автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности лезвийной обработки деталей машин путем применения режущих инструментов и условий резания с высокими способностями к самоорганизации

ч

На правах рукописи

МИГРАНОВ Марс Шарифуллович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ И УСЛОВИЙ РЕЗАНИЯ С ВЫСОКИМИ СПОСОБНОСТЯМИ К САМООРГАНИЗАЦИИ

Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации иа соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа -2005

Работа выполнена на кафедре «Основы конструирования механизмов и машин» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Шустер Лева Шмульевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Верещака Анатолий Степанович

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

Памфилов Евгений Анатольевич Будилов Владимир Васильевич

Ведущая организация - Институт технологии и организации производства «ОАО НИИТ» (г. Уфа)

Защита диссертации состоится «_»_200_ г. в_часов на

заседании диссертационного совета Д 212.288.04 в Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан «_»_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета^_,

доктор технических наук, профессор Y A.M. Смыслов

/ /2

2Ц30 76

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обработка резанием остается до настоящего времени наиболее предпочтительным процессом для окончательного формирования размеров деталей и их качества (несмотря на значительный прогресс в развитии таких технологических методов, как точное литье, штамповка, электрофизическая обработка и т.д.), что обусловлено гибкостью и мобильностью обработки резанием, высокой точностью и качеством обработанного поверхностного слоя, низкой себестоимостью.

В системе мероприятий по совершенствованию процесса резания наиболее действенным звеном является режущий инструмент, так как именно инструмент в значительной мере определяет полноту использования технических возможностей современных мехатронных систем, оснащенных высокоскоростным оборудованием с дорогостоящим микропроцессорным управлением (ЧПУ и АдСУ), а также сроки их окупаемости. Поэтому основным направлением в данной работе выбрано совершенствование режущих инструментов. Как показал обзор научно-технической литературы по интенсификации лезвийной обработки, в настоящее время в машиностроении еще не нашли широкого применения инструментальные материалы и износостойкие покрытия с программируемыми свойствами самоорганизации, которые с учетом условий резания (управляемой переменности элементов режима резания, СОТС и др.) позволяют повысить износостойкость инструмента за счет образования на поверхностях контакта вторичных фаз и структур при резании металлов.

Произошло это из-за недостаточной изученности вопросов, связанных со структурно - фазовой самоорганизацией приповерхностных слоев на подвижном фрикционном контакте «инструмент - деталь», что затрудняет практическое использование этого явления для решения конкретных технологических задач. Представленная работа направлена на восполнение этого пробела, что и определяет ее актуальность.

Выполнение основных разделов данной работы проходило в рамках Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 - 2006 годы» и по планам госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ Уфимского государственного авиационного технического университета, а также договоров о творческом сотрудничестве с НИИЧермет (г. Москва), НПГД «Римет» (г. Москва), университетом «Мак-Мастер» (г. Онтарио, Канада).

Цель работы - повышение эффективности работы лезвийных режущих

инструментов

направленного

влияния на процесс резания дополнительного легирования быстрорежущих сталей, обоснованного выбора химического и структурно-фазового составов твердых покрытий, технологических режимов и сред с программируемыми свойствами самоорганизации при трении.

Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие задачи:

1. Получить математическую модель изнашивания лезвийных инструментов и на ее основе определить пути снижения износа с учетом свойств инструментальных материалов, наличия на инструменте износостойких покрытий, применения СОТС и переменности элементов режима резания.

2. Разработать методологию комплексной оценки эффективности выбора и применения инструментов и условий резания с программируемыми { свойствами самоорганизации при трении.

3. Исследовать влияние дополнительного легирования инструментальных материалов, а также химического и структурно-фазового составов самоорганизующихся износостойких покрытий на их способность активной адаптации к внешним физическим воздействиям, триботехнические характеристики рабочей зоны и износ режущего инструмента при точении и фрезеровании в различных условиях резания металлов.

4. Выполнить металлографические исследования изношенных поверхностей режущих инструментов, прирезцовой стороны стружки и поверхности резания на обрабатываемой заготовке и определить составы и свойства, образовавшихся на них вторичных фаз, их распределение и развитие в различных условиях процесса резания инструментами с программируемой самоорганизацией.

5. На основании совместного анализа результатов п.п. 3 и 4 разработать и апробировать концепции дополнительного легирования быстрорежущих сталей, выбора химического и структурно-фазового составов самоорганизующихся износостойких покрытий, обеспечивающих повышение износостойкости режущих инструментов в заданных условиях процесса резания.

6. Разработать и экспериментально испытать принципы формирования многослойных покрытий с высокой способностью самоорганизации, каждый слой которых для достижения высокой износостойкости минимизирует соответствующие стадии изнашивания режущего инструмента.

7. Определить возможности использования СОТС (различной вязкости и агрегатного состояния) и переменности элементов режима резания в качестве факторов для снижения уровня триботехнических характеристик самоорганизации и изнашивания режущего инструмента.

8. Разработать информационную базу данных по технологическим и триботехническим параметрам, СОТС, износостойким покрытиям, благоприятных и неблагоприятных температурах резания.

