свидетельство № 1501531, С23С, 8/00. Способ химико-термической обработки режущего инструмента.29 сентября 1987 г. ( в соавторстве ).

2. Повышение качества поверхностного слоя деталей вакуумных приборов применением инструмента с покрытием. В сб. трудов семинара "Поверхностный сло£, эксплуатационные свойства деталей машин и приборов", ВДНТП, Москва, 1991, с.36-39 ( в соавторстве).

3. Оценка качества износостойких покрытий -на режущем инструменте .методом акустической эмиссии. В сб. трудов семинара "Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей машин", Москва, изд. МАИ, 1991, с.23. (в соавторстве).