автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов нанесением многослойно-композиционных износостойких покрытий

- 5 АГ"8

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКШГ

ОД

[ИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО НАУКЕ, ОЖОЛБ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКЕ

На правах рукописи

Мирсанб КУВАНСВ

УДК 621.9.02; 669. 018.-25

ВОВИШШВ ЗШКТИВНОСТЙ НКСГРЭТШГАЮ БКЗВ0ЛШ>ШШХ

твердых сплавов ианесшкм ниогосшно- кошшндошх

ИЗНОСОСТОЙКИХ ПСКРЫГЮ!

Специальность 05.03.01. -Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

1УУЗ

Работа выполнена в Навоинском филиале Ташкентского Государственного Технического Университета имени Беруни и Московском Государственном Технологическом Университете "СТАН-ШГ. •

Научный руководитель:

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

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Т. А. Султанов;

- кандидат технических наук, ст. научный сотрудник R И. Андреев.

■Ведущие предприятия:

- Навоинский машиностроительный завод.

Защита состоится 1993 года в асов на

заседании специализированного Совета к 063.42.05 при МГТУ "СТАНКИН" по адресу 101422 г.Москва, к-55, Вадковский пер., дом За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ "СТАНКИН".

Автореферат разослан "22" 03 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, кандидат технических наук,

доцент • Ю. П. Поляков

оащйя штттш шята

• МГШШНЯЪ ТЕШ Повышение эффективности и конкурентноспособности машиностроения стран СНГ является чрезвычайно важной народнохозяйственной задачей. Одним из условий решения указанной задачи является обеспечение машиностроения высокопроизводительным надежным режущим инструментом. Однако, в связи со все возрастающей дефицитностью основных компонентов, применяемых при производстве твердого сплава и других инструментальных материалов, особенно таких, как вольфрам и кобальт, обеспечение машиностроения режуииы инструментом весьма проблематично.

В настоящее время в странах СНГ и за рубежом ведутся разработки новых марок экономичных инструментальных материалов, не содержащих вольфрама и кобальта. В частности, в странах СНГ разработана гаша безвольфрамовых твердых сплавов [ БВ1С), способных заменить традиционные марки вояьфрашсодеряащих твердых сплавов для пирсгаого диапазона условий резания. Оценка свойств БВТС ка основе карОидов !'. ¡ссрбопптрадов титана с нике-леиолибденовой связкой показала, что* резеущий инструмент, осна-иенный пластинками из' БВТС,, в ряде случаев заметно уступает по работоспособности соответствующему показателю инструмента, оснащенного вольфрамосодержацими тзердосплаьньдш пластинами. В связи с указанным, адекватная замена вольфрамосодер.жгщих сплавов Ое з в о ль фрамо в ыж не всегда приводит к достижению положительного эффекта. Повышение эффективности инструмента, ос пасенного пластинами из БВТС, можно осуществить путем применения износостойких покрытий, однако 'эта проблема в .чаетсягео время практически не решена из-за поллого отсутствия обоснованных научных дачных. Таким образом, установление закономерности связи между составом и параметрами многослойно-композиционных покрытий с функциональными параметрами резания и изнашиванием инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов является актуальной народнохозяйственной задачей.

ЩШ» РАБОТЫ: Повыиение эффективности инструмента из беэ-вольфрамовых твердых сплавов на основе установления аакоиомир-ностей связи между составом многослойно-компоаиц/онжя ¡xki-u

тий и функциональными параметрами резания и изнашиванием инструмента.

ОВДЙЯ ИШЩШ1 ШЗИДОШШЖ. . Исследования эффективности режущего инструмента, оснаиенкого БВТС с многослойно-композиционными покрытиями, проведены с использованием основных положений теории резания материалов, математической теории статистики и обработки экспериментальных данных на ПЭВМ.

Исследование изнашивания инструмента и свойств многослойно- композиционных покрытий проведены с использованием методики оптической и электронной микроскопии, микрорентгеноспечграль-ного н микрорентгеноструктурного анализов.

нтшшжттав

- закономерностях связи состава и параметров многослой-но-компоэиционных покрытий с функциональными параметрами резания и изнашиванием режущего, инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов;

- математических моделях стойкости инструмента из без-вольфрамозых твердь» сплавов с многослойно-композиционными покрытиями при точении и торцовом фрезеровании стали и чугуна

Ш>Ш№!ШШ ЩЕКРСТЬ РАШШ СОСТОИТ:

- во временных технологических условиях (ТУ) на технологический процесс получения многослойно-композиционных покрытий на пластины из БВТС марки ТН-20;

- в технологических рекомендациях по повышению работоспособности резцов и торцовых фрез, оснащенных пластинками из различных марок БВТС с многослойно-композиционными покрытиями;

- программном обеспечении расчета работоспособности резцов, оснащенных пластинками из БВТС типа ТН-20 с различными вариантами износостойких покрытий.

Полученные результаты работы используются в учебном процессе Навоинского филиала Ташкентского Государственного технического университета, рекомендации по технологии нанесения износостойких многослойно-композиционных покрытий переданы Наво-инскому машиностроительному заводу и Чирчикскому комбинату тугоплавких металлов и сплавов.