9. Выполнить исследования по внедрению разработанных рекомендаций для решения конкретных технических, технологических и производственных задач.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Решения задач базируются на известных теоретических положениях и опытных данных термодинамики неравновесных процессов, теории резания, трибологии, механики и теплофизики процесса резания, математической теории оптимальных процессов и управления, моделирования и многофакторного планирования экспериментов и статистики (минимизация функций, стохастическая аппроксимация и др.).

Экспериментальные исследования процесса резания (температуры и силы, параметров стружкообразования и изнашивания режущего инструмента) проводились как по стандартным или известным методикам, так и по специально разработанным методикам с учетом переменности элементов режима резания. Металлографические исследования контактировавших при резании поверхностей выполнялись современными физическими методами с привлечением растровой и сканирующей электронной микроскопии, вторично ион-но-массовой спектрометрии, оже-электронной спектроскопии.

Достоверность и обоснованность теоретических выводов подтверждена многочисленными экспериментальными данными, в том числе полученными лично соискателем. Результаты исследований, выводы и предлагаемые технические решения прошли производственную проверку, внедрены в учебный процесс и подтверждаются патентами на изобретение и полезную модель, свидетельствами об официальной регистрации базы данных, программы для ЭВМ.

На защиту выносятся:

- математическая модель изнашивания лезвийных инструментов, позволяющая определить пути уменьшения износа за счет снижения уровня триботехнических характеристик и увеличения интервала структурно-фазовой самоорганизации (эффекта экранирования) приповерхностных слоев фрикционного контакта «инструмент - обрабатываемая деталь» (с учетом заданных условий резания);

- методология определения и исследования триботехнических характеристик и экранирующего эффекта вторичных фаз, образовавшихся на контактных поверхностях фрикционной пары «инструмент - обрабатываемая де-

таль» в результате самоорганизации при трении в различных условиях резания металлов;

- выявленные фазовые составы вторичных структур, их распределение и развитие в приповерхностных слоях фрикционного контакта «инструмент - обрабатываемая деталь», образованные в различных условиях процесса резания металлов инструментами с программируемой самоорганизацией при трении;

- концепции дополнительного легирования быстрорежущих сталей и выбора химического и структурно-фазового составов самоорганизующихся износостойких покрытий на инструменте, обеспечивающие при резании металлов в различных условиях прогнозируемое образование вторичных фаз, обладающих повышенной термостойкостью и прочностью, низким коэффициентом трения;

- принцип формирования многослойных покрытий с программируемой самоорганизацией на поверхностях трения при резании металлов, каждый слой которых для достижения наиболее высокой износостойкости минимизирует соответствующие стадии изнашивания режущего инструмента;

- зависимости триботехнических Показателей и интенсивности износа режущих инструментов при точении, цилиндрическом и торцевом фрезеровании различных материалов от метода получения и дополнительного легирования быстрорежущей стали, а также состава и способа нанесения износостойких покрытий (с учетом режимов резания и применения СОТС);

- возможности использования СОТС и переменности элементов режима резания в качестве факторов снижения уровня триботехнических характеристик самоорганизации и изнашивания режущих инструментов;

- информационная база данных, позволяющая применительно к лезвийной обработке металлов определять благоприятные и неблагоприятные по износостойкости инструмента зоны режимов резания с учетом применяемых инструментальных материалов, износостойких покрытий и СОТС.

Научная новизна работы. Наиболее важными результатами диссертации, обладающими признаками научной новизны, являются:

1. Математическая модель для расчета изнашивания режущего инструмента, учитывающая температурные зависимости коэффициента трения и физико-механических свойств приповерхностных слоев фрикционного контакта «инструмент - обрабатываемая деталь», применение покрытий и СОТС, а также характер режима резания.

2. Критерии оценки эффективности структурно-фазовой самоорганизации при трении в условиях резания металлов (по уровню триботехнических характеристик и интервалу - экранирующему фактору - самоорганизации),

на основе которых разработана методология исследования инструментальных материалов и твердых покрытий с программируемыми свойствами самоорганизации.

3. Условия образования и развития вторичных фаз на контактных поверхностях пары трения «инструмент - обрабатываемая деталь» в результате самоорганизации при резании и предложены концепции дополнительного легирования быстрорежущих сталей и выбора химического и структурно - фазового составов твердых покрытий с программируемыми свойствами самоорганизации, повышающие износостойкость режущих инструментов (с учетом заданных условий резания).

4. Вклады триботехнической и экранирующей составляющих в эффективность образования вторичных фаз в зоне контакта «инструмент - обрабатываемая деталь» (при различных условиях резания), что позволило обосновать принцип формирования многослойных покрытий с программируемыми свойствами самоорганизации, каждый слой которых для достижения наибольшего эффекта по износостойкости минимизирует соответствующие стадии изнашивания режущего инструмента.

5. Принципы формирования многослойных покрытий с программируемыми свойствами самоорганизации при трении, каждый слой которых для достижения высокой износостойкости минимизирует соответствующие стадии изнашивания режущего инструмента.