АЛРОБА11ИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы доложены и обсувдены на научно-техническом совете Навоинского филиала Ташкентского Государственного технического университета и ме-

годических семинарах кафедры "Резание материалов" Шсстанкина < мае 1892 г. к январе 1993 года, на международной научно-тех-1Ической конференции "йнтерпартнер" в г. Алуигга в октябре 1992 ■ода.

По теме диссертационной работы опубликовано 2 гечатных работы, получено решение по заявке на изобретение.

СБЫВО РШШЯ. Диссертационная работа состоит из введения, яги глав, изложенных на страницах машинописного текста, одержит таблиц, иллюстраций, список использованной ли-ературы, включающей 66 наименований.

ОРАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность работы, кратко зложэны основные научные положения, выносите на защиту.

3 ГЛАЗЗ 1 приведен анализ основных работ, рассматривающих эименение рекушего инструмента, оснащенного пластинками из ЗТС при точении к фрезерования конструкционных сталей и чугу-!В. По1<аэана взаимосвязь физига-.механических и тешюфизи-¡ских характеристик ББТС с их режущими свойства!«!, дак анализ ¡еимущрств и недостатков БВГС в сравнении со стандартными •льфршюсо держащими твердьши сплавами. Приведен обзор оте-ственних и зарубежных работ, раскривахжда тенденцию совер-нствования БВТС. По результатам этого обгора показано, что «более перспективным путем повышения эффективности икстру-нта из ВВТС являются нанесение износостойких покрытий при пользовании современных методов физического (ФЭП) осаждения крытий.

Установлено, что нанесение моносдойных покрытий на зтрумент из БВГС не обеспечивает надлежаярго повышения его Активности. Показаны большая перспективность использования )гослойно-кокпозиционных покрытиЛ (износостойкие комплексы), горые позволяют достаточно удовлетворительно решать комплекс [ач, возникающих при разработке режущего инструмента из БВТС юкрытием.

На основании проведенного критического анализа .работ, сматриваших проблемы повышения эффективности реяушрго трумента из БВГС, а также данных произведенного опита плуатации такого инструмента, сформулированы цель и задачи ледований настоящей работы.

Для достижения указанной выше цели настоящей ¡.а'оты ш.-оо-

ходимо решение следующих основных задач:

1. Разработать принципы формирования износостойких покрытий многослойно-композиционных типов на режущем инструменте из БВТС.

2. Исследовать влияние составов многослойно-композиционных покрытий и технологии их получения на работоспособность инструмента из БВТС.

3. Исследовать параметры функционирования процессов продольного точения и торцового фрезерования инструментов из БВТС с многослойно-композиционными покрытиями.

4. Разработать критерии оценки эффективности составов покрытий при точении и фрезеровании конструкционных сталей и чугунрв инструментами из БВТС.

5. Разработать математические модели стойкости инструмента из БВТС с многослойно-композиционными покрытиями.

- В ГШ8 2 изложена обшзя методика проведения экспериментально-теоретических . исследований.

Сформулирована концепция многослойно-композиционного покрытия на субстратах, имеющих невысокую, вязкость разрушения и слабое звено (связующая), которое является источником зарождения и развития опасного дефекта, приводящего к разрушению. Многослойно-композиционные покрытия на подобных субстратах должны иметь многоцелевую функцию, включающую способность повышать сопротивляемость связующей фазы коррозионно-окислитель-ным процессам и вязкому разрушению, снижать термомеханическую нагрузку на субстрат в процессе эксплуатации. В главе приведены данные по каждым системам, позволяющим получать предложенные конструкции и составы многослойно-композиционных покрытий применительно к вакуумно-дуговым установкам с дуговыми источниками типа "Булаг-6", ННВ-6.6-И1 (И2, ИЗ, И4).

Приведены оригинальные и стандартные методики получения композиционно-многослойных покрытий и контроля их параметров с использованием современных измерительных средств: микрогвердо-мера "Polevarmet" фирмы "Reicher" (Австрия) для контроля микротвердости БВТС с покрытием, а также электронносканирующие микроскопы "Camebax Microbeam" фирмы "Cameca" и РЗММА-202М для изучения фрактографии очагов разрушения и изнашивания инструмента из БВТС с покрытием.

В главе приведены сведения по использованному оборудова-

нию, инструментальному и обрабатываемому материалам, методикам исследования и фиксирования функциональных параметров реаания при продольном точении и торцовом фрезеровании, методикам оценки эффективности инструмента иа беаводьфрамовых твердых сплавов с разработанными составами многослойно-композиционных покрытий.

Методика оценки эффективности ЕВГС с покрытием включила в себя разработку математических моделей технологических операций, построенных на приближенном описании сущности физических процессов при точении и торцовом фрезеровании стали и чугуна, а таю© установленном влиянии на эти процессы износостойких покрытий. Математические модели позволяют установить связь между функциональными параметрами резания (силы резания, энергозатраты на резание, технико-эко комические показатели резания), стойкостью инструмента с составом и параметрами износостойкого покрытия. При этом учитывали основные положения теории реаания материалов, разработанные В.Ф. Бобровым, Г. И. Грановским, А. Д. Макаровым, М. И. Ндушиным, Т. Н. Лолад'зе, В. А. Остафьевым, В.Н. Подураевым, С. С.j Силиным, НЕ Талантовым, Е К. Старковым, А. С. Берепрка, а Г.; Кабаддиным и др.

С учетом высокой склонности беэ'вольфрамовых твердых сплавов с покрытием и без покрытий к отказам из-за сколов и поломок (объемное разрушение) была принята физическая модель стойкости: j

in Т - А -. I;|r iv/9) til •

где S, В - средние значения грртоянных коэффициентов, характеризующих условия обработки и свойства материала;

Pj•V/9 - обобщзнный параметр,лопределяющий термомеханические» нагрузки на режущий инструмент и среднее время его наработки на отказ, физически вырвет приращение энтропии при резании.

Для проходных резцов из БВТС с покрытием, а также для отдельных зубьев торцовых фреа среднее время наработки Hd отказ вависит от термомеханических напряжений, определяемых параметром Рг • V/в и может быть оценено по формуле (1). Для торцовых фрез стойкость определяется сложным характеры отказа <--ч отдельных зубьев, что долдно учитываться при расчетах нзд-якюти

фрез. Вии приняты следущие положения:

1. Среднее время наработки на отказ отдельного зуба фревы определяется обобщенным параметром (Pz- V/0) в соответствии с формулой (1).

2. Отклонение времени наработки на отказ отдельных зубьев фрез lnTi (uz) от среднего значения моделируется нормальный законом распределения,1 и не зависит от нагрузки на отдельные зубья, потому коэффициенты А и В в формула (1) принимал; следующий вид: \ • •

B¿ - В - В - const; и Aj - Ä + в Р(х),

где в « среднеквадратичное отклонение;

Р(х)функция, обратная функции нормированного нормального распределения. ,

3. Критерием микроразрудания, исходя иг принципа суперпозиции Бейли( суммирования повреждений) , является уравнение

аТ ш

2 -———^—-1 С23

* Т (Pr-V/0)e

где -¿Ттвремя наработки ва отказ при нагрузке (Рх-УУв), ее ли д Тш < ТС - У/в) .

- Т(РХ-У/в) ;- стойкость зуба при нагрузке (Рх-У/в)ш.

Пос^е отказа одного (самого слабого) эуОа фрезы, жрет наработки на отказ последующего ауба при удвоенной нагрузке определяется в соответствии с выражением (2):

Т1н " т(»1 V»)+ т»>1 [1 ~ /

Процедура повторных расчетов заканчивается при обнаружении сломанных подряд трех зубьев фрезы, поскольку увеличенная в четы;« рагч нагрузка в абсолютном больвинстве случаев приводит к быстрой поломке оставшихся зубьев.

Таким образом, приведенная процедура расчетов позволяет оценить среднее значение стойкости фрез с заданной вероятность» и определить изменения стойкости в зависимости от варианта и параметров ыиогослойво- композиционных покрытий.

. Оптимальность процесса резания инструментом из БВТС с покрыгием оценивали, сопостаалая компромиссные кривые зависимости "производительность (П) -себестоимость (С)", причем объективиш критерием оцеши эффективности процесса резания служа милимум себестоимости операции при заданной уровне производительности. Рэсчетыпраивводидана ГОВЫтипа IBM PC/AT с учетом стойкости твердого сплава, особенностей технологической операции пря аадаянш ограничениях па силе резания (Pt), затрат мощности на рэааяие (Рх- У), сзроховатость обработанной поверхности (Rs).

В ТШЬШЗ №2$ рассмотрены теоретические предпосылки выбора состава покрнгяЯ, исходя аз общей концепции покрытия, предлояенаоа А. С. Верещвка как "проаеауточной технологической среда" между инструментальным и обрабатываемым материалами; На основе этого подхода была разработана структурная модель многослойно-композиционного покрытия для, субстратов с невысокой вязкостью разрушения (БВТС), испольаукцая теоретическую оценку контактной активности и адгезии взаимодействующих металлов. В соответствии с предложенной моделью, вероятность формирования адгезионной связи мгкду внутренним слоемыногсслоано-кошюзи-даонного покрытий и субстратов (БВТС), а такав иинимум вероятности формированйя ^взвоины*: связей между наружным слоем покрытия и опрашиваемым материалом, оцениваётс!я термодинамическим критерием дб^ (разность изобарного потенциала ожидаемой рзакции меаду контактирующш) катериалами). Согласно критерию iG*, вероятность образования прочной адгезии между покрытием и ЕВГС резко воарастае* при отрицательном значении изобарного потенциала; а снгшениэ вероятности адгезии между слоем покрытия и обрабатываемым материалом обеспечивается при положительном значении aGJ. . '

В соответствии с данными расчетов и имеющимися рекомендация»» »качестве внутренних слоев многослойно-композиционных покрытий (износостойкие комплексы ИК) для БВТС рекомендованы переходные тугоплавкие d-металш, которые южно расположить по мере возрастания их склонности к образованию .прочны* здг смион-

ных связей:

для IV периода Ti, Сг, V для V периода Zr, Nb, Mo для VI периода V

Кроме того, для формирования внутреннего слоя ИК рекомендованы: Си (s-метаялы), Al, Si (р-элементы).