Практическая ценность. Практическую ценность представляют:

1. Методология исследования инструментальных материалов и износостойких покрытий с программируемыми свойствами самоорганизации при трении в условиях резания металлов.

2. Установка для исследования адгезионного взаимодействия, позволяющая определять трибологические свойства и работоспособность трибопа-ры, в том числе и при использовании СОТС и износостойких покрытий для режущего инструмента в широком диапазоне изменения температуры контакта 20 - 1000 °С (патент на полезную модель № 34249 от 27.11.2003 г.).

3. Методика проведения экспериментальных исследований нестационарного резания на станках с ЧПУ на основе разработанных управляющих программ, охватывающая большую часть возможных видов нестационарностей.

4. Способ ускоренного определения оптимальных режимов нестационарного резания, позволяющий существенно сократить время на технологическую подготовку производства ('11111) для станков с ЧПУ и АдСУ и обеспечить форсирование обработки по физическим параметрам процесса резания (патент на изобретение № 2207935 от 23.07.2001 г.).

5. Информационная база данных по технологическим и триботехниче-ским характеристикам, позволяющая оперативно с помощью компьютерных программ автоматизировать и оптимизировать расчет и выбор СОТС и износостойких покрытий для соответствующей пары «инструмент - деталь» (Свидетельства об официальной регистрации базы данных № 2004620214 от 31.08.04 г. и об официальной регистрации программы для ЭВМ от 31.08.04 г.)

6. Рекомендации для производителей режущих инструментов по проектированию и созданию инструментальных материалов и многослойных покрытий для режущего инструмента с эффектом самоорганизации при трении, обеспечивающих высокую износостойкость при скоростной обработке металлов резанием.

7. Рекомендации для машиностроительных предприятий по применению предложенных режущих инструментов и условий резания с высокой способностью самоорганизации при трении.

8. Методика расчета технико-экономических показателей эффективности лезвийной обработки в условиях нестационарного резания.

9. Рекомендации для машиностроительных предприятий по применению СОЖ различной кинематической вязкости, «сухого» электростатического охлаждения (СЭО) и разных схем подвода ионизированного воздуха в зону резания

Реализация результатов работы. Выполненные разработки внедрены:

- в Уфимском инструментальном заводе при ОАО «УМПО» (г. Уфа); ФГУП УАП «Гидравлика» (г. Уфа); ОАО «Салаватпздромаш» (г. Салават); ОАО НИИТ (г. Уфа); ОАО Туймазинский завод автобетоновозов (г. Туйма-зы), ФГУП «Миасский машиностроительный завод» (г. Миасс), ОАО «Стер-литамак - М.Т.Е.» (г. Стерлитамак) и др.

- в учебный процесс Уфимского государственного авиационного технического университета в виде учебного пособия и учебно-методических указаний при подготовке инженеров.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на 6 международных, 3 всесоюзных, 7 всероссийских и 4 зональных научно-технических симпозиумах и конференциях за период с 1986 по 2005 гт. в городах Москве, Санкт-Петербурге, Брянске, Владимире, Днепропетровске, Иваново, Казани, Краматорске, Новочеркасске, Омске, Перми, Рыбинске, Самаре, Саратове, Ставрополе, Уфе, Твери, Томске, Туле, Сан-Диего (США).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 124 печатные работы, в том числе монография в издательстве «Машиностроение», учебное пособие с грифом УМО в издательстве МАИ (г. Москва), 18 статей в научных журналах и сборниках из перечня изданий, рекомендованных ВАКом РФ, 2 патента

на изобретение и полезную модель, 3 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ и одно свидетельство об официальной регистрации базы данных «Информационная база данных по триботехническим характеристикам в машиностроению).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения в виде основных выводов и результатов работы, списка литературы и приложений. Она содержит 339 страницы машинописного текста и 262 наименований использованной литературы, акты внедрения и другие документы. Общий объем диссертации вместе с приложениями составляет 433 страниц машинописного текста, содержит 120 иллюстраций и 30 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, задачи и основные положения, выносимые на защиту, представлены научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе приведено обоснование постановки задач исследования.

Большой вклад в изучение проблемы трения и изнашивания при резании металлов и разработки методов повышения износостойкости режущих инструментов внесли отечественные ученые A.A. Аваков, Г.И. Грановский, H.H. Зорев, Н.Ф. Казаков, М.И. Клушин, Т.Н. Лоладзе, А.Д. Макаров, Е.П. Наде-инская, С.С. Силин, Ю.М. Соломенцев, И.П. Третьяков и др.

В работах Э.М. Берлинера, A.C. Верещака, М.Б. Гордона, Ю.Г. Кабалдина, В.Н. Латышева и др. проведены важные исследования по изучению вопросов направленного воздействия на процесс резания таких факторов, как применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), нанесение на инструмент износостойких покрытий, использование явления самоорганизации в трибосистемах.