Шказано, что для формирования наружного слоя ИК могут быть рекомендованы нитриды, карбиды и карОонитриды d-переходных металлов, которые имеют минимальную склонность к адгезии с обрабатываемыми материалами (конструкционные стали 40Х, 45, 35ХГСА, серые, чугуны), так как они обладает оптимальным сочетанием высокой твердости (минимизация механической составляющая адгезии) и температуры плавления (минимизация термической составляющей адгезии).

Подученные данные были использованы для разработки гаммы ИК для нанесения на пластины из БВТС, причем в качестве внутреннего слоя использованы переходные d-металлы, а в качестве наружных и промежуточных слоев нитриды и карбонитриды этих металлов или их смеси: Nb-Zr, V-Cr, V-Mo, Tl-Cr, Zr-Cr и др. *

В главе представлены данные по оптимизации параметров разработанных составов, ИК, получаемых на ионно-плазменных установках с дуговым источником плазма типа "Булат-6" и ННВ--6.б-И1, имеющих устройства, динамического смешения газов и плазмооптические системы управления плазмой. В частности уста-вовлено, что для разработанных ИК типа Cr-(Nb-Cr)N-NbN, Zr-ZrN-( П-Zr) N-ZrN, (Zr-Cr)-(Zr-Cr)N-ZrCN, Zr-ZrN-(Ti-Zr)N--(Ti-Al)CN, Cr-(Nb-Cr)N-NbCN требуется не только оптимизация толщин слоев, их соотношения и обшей толщины ИК по критериям Tmax, "3,min, но и жесткая регламентация элементов, входящих в их состав.

В работе даны рекомендации по обеспечению условий получения сложно- композиционных покрытий (оптимального состава, структуры, микротвердости) на субстратах из БВТС типа ТН-20, КНТ-16, ТВ4 применительно к операциям чистового и получистового точения, торцового фрезерования сталей 45 (НВ 180), 40Х (НВ 200), чугуна С432 (НВ 220-230).

* Заявка на изобретение N 20128?7 от 18.12.1992

С учетом качественного характера оценки свойств покрытия на основе термодинамического критерия дБ?, была также предложена методика статистической сертификации разработанных составов покрытий на основе подхода, предложенного А. С. Вере пака.

. В качестве критериев сертификации использовали: величину кинетической «или трения Р^щ ' ( оценка склонности к адгезии между внешним слоем покрытия и обрабатываемым материалом), интегральный параметр Т», определяющий прбчность адгезии между внутренний слоем покрытия и БВТС по величине разрушающего напряжения при вдавливании индентора и интенсивность окисляемости при непрерывном и дискретном нагреве (сопротивляемость разрушению покрытия при воздействии внешней среды).

1Ьсле предварительной сертификации и краткосрочных стой-костных испытаний резцов и торцовых фрез, оснгшрнкьк пластинами из БВТС с разработанными.составами ИК, установлены оптимальные составы ИН: при точении стали 2г-2гН-(Т1-2г)Н--(Т1-А1)СЫ, (гг-Сг)-(гг-Сг)И-ггСЫ; при торцовом фрезеровании стали и чугуна 2г-2гМ-(Т1-2г)М-ТШ.

Проведены широкие исследования по оптимизации толщин ИК, а также соотношения толаин адгезионного подслоя и ИК. Установлено, что при точении, стали оптимальное значение толщины ИК составило 5-7 мкм, при торцовом фрезеровании стали и чугуна -3-4 мкм.

Исследованы некоторые свойства пластин ТН-20 с ИК. Установлено, что синтез покрытия, включающий ионную бомбардировку и последующую конденсацию слоев ИК, приводит к стабилизации предела прочности при изгибе 0*, не снижая его среднее значение и трешиностойкость, характеризуемую коэффициентом критической интенсивности нааряжений К,с.

Микрорентгеноспектральный анализ, а также оценка уровня «жхрот&ердости и остаточных напряжений позволили установить, что ИК имеет высокую твердость, сжимающие напряжения по всему объему и структуру супермелкозернистого столбчатого кристалла для каждого из слоев, что позволяет прогнозировать достаточно высокую сопротивляемость композиции "ИК-НВТС" хрупкому и вязкому (объемному) разрушении

_ В чететтоя ГМАЗЯ представлены основные результаты исследований характеристик контактных процессог и функциональных параметров резания при точении стали 45 и симметричном торао-

вом фрезеровании стали 45 и чугуна С422.

При проведении исследований использовали специальные стенды, смонтированные на базе токарного (16К20) и универсально-фрезерного станка (6Р82Щ), оснащенные универсальным динамометром УДИ-300, евето-лучевым осциллографом Н-117, 4-х канальным самописцем Н-388, а тагаоэ датчикам! для определения температуры, мощности и скорости резания. При исследованиях контактных характеристик использовали устройство для мгновенной остановки резания, что позволяло получать микрошлифы зафиксированных зон резания на основе которых получали исходные данные дли расчетов контактные напряжений 6t, ty. ;

Методика исследования кинетики развития очагов изнашивания и разрушения контактных площадок инструмента включала фиксирование величин износа площадок после стравливания нали-пов на оптическом и электронно-сканирующем микроскопах и про-филомегре "Калибр-201", а гакяз анализ изменений состава приповерхностных слоев зон изнашивания с помощь» микрозондового анализа.

В результате проведенных исследований установлено существенное влияние покрытия на контактные характеристики (Cj, Cj,, ф , 0f, ), коэффициент продольного упрочнений стружки К<., силы резания Pt, PY , р, относительный сдвиг е , энергетические характеристики резания: удельные работы трения 8Г, деформации 8е, стружкообразования Эс.

Сильное влияние на характеристики резания (Рг , Р„ , Ру, Ki, ь ), напряжения на контактной.площадке передней поверхности (6|, ) и энергетические затраты процесса резания (Qf, Qi> Qe) оказывают ИК, имеющие наружный слой оптимального состава. Например, при точении стали :45 максимальное снижение сил (Рг, Р, , Ру), деформаций СKt, е ),'напряжений (G,, Vt ) и энергозатрат резания (QF, Qt , Qc). отмечено для ИК Zr-ZrN--CTi-Zr)H-CTi-Al)CM (точение"стали-45) и (Zr-Cr)-(Zr-Cr)N-ZrCN (.точение коррозионностойкой стали - Ï2X18H1 ОТ), наружные слои которых [(Ti-Al)CM, ZrCN) .обладают-.оптимальным сочетанием' высокой твердости и температуры ,• плавления;"--Что обеспёчйвает значительное повышение уемперагурногс: порога 'начала 'адгйий при контактировании'подобного сдоя-с -обрабатывёемам-' материалом. ■ .............. ., ч . '. ■ !

Показано, что'^Ьраетер.^их';1вания,'пдасгин -из-БВГС с"' ИК

достаточно сильно""" изменяется по сравнению с изнашиванием пластин без ИН. В частности, установлено, что интенсивность изнашивания инструмента из БЕТС с ИК сильно снижается как в период приработки, так и в период установившегося изнашивания. 1£жсямальное снижение интенсивности изнашивания сплава ГН-20 при точении стали 45 обеспечивает Zr-ZrN-(Ti-Zr)N-(Ti-Al)CN, а яра торцовом ¡фрезеровании серого чугуна Zr-ZrN-CTi-2r)N-T1 N.

Мккрорентгепосяектральный анализ пластин TH-20(Zr-Cr)--(Zr-Cr)N-ZrCN с выраженными очагами изнашивания поел» 5, ÎO и 20 шшут резашя стали 12X1S1Î1 ОТ позволил улетать роль Ж в одергивания изнашивания инструмента из БВТС. Показано, что сопротивлаешсть композиции "БВГС-ИХ" изнашиванию заметно возрастает вследствие упрочнящэго эффекта аонзюй бог^бардировки на структуры някель-шлмбденовой связки и формирования в ней нзпряаэний сгатая, а тага© умеяьээаия активности яитердиффузи-оазнх процессов в системе резания "БШС-обрабэтызаещй ултери-ал" и снижния уровня теркомеханического воздействия за кон-таютке плоздки инструмента.

1&тодаии корреляционного анализа доказана фугащионалъная взаимосвязь времени наработки инструмента из БВТС с ЙК и скорости приращения энтропии резания, которая характеризуется обобщенным параметром P,-V/8. Таким образом, параметр-Px-V/8 паяет быть принят в качестве критерия оценки эффективности покрытий (ЙК) на инструментах из БВТС (рис. 1). Обоснованность принятия обобщенного параметра - V/8 в качестве критерия оценки эффективности покрытия подтверждена аирокими экспери-иентальньши исследования?«! (рис.2) по установлению взаимосвязи параметра Рг • V/8 с функциональными параметрами резания, характеризующими напряженно-деформированное состояние зоны резания я релущгй части инструмента.

Для подтверэдэшга указанных положений проведены исследования процесса разрушения контактных площадок инструмента из БВТС с различными вариантами покрытий.

Установлено, что главной поичиной отказов инструмента из БВТС, как с покрытием, так и без него, является объемное разрушение контактных площадок инструмента вследствии формирования и последующего развития фронта хрупких трещин. В большей степени указанный .механизм разрушения кенгакпшх площадок инструмента проявляется для операция прерывистого

лъ

7,0

5,0

5,0

1

ч ч \ - ' \ 3

"V

\ ч 'Ч «Ч

2,0

6,0

М А*

© > ~сТ~

Рис. Г. Зависимость времени наработки на отказ резцов, оснащенных шшстанами ТН-20 и ТН-20тГ*-2»Я- (Х-2т)Н-Ъ1НЗ.Ч) от параметра й-У/0 (скорость приращения энтропии при резании), при прерывистом точения стала 45.

1,3 - стойкость пщ-З'Уаг-^сспН* - - у, (50М/ИШ

«г — ДЛЯ 1Н-Л)

3,% - ДЛЯ

Параметры корреляционно-регрессионного анализа; А=7.57; В=-0,807; лХ = 0,163; «е ^ 0,069; Л =1,1;»»к = 0,0583; 0,874 < V, < -0,^296.