Исследованию явления самоорганизации в трибосистемах машин и механизмов посвящены работы Н.М. Алексеева, Л.И. Бершадского, H.A. Буше, И.С. Гершмана, B.C. Ивановой, Б .И. Костецкого, М.Э. Натансона и др. Однако в этих работах не рассматриваются вопросы практического использования этого явления в условиях фрикционного контакта «инструмент - обрабатываемая деталь».

В работах Ю.Г. Кабалдина, В.А. Кима, A.M. Шпилева и др. исследованы вопросы влияния самоорганизации зоны резания на процессы пластического деформирования обрабатываемого материала и стружкообразования, формирования вида стружки, изнашивания инструментов. Вместе с тем, в этих работах отсутствуют данные по использованию дополнительного легирования инструментальных материалов и выбора химического и структурно-фазового

составов износостойких покрытий для программируемого образования (в заданных условиях резания) на поверхностях контакта вторичных фаз и структур, которые повышают износостойкость режущих инструментов.

Таким образом, при наличии достаточно развитой теоретической базы явление самоорганизации в трибосистемах еще не нашло должного применения в металлообработке. Связано это, во-первых, с известной трудностью теоретического описания и учета всех сложных явлений, сопровождающих взаимодействие при скольжении сжатых металлических тел при повышенных температурах на контакте; во-вторых, - отсутствием данных о закономерностях образования вторичных фаз и структур на поверхностях фрикционного контакта «инструмент - обрабатываемая деталь» во взаимосвязи со структурно-фазовыми и химическими составами контактирующих материа- < лов, температурой на контакте, применения СОТС и пр., и в-третьих, - это объясняется отсутствием данных б количественных связях изнашивания режущих инструментов с характером, свойствами и устойчивостью образовавшихся вторичных фаз и структур.

Изложенное выше обусловило необходимость настоящей работы, определило ее цель и основные задачи.

Во второй главе рассмотрены термодинамические аспекты самоорганизации трения и изнашивания при резании металлов.

Первый закон термодинамики для процессов трения и износа записывается уравнением

»Рт=е + Д£/, (1)

где - работа сил трения; () - выделяющееся при трении количество тепла; Д V — изменение внутренней энергии зоны фрикционного контакта.

Изменение внутренней энергии можно представить в виде Аи^АИ'^ + АГрн + АИГм+АП'лг, (2)

где А1Утч - энергия, затрачиваемая на отделение частицы износа; А]¥рк -энергия, затрачиваемая на структурно-фазовые превращения; ДЖ^- энергия, затрачиваемая на пластическую деформацию; АУУц- энергия, затрачиваемая на формирование трущихся поверхностей.

Процессы разрушения и отделения частиц износа возникают и развиваются в результате увеличения (активации) и уменьшения (пассивации) энергии поверхности. Высвобождение тепла (0 обусловливает термическую активацию процессов при трении. Величина (А1Г) играет основную роль в контактных процессах в зоне резания, определяет механизм развития новых фаз и структур, контролирует величину и тип их деформации и последующее разрушение. Активация приводит поверхностные слои в неравновесное со-

стояние. Таким образом, за активацией следует пассивация с последующим взаимодействием с окружающей средой и образованием защитных структур.

Согласно второму принципу термодинамики в открытых системах при определенных соотношениях потоков энергии и вещества можно наблюдать процессы упорядочения хаотических структур, что соответствует уменьшению энтропии и появлению самоорганизующихся устойчивых структур. В этом состоит отличие открытых систем от закрытых, где энтропия может только увеличиваться. Термин «структура», в этом случае, рассматривается в термодинамическом смысле как вид связи между отдельными частями системы. Для явления самоорганизации характерен принцип экранирования и состоит во взаимосвязи процессов разрушения и регенерации (восстановления) в зоне трения. Другими словами, существует динамическое равновесие между процессами активации и пассивации на поверхностных слоях. Когда равновесие нарушается, начинается разрушение материала поверхности. Таким образом эффект экранирования при трении препятствует всем видам непосредственного взаимодействия поверхностей трибопары и разрушению основного металла. Контакт трибопары осуществляется с помощью вторичных структур, образующихся в зоне трения. Рассеивание энергии во время трения связано с формированием устойчивых структур на контактной поверхности. Данный процесс можно рассматривать как пример использования самоорганизующихся явлений в технике.

Используя принципы неравновесной термодинамики, такой необратимый динамический процесс, как изнашивание, можно описать с помощью диссипа-тивной функции (ДФ) ¥т, представляющей собой скорость изменения АГУ, /¿/г энергии, затрачиваемой на трение и отнесенной к единице фактической площади контакта Аг. На основании термодинамического баланса ДФ получена математическая модель интенсивности изнашивания режущих инструментов Рг (г) У- //(/! + с) - Ь • 4 - 0,1 *60(т)^в

•'И --

V ■

{ \а HV.

НУФ

■erfP(r)

£ О)

где Рг (т) - тангенциальная составляющая силы резания; V - скорость резания;/ - коэффициент трения; 1\, с, b - соответственно приведенные длины и ширина контакта инструмента с обрабатываемой деталью; £ - продольная усадка стружки; HVU / НУф - отношение микротвердостей контактирующих поверхностей; а - показатель, учитывающий влияние температуры в (г) резания на микротвердость; erf (Р (г)) - вероятность отделения частицы износа; Рг - нормальная удельная нагрузка в зоне контакта; Е - модуль упругости ин-

струментального материала; стт - кратковременный предел текучести инструментального материала; р - коэффициент Пуассона, Je - безразмерные величины, учитывающие соответственно физико-механические свойства обрабатываемого материала и характер изменения температуры резания

Из уравнения (3) следует, что основными путями уменьшения интенсивности износа лезвийных режущих инструментов являются:

- снижение коэффициента трения/на фрикционном контакте с обрабатываемым материалом (за счет образования на рабочих поверхностях вторичных структур и фаз — продуктов самоорганизации трибосистемы, а также применения СОТС и переменности режима резания, способствующих этому явлению),

— повышение значения отношения твердости контактирующих поверхностей инструмента HVU и обрабатываемой детали ЯУф (за счет уменьшения зависимости физико-механических свойств кот актирующих поверхностей о г температуры в рабочей зоне - с учетом явлений самоорганизации при трении)

Температура в зоне резания может оказывать двоякое влияние на интенсивность изнашивания режущего инструмента: с одной стороны, повышение температуры снижает непосредственное действие силового фактора, а с другой стороны, повышение температуры приводит к образованию ira фрикционном контакте вторичных структур и фаз с соответствующим изменением физико-механических свойств. Следовательно, при создании инструментальных материалов и износостойких покрытий с эффектом самоорганизации при трении необходимо учитывать заданную область режимов резания и соответствующей этой области интервал температур резания. Например, износостойкие покрытия на инструменте из быстрорежущих сталей должны содержать соединения, образующие оксидные фазы при более низких температурах (до 400 - 500 °С), чем соединения в износостойких покрытиях для твердосплавного инструмента (работающего при температурах 700 - 900 °С).

Принимая во внимание термодинамические концепции, можно разделить весь спектр процессов, имеющих место при трении, на 2 группы: первая - нормальное трение (области 1, 2 на рис.1), и вторая — катастрофическое трение, уязвимое по повреждениям (область 3 на рис. 1). В течение всего периода работы в условиях нормального трения и износа макроскопических разрушений на поверхности трибопары не наблюдается. При этом caMoopi а-низация во время износа происходит благодаря способности трибопары организовывать спонтанно устойчивые упорядоченные структуры, которые защищают (экранируют) основной материал трибопары от непосредственного воздействия контртела. Периодически эти структуры уносятся с частицами износа и возникают вновь.

Результаты процесса самоорганизации можно оценить с помощью следующих показателей: уровня триботехнических характеристик самоорганизации (УТХС) и интервала (экранирующего эффекта) самоорганизации (ИС), которые определяют параметры трения и износа. Из этого следует, что целью контроля за трением и износом является повышение эффективности самоорганизации (снижение УТХС и расширение ИС).

Рис. 1. Диаграмма изменения показателей самоорганизации фрикционного контакта «инструмент - обрабатываемая деталь» при различных энергиях активации (fPr): 1 - область неустойчивого процесса;

2 - область самоорганизации; 3 - область повреждения

На основании вышеизложенного разработана экспериментально-аналитическая методология исследования эффективности использования инструментов с программируемыми свойствами самоорганизации при трении и износе, структурно-логическая схема которой приведена на рис. 2.

В третьей главе приведены данные об обрабатываемых и инструментальных материалах, применяемом оборудовании, а также описание методик экспериментальных исследований.

Для исследований были выбраны характерные представители обрабатываемых материалов, обладающих существенно различными физико-механическими свойствами, химическим и структурно-фазовым составами: конструкционные стали 45 (НВ 180 - 200) и 40Х (НВ 200 - 220); коррозионностой-кие стали - 14Х17Н2, 07Х16Н6, 12Х18Н10Т, а также жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы - 15Х18Н12С4ТЮ, ХН73МБТЮ - ВД.

— 1 1:(.20(1

— Л06

1— 90 ад

Интервал сймооршшимиии (ИС) (экранирующим фактор)

Уронен 1> три ботслнмчсски X

хириктернсгнк самоор|-аш(мини (УТХС)

Прочи а,11 (.ЩП т

— Ияримшр

Преч пор« Н Л1р [) _ ' Р.

Рис. 2. Структурно-логическая схема методологии исследования изнашивания режущих инструментов с программируемыми свойствами самоорганизации при трении

Из инструментальных материалов были выбраны, широко используемые в современном машиностроительном производстве - быстрорежущие стали: Р6М5, Р6М5К5, Р9К5, твердые сплавы группы ВК: ВК8, ВК6-М, ВКЮ-ОМ, ТК: Т15К6 и ТТК: ТТ8К6. При натурных испытаниях использовались четырехгранные пластины (12x12 мм) и цельные резцы, фрезы и сверла. Цилиндрическое фрезерование осуществлялось концевыми фрезами как из быстрорежущей стали, так и из твердосплавного материала (d = 12; 13 мм; z = 4; 5), а торцевое фрезерование однорезцовыми фрезами (d = 90 мм), оснащенными четырехгранными пластинами.