Атыъ

ИНН

£00 100

ТОО

¿00

30

ко зо

»о

к V

*

\ 8 • •

» \ V

4 Г > N.

\ /У

V

\ X X \

1(0 5о 60 то 160 яоо Сп^/, и/м*н.

Рис. 2. Влияние скорости резания яа стойкое» инструмента,

осяаденяого пластинами Т16К6 (I), ТИ-20 (21, ТН-20- .

(4) при продольном точении стали 45 с 3 =0,3 ш/о<5; "I =1,0 мм.

(торцовое фрезерование, прерывистое точение), и менее выражен для непрерывного резания (точение стали). Таким образок, подтверждены полученные ранее А А. Дубровским, EIL Андреевым и В. R Оакураевым результаты исследования причин отказов инструмента из ВВГС, а тагаэ доказала адекватность принятой модели разрувкгия контактных шющедсж инструмента из БЗГС.

С учетом того, что операция чистового фрезерования обычно является фкушмой, исследовано тагаз влияииа покрытия на шероховатость обращенной поверхности. , Измерение шероховатости производили с использованием измерительно-вычислительной системы (ИБС) s составе профилографа мод. 2Б2 аазода "Калибр" И ШВЫ. Входящий в систему ЙВС блок сопрязгкиа систем состоит из фильтра высокой частоты, аяалогоц®* рового преобразователя 4225, функционального генератора тактовых йаятульсов, который управляет работой АЦП и интерфейса на основе устройства параллельного сйаэна Ш, что позволяет осуществлять "запись" профилей ивроховатости поверхности в ШУ ЮШ или на гкбкиЯ магнитный диск. Шаг дискретизации профиля устанавливается sa счет НЗШ.Ч8НИЯ частоты тактовых ишзудьсоз, которш изменяются от 0,0005 до 0,05 ил При проведении исследований по измерению шероховатости обработанных поверхностей был использован пакет прикладных программ, реализованных на языке Фортран IV и макроассемблере. Программное обеспечение систем позволило определить параметры шероховатости, нормируемые по ГОСТ 2789-73, исследовать статистические характеристики профилей (закон распределения, оценки автокорреляций и с печальной функции).

Установлено, что при фрезеровании чугуна и стали инструментом, оснадэнным пластинами TH-2p-Zr-ZrN-(Ti-Zr)N-TiN, ТН--20-Zr-2rM-(Ti-Zr)H-(Ti-Al)CN, шероховатость обработанной поверхности снижается на 30-402 в сравнении с шероховатостью, получаема после фрезерования инструментом, оснащенным пластинами ТН-20, и на 40-60% после обработки инструментом из воль-фраиосодержшцих сплавов Büß (фрезерование чугуна) и Т15К10 (фрезерование стали). .

Проведены также исследования по установлению влияния покрытий (MR) на характеристики качества поверхностного слоя деталей после обработки инструментом из БВГС на примере точения «рада 12И8Ш0Т. Установлено, что использование резцрв из ÎH--20-(Zr-Cfr)-(Zi^Cr)N-ZrCN при точении коррозионностойкой стали

12Х18Н10Т позволяет снизить шероховатость, степень и глубину наклепа, уровень остаточных напряжений растяжения на 20-40%.

В ГСГГСЙ ГЯАЕЗ приведены результаты исследований условий эффективного использования инструмента из БВТС с разработанными составами ИК.

Для разработки математических моделей стойкости в соответствии с принятым законом распределения проведены стойкост-ные исследования резцов и фрез, оснащенных пластинами из БВТС ТН-20, КНТ-16, ТВ4, ЛЩ20 с различными рариантами ИК в широком диапазоне изменения условий обработки (рис. 2).

С учетом Monoiоннбсти зависимости Г - f(V), для достаточно широкого диапазона изменения скорости резания (рис. 2) инструментом из БВТС с ИК и без ИН математические модели стойкости разработаны для ограниченного диапазона скоростей резания V - 120 - 300 м/мин, г.е.' для диапазона монотонного характера изменения функции 7 - f(V):

точение стали 45

1,6-10*

Т15К8 7 - -;-—;

у''6- s'^-t''7' :

0,8 • 105

ТН-20 ' . Т ---1-,

1,4 • 101

TH-20-Zr-2rN-(Tf-Zr)M-(Ti-Al)CíJ Т «■--,

точанме стали 12Х18Н10Т

6.1 • 10*

Т16К6 Г -

4,8 • 104

ТН-20 Г

Тй-20-( гг-Сг) - (2г-Сг) я-ггси т -

5,6-10*

На основе проведенных стойкостных испытаний для широкого диапазона изменения условий обработки (рис.3) разработаны также математические модели стойкости торцовых фрез, оснашрн-иьк пластинами из ЕВТС с ИК и без ИК для варианта их нормального изнашивания:

фрезерование чугуна

18,4 -10*

ВКб

! /

20,3 • 10*

ТН-20 Т

т

ТН-20-2г-ггН-(Т1-гг)М-Т1М т -

19,6 • 10е

фрезерование стали

22,4 • 10*

Т5К10 I - -—-,

28.6-10?