Режущий инструмент из экспериментальных марок материалов и покрытий для изучения явления самоорганизации трибосистемы при резании изготавливали и исследовали совместно со следующими организациями: НИИ-Чермет (г. Москва), НПЦ «Римет» (г. Москва), университетом «МакМастер» (г. Онтарио, Канада), «Balzers» (Лихтенштейн), «Cobelko» (Япония).

Помимо стандартных методик и оборудования для определения стойко-стных, силовых и температурных параметров, коэффициента усадки стружки в широком диапазоне изменения элементов режима резания как при использовании СОТС и износостойких покрытий на режущем инструменте, так и при нестационарном точении, в работе использовались следующие разработанные оборудование и методики:

- модернизированная установка для адгезионных исследований с учетом температуры и давления на фрикционном контакте, наличия СОТС и износостойких покрытий;

- установка для высокотемпературного градуирования естественных термопар «инструмент - деталь» с переменными силами нагружения и раз-гружения зоны контакта;

- методика исследования нестационарного резания при продольном точении на станке 16К20Т1 с ЧПУ по разработанным управляющим программам, позволяющим осуществлять непрерывное линейное изменение скорости и глубины резания, подачи инструмента с различными темпами как по величине, так и по знаку.

Эффективность применения экспериментального инструмента с программируемыми свойствами самоорганизации оценивали коэффициентом К„ износостойкости, как отношение периодов стойкостей экспериментального и базового инструментов.

Для исследования адгезионного взаимодействия применительно к условиям повышенных температур контакта были изготовлены инденторы, выполненные из более твёрдого материала (инструментального) фрикционной

пары в виде двустороннего сферического пуансона (при необходимости наносились покрытия) и два плоскопараллельных образца из более мягкого материала (обрабатываемого). Нагрев зоны контакта образцов и индентора осуществляется электроконтактным способом.

Металлографические исследования микроструктуры и химического состава поверхностного слоя режущего инструмента (в том числе с износостойкими покрытиями) и стружки проведены с использованием современной аппаратуры для электронной микроскопии (ПЭМ и СЭМ), вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС), оже-электронной спектроскопии (ОЭС - «ЛСА-8400»; «1ео1» 1ЕМ-201 ОЕ; спектрометр «ЕэсакЬ - МК2», оборудованного электронным прожектором 1Ж}200, ионным прожектором Авб и анализатором ионной массы 8С>300 квадроугольного типа; «Сашеса» модели М8-46.

В четвертой главе приведены результаты исследования трения и износа при резании металлов инструментами с высокой способностью к самоорганизации.

Вторичные структуры представляют собой тонкие пленки на поверхности трения, которые создаются в условиях высокой деформации при температурах нагревания, вызывающих диффузию при адсорбции, а также при различных реакциях разложения и ассимиляции. Прочность фаз (вф), которые появляются в результате этих синергетических процессов, изменяется по сравнению с прочностью базового материала (сто) в раз:

оф,Кк ■ а0. (4)

Коэффициент Ки характеризует эффект упрочнения материалов во время эксплуатации. Среди наиболее доступных и экономичных методов увеличения Кн являются методы химической модификации, т.е. методы изменения химического состава вторичной структуры. При оптимальных сочетаниях химических элементов Кк достигает максимальных величин.

В работе рассматриваются некоторые подходы воздействия на условия трения при резании металлов путем дополнительного легирования спеченных порошковых инструментальных материалов (СПИМ) нового поколения на основе быстрорежущей стали.

Первый подход предполагает снижение уровня триботехнических характеристик самоорганизации благодаря уменьшению коэффициента трения при рабочих температурах.

Установлено, что СПИМы на основе быстрорежущей стали, легированные карбидом титана, обладают высокой износостойкостью и их можно классифицировать как новый класс самоорганизующихся инструментальных материалов. В частности, к таковым можно отнести СПИМы, содержащие в

качестве твердой основы карбид титана, а быстрорежущую сталь (Р6М5) -как связующее (СПИМ + 20% ТЮ). Самоорганизация таких материалов проявляется в их способности образовывать устойчивые высокопрочные фазы (оксиды и нитриды), которые эффективно защищают поверхность от внешних воздействий при резании. При помощи оже-электронной спектроскопии (ОЭС) и спектроскопии вторичной ионной массы (ВИМС) было обнаружено, что в процессе резания карбиды титана превращаются в тонкие поверхностные пленки в виде соединения титана с кислородом (рис. 3 и 4). Это значительно улучшает фрикционные свойства при рабочих температурах резания (рис. 5) и повышает износостойкость режущего инструмента (рис. 6). Как показали исследования, износостойкость такого инструмента в 2 - 3,5 раза вы-

Рис. 3. Спектры ВИМС поверхности инструмента из спеченного порошкового материала (Р6М5 + 20% ТЮ) в зависимости от времени резания (точение стали 45; У= 55-60 м/мин; г = 0,5 мм; 5= 0,28 мм/об): а - после 4 мин.; б - после 20 мин.; в - после 24 мин

Суть второго принципа легирования состоит в расширении интервала самоорганизации с помощью устойчивой высокопрочной вторичной структуры (простых и сложных кислородосодержащих фаз на основе титана и бора), появляющейся на поверхности инструмента, что достигается, например, с помощью дополнительной присадки 2 % ВИ (рис. 7). Дополнительная присадка 5% А1203 практически не повлияла на состав вторичных структур. Легирование осуществлялось не добавлением того или иного элемента, а добавлением соединений нужной плотности и неустойчивости при рабочих температурах, что

позволило использовать соединения в относительно небольших количествах, с минимально возможным воздействием на качество объема. Применение обоих принципов дает возможность значительного увеличения износостойкости инструмента (например, с помощью присадки 20 % "ПСЫ (рис. 8)).

Дальнейшим совершенствованием режущих инструментов является нанесение на их рабочие поверхности многослойных износостойких покрытий. При этом каждый слой такого покрытия должен формироваться с учетом изменения механизма изнашивания в периоды приработочного, нормального (устойчивого) и катастрофического износа.

Состояние поверхности подложки перед нанесением твердых покрытий влияет на прохождение нормальной стадии износа инструмента и на прочность сцепления с подложкой.

Рис. 4. Оже-спектры поверхности обрабатываемого материала (сталь 45): а) - после 2 минут резания; б) - после 20 минут резания. (Условия резания см. рис.2)

Р„

0.2

0.1 0

МПа

400 300 200 100

Р„. МПа

2000 1000

Рис. 5. Влияние температуры на триботехнические свойства материалов: • ■ - СПИМ + 20 % НС; О • - Сталь 45 (НВ 180...200); О О - Р6М5; О ■ - Сталь 45 (ИКС 30..32)

л..

мм ОД

0,1

О

Рис. 6. Зависимость износа по задней поверхности от периода стойкости инструмента при точении стали 45 (У= 55 - 60 м/мин; Г = 0,5 мм; 5 = 0,28 мм/об): 1 - Р6М5; 2 - Р12МЗФ2К5; 3 - Р6М5 + 20% ТЮ

Исследовано влияние 16-ти химических элементов и четырех антифрикционных материалов, имплантированных в базовую поверхность, на износостойкость резца из быстрорежущей стали с техническим (ПСг)Ы покрытием поверхности. Установлено, что ведущие позиции в износостойкости инструмента занимают покрытия с модифицированным нижним слоем из элементов с высокими антифрикционными свойствами.

т) Ас-о 6}

усл. ■

сд1ш. J \ V Ti-O / ' \ / ■ Л Л^TV 1 1 \ /«

■ ' ' | i ^

Рис. 7. Преобразования Фурье расширенной тонкой структуры спектров в пределах диапазона в 250 эВ, близких к линии эластичного рассеивания

электронов с первичной энергией Е = 1500 В, электроны рассеиваются с поверхности кратера износа в режущем инструменте, изготовленном из: а - быстрорежущей стали; б - СПИМ; в - СПИМ с примесью BN

У

1 j У

/

. V /

О 10 20 30 Т. чин

Рис. 8. Влияние времени обработки на износ режущего инструмента по задней поверхности: 1 - СПИМ + 20% "ПС; 2 - СПИМ + 20% НС + 2% ВЫ; 3 - СПИМ + 15% ТЮ + 5% А1203; 4 - СПИМ + 20% Т1СИ (точение стали 45; 70 м/мин; < = 0,5 мм; 5 = 0,28 мм/об)

Компромисс между высокой износостойкостью и надежностью покрытия, который зависит от степени сцепления с подложкой, достигается в мно-

гослойном покрытии, которое содержит нижний слой, обогащенный индием (табл. 1). Индий присутствует в нижнем слое покрытия как в металлическом, так и в связанном состояниях (1п - Ы). Положительное воздействие индия на износостойкость связано с двумя типами явлений, возникающих на трущейся поверхности. Индий при нагреве в процессе резания частично переходит в жидкое состояние и частично окисляется (о чем свидетельствуют данные металлографических исследований). Жидкая фаза как смазка ведет к уменьшению коэффициента трения. Кислородосодержащие фазы, защищающие поверхность, способствуют продлению стадии нормального трения, значительно повышая износостойкость инструментов.

Рассмотрена возможность улучшения "дуплексных" покрытий, полученных методом ФОП (физического осаждения покрытия) и нанесенных при двойной обработке поверхностного слоя инструмента. Данная технология включает диффузионное насыщение подложки азотом, известное как ионное азотирование инструментов из быстрорежущей стали, и нанесение твердых покрытий (Т1,Сг)К методом ФОП.

Исследуемое покрытие содержит дополнительный модифицированный (с помощью ионного смешивания) слой, при этом ионное смешивание осуществлялось на предварительно насыщенной ионами азота поверхности из быстрорежущей стали.