ТН-20 Т - ---—--;

32.6 -104

•т-2хь7г-т-1лх-гс)н-(и-п)ся т - ——---—;

Щажаг математических моделей стойкости погюшет отмэ-ть, что характер функции Т - Г(У, Б, I, Ьа> для инструмента Яз ШТС с ИК н без ИК, а так» ма вольфмшооддераадос сплавов ЕЕ», ?1БК8, Т5К10 принципиально не отличается, фи этом отмечено заметное снижение степени . влияния скорости резания на стоакостьквструмента с ИК оптимального состава при примерно одинаковом влияниисачениясреза;х Б на стойкость для лнструшата из ВВГС с ИК и без ИХ.

Ясследовашия надежности торцовых фрев из ТН-20 с раэрабо-таяншн составами износостойких юишлексов (гг-ггН- (ТI-2г)Н--Т1Н - фрезерование чугуна, 2г-1гН-(Т1-гг)М-(Т1-А1)СИ - точа-яж стаж) дакааалнцелесообразность аамены фреэ.оснацрнных пластинами «а вольфра^юсодераапих смэк)» Шб, Т5К10 на операциях получистового и чистового фрезерования разработанными фревама из ЕВТС сИК.Обосйовшасстьпредлагаемойэаменыподт-верадена результатами исследований, показавииыи( рис.4). что иадежость фрез иа БВТС с ИК (критерий тт1п) превосходит надежность фреа из конкурирующих марок БВГС (КНГ-Дб, ТВ4, •ПК20) и не уступает надежности фрез' из вольфрашсодерюодх : сплагоа ВКб (фрезерование серого чугуна) й Т5К10 (фрезерование "конструкционных сталей). Полученные результаты были использованы для рекомендаций по применению инструментов из БВГС сИК В автоматизированном производстве на станках с ЧПУ, обрабаты-

-в-

твть ШШВ<1еши1ТЕ1ьной стамшсЩ , Уровень хорошей твмшот

Рис. 4. Влияв» енрвед разная» (а) я нвдara (<í) ■ut зшявшяя стсДдоста

-- (Я 32 (нзаю) ЩЛЬ- ЗЬИ =СГв1 5

I-W-fê; 2-134; З-ТВ-20; 5-М6

e»-v" -5Ö-ZI0 тфсгя'.:£- =0.G3-<3.3 ssf/z¡6.

вахщх центрах и ГШ.

С учетом высокой вероятности объемного разрушения зубьев фрез иг БВТС разработаны также модели стойкости торцовых фрез для варианта отказа фрезы вследствии поломки ее зубьев (хрупкое или пластическое разрушение):

фрезерование чугуна ТН-20 Т - 0,0262. г'Р(Р1 ■

7Н-20-гг-2гН-(Л-2г)Ы-7М Т - 0,0291-^Р, •

фрезерование стали

ТН-20 Т - 0,0232

ТН-20-2г-ггМ-(Т1-2г)МТ1-А1)СЫ Т - 0,0426-^Р^ У/в^е*'8"'-^* ^)

Разработаны рекомендации по эксплуатации резцов и торцовых фрез, оснащенных пластинами из БВГС с Срытием при точении и торцовом фрезеровании стали и чугуна-® >

№ основе расчета компромиссных крЩт "производительность- себестоимость"опредвляли воэможноетга повышения эффективности операций точения (стали) и фрезерования стали, чугуна на станках с ЧПУ и многоцелевых обрабатывавших центрах при использовании режущего инструмента, оснашмного пластинами из БВТС (ТН-20, КНТ-16, ТВ4) с многослойно-тошюзиционными покрытиями оптимального состава (например, • 7мкгН-{,11-2т)Н-11Н). Показано, что при использовании эконодаЙюки целесообразных режимов точения и фрезерования стали и чутарюв обеспечивается: • увеличение производительности и снМенйе, себестоимости обработки на 30-50Х по сравнению с инс/трументом, оснащэнным вольфрамосодержа#1ми пластинами, и на 20-401 по сравнению с инструментом, оснащенным БВГС без покрытия;

- снижение операционного времени на 1Б-25Х. Д»я расчетов функциональных параметров 11роцесса резания стали и чугунов инструментом из БВТС с разработанным составом

ИК предлокени математические модели, представляющие систем иатематических соотношения мозду вероятностью появления значений параметра резания (не превышающего заданное значение параметров АО и значений этих параметров при определенных значениях факторов С Ь, 3, V, у , л, ср, % , г , р и др.) по методике Е Я Власова:

Г(А) - 1 - ехр[ -А1/С1(П х?/" ] 1ч

где С( - коэффициент, А( - степень влияния фактора на выходной параметр Р(А), т - 1/9 ; V - коэффициент вариации заданного параметра резания.

Применительно к процессу симметричного торцового фрезерования обшая зависимость может быть представлена в виде зависимостей вероятностей появления параметров резания Р((?) от Ь, Эг, V. п, Т:

- 1 - охрС -Я/С, Т*'*)** ]

Значения коэффициентов и экспонентов математической модели вычисляли исходя из реализованных в эксперименте значений факторов и параметров методом наименьших квадратов. Показатели распределения вычислены по реализованным значениям отклонений наблюдаемых значений параметров резания от расчетных значений.

Полученные математические модели резания использованы для расчета показателей надежности резцов и торцовых фрез применительно к точению конструкционных сталей (сталь 45, 40Х, 35ХГСА, 12Х18Н10Т) и серых чугунов (СЧ12, СЧ18, СЧЗО) по длине пути резания 1, до принятого критерия затупления для воинского машиностроительного завода.

ССВДШШЙ ВШОД Ц

1. Разработаны концепция и технические требования к режущему инструменту, оснащенному пластинами из БЕТС с покрытием (износостойкими комплексами ПК), на основании которых создана методика формирования многослойных Ж, слои которого обеспечивают максимальную прочность адгезии между ИК и БИТС, сниглнтг адгезионную активность БВТС по откожнию к оСрабатирч^мсму мч-

териалу и имеют высокую когезиониую прочность сцепления друг с другом.

2. Предложена методика оценки эффективности покрытий по величине обобшэнного параметра Рг У/в, физический смысл которого связан со скоростью приращения энтропии при резании, а его расчет может быть произведен по величине мощности резания и коэффициентам теплопередачи в стружку, инструмент и заготовку.

3. Установлена корреляционная связь обобщенного параметра Рг•У/в с функциональными параметрами резания и временем наработки инструмента на отказ, а также показана его инвариантность по отношению к скорости резания и толщине среза, что позволяет прогнозировать работоспособность инструмента из ШГС с ИК по величине параметра Р£ • У/6.

4. Разработана гамма ИК, имеющих оптимальные составы наружных и адгезионных слоев, а также оптимальное соотношение толщин применительно к резцам и торцовым фрезам из ЕВГС марки ТН-20 для получистовой и чистовой обработки серых чугунов, конструкционных и коррозионностойких сталей.

5. Показано, что ИК, полученные в оптимальных условиях, увеличивают стабильность прочностных свойств сплава ТН-20 на 40-802 по сравнению с соответствующим показателем для сплава ТН-20 без ИК, не снижая уровень трещиностойкости сплава, а ИК оптимального состава (гг-2гН-(И-2г)Н-(И-А1)СП, (гг-Сг)--(2г-Сг)М-2гСИ - точение стали; 2г-ггМ-(Т1-гг)М-Т1К - фрезерование чугуна) обеспечивают снижение на 30-40% коэффициента вариации стойкости резцов и торцовых фрез.

6. Установлено, что пластины из ТН-20 с оптимальными составами ИК, обеспечивают при резании снижение усилий резания РЕ, Ру, Р, , показателей стружкообразования Kt.fi, напряжений

энергетических затрат на струшэобразование (}0, пластические деформации <3(, трение (}т в среднем на 10-302, что сьязано со снижением адгезионной активности и фрикционных характеристик сплава ТН-20 иа-аа роста температурного порога начала адгезии.

7. Показано, что пластины из сплава ТН-20 с оптимальными составами КК имеют более высокую сопротивляемость изнашиванию & период приработки и при установившемся изнашивании инструмента, что связано с упрочнящим эффектом панной бомбардировки

на структуры никель-молибденовой связки и формированием в нем напряжений сжатия, снижением активности интердиффуэионных процессов в системе "БВТС-оОрабатываемый материал", а также уменьшением уровня термомеханического воздействия на контактные площадки инструмента.

8. На основе разработанных алгоритмов, программ расчета и определения экономически целесообразных режимов резания, полученных при построении компромиссных кривых "производительность-себестоимость" операций точения и торцового фрезерования (сталь, чугун) рекомендованы условия рациональной эксплуатации резцов и торцовых фрез, оснащенных пластинами ТН-20 с ИК, в соответствии с которыми для операций чистового и получистового точения и торцового фрезерования (KQ5-K20, P10-P2Q) следует увеличивать скорость резания на 30-50% при тех же значениях сечения среза t к S, что и для инструмента из альтернативных марок БВТС (КНТ-16, ТВ4, ЛЦК20) и стандартных вольфрамосодер-жащих сплавов той же области применения (ВКб, Т15К6, Т5К10).

9. разработаны математические модели стойкости для операций точения и торцового фрезерования стали и чугуна инструментом из ТН-20 о разработанными составами ИК.

10. Результаты работы использованы для составления технических условий на нанесение ионно-плазменных покрытий на установках с дуговым источником плазмы на пластины из БВТС номенклатуры Чирчикского комбината тугоплавких и жаропрочных материалов, а также внедрены на Навоинском машиностроительном заводе.

Основные положения диссертации опубликованы автором в следующих работах:

1. Заявка на авторское свидетельство "Способ получения композиционно-многослойного покрытия в вакууме N 2012837 от 18.12.1992 (в соавторстве),

2. Верещзкз А. С. Куванов М. Разработка методики аттестации инструмента с покрытием. В кн.: Высокие технологии в машиностроении. Харьков, 1992 с. 122-123,

Л. Болотников Г. Б., Еерипка А. С. , Куванов М. Повышение надежности твердосплавного инструмента при [л-яании жаропрочных никелевых сплавов. 3 кн. •. Вш-тамсть доаддого инструмента. Сборник статей, вып. 5. Крчччток-к KW, 15Г»3 с.