Исследовано влияние на период стойкости инструмента пяти пар элементов, которые были добавлены в виде ионной смеси в основную поверхность подложки из быстрорежущей стали. Как видно из табл. 2, наилучшая износостойкость получена для "триплексного" покрытая с подложкой, содержащей ионную смесь (П+Ы).

Наибольший эффект увеличения периода стойкости инструмента достигнут при образовании в процессе резания ионно-модифицированным слоем аморфно-подобной структуры, имеющей более низкий коэффициент трения и улучшенную способность накопления энергии упругой деформации (рис 9), которые предотвращают глубокое повреждение поверхности. Такая структура реализуется, когда применяется слой, модифицированный смесью Н+Ы с помощью ионного смешивания. При резании трибопленки, содержащие кислород, интенсивно развиваются на поверхности ионно-модифицированного слоя, защищая режущий инструмент от износа, что позволяет продлить устойчивую нормальную стадию износа и значительно увеличить период стойкости инструмента.

Для исследования возможности снижения приработочной стадии изнашивания быстрорежущую сталь Р6М5 упрочняли по «дуплексной» технологии (ионное азотирование, а за ним - ПК - ФОП покрытие). «Дуплексное»

покрытие затем было модифицировано нанесением на поверхность ПФГТЭ (перфторполиэфир 2-ЕЮЬ) слоя.

Таблица 1

Износостойкость резцов с модифицированным поверхностным слоем (ионная имплантация)

Коэффициент Коэффициент

Группа Материал Состав адгезии к под- Ки износостойкости

элементов ложке с модифи- при резании

кацией Без СОЖ С СОЖ

Поверхность, модифицированная ионной имплантацией

О 0,25 0,9 1,25

Элементы с высокой N 0,41 2,0 1,83

степенью окисления 1 0,7-0,8 3,2 0,7

С1 - 1,8 -

В 0,6 1,2 0,65

2 Неметаллы С 0,6 1,7 0,83

» - 0,7 0,6

3 Металлы

1л 0,6 2,4 2,1

А) Легкоплавкие Мё 0Д5 3,0 0,08

Бп 0,6 0,8 0,7

Оъ - 2,0 -

Б) С гексагональной Со 0,5 1,8 0,13

решеткой

В) Образующие А1 0,4 0,15 1,3

устойчивые оксиды Сг 0,6 ОД 1,2

П С низким Си 0,55 1.0 2,5

коэффициентом трения А8 0,4 3,1 2,7

Поверхности, модифицированные антифрикционными сплавами

(ионная имплантация)

Й1-А1-Си9- 1,5 ГОСТ Ъп + А1(9%) + 0,44 1,98

21437 - 75 Са(2%)

Бронза 8-12 Си + РЬ(11%) + вп(9%) 0,4 0,95 -

4 Баббит БК - 2 ГОСТ 1320-74 РЬ + Бп(1,5%) 0,35 0,6 -

А1 - Бп - Си А020 - 1 ГОСТ 14113-69 А1 + Бп(20%) + Си(1%) + §¡(0,5%) 0,3 0,4 -

Таблица 2

Относительный период стойкости режущего инструмента с тригшексным покрытием (V = 70 м/мин; в = 0,28 мм/об; г = 0,5 мм; сталь 40Х)

Элементы смешивания А1 + 0 Т1 + К гг+к W + N

к„ 3,0 4,0 0,53 0,4 1,33

'У

Ч]

О 0,5 1 1.5 2 2 5 *

Глубина вдавливания, чкм

Рис. 9. Коэффициент упругой деформации в зависимости от глубины вдавливания индентора для образцов из быстрорежущей стали: 1 - после ионного азотирования; 2 - после ионного азотирования + ионное смешивание (Т1+М)

Были исследованы трибологические характеристики покрытий и изменения в составе и микроструктурных характеристиках инструментальной поверхности с многослойным покрытием. Рассмотрен процесс самоорганизации, который происходит во время обработки металлов резанием на стадии приработочного износа поверхности режущего инструмента с многослойным покрытием. Установлено, что во время такого процесса самоорганизации происходят одновременно следующие явления: а - триборасщепление (распад) тонкого поверхностного слоя; б - формирование устойчивого аморфо-подобного защитного слоя (типа ТЧ - О и "П - Б) на инструментальной поверхности. Процессы самоорганизации способствуют улучшению износостойкости во время приработочной стадии износа, что ведет к повышению в 2-3 раза износостойкости резцов и концевых фрез.

В последнее время все большее применение в технике получают нано-технологии, повышающие эксплуатационные качества изделий. Выявлено, что основное преимущество метода физического осаждения покрытия (ФОП) с магнитно-дуговой фильтрацией (МДФ) состоит в значительном измельчении зерна, которое ведет к формированию нанокристаллических структур (с размером зерна примерно 60 - 80 им) покрытий. Данный метод позволяет повысить износостойкость покрытий из композита нитрида титана и алюминия (Т1А1)Ы в условиях высокоскоростной обработки (рис. 10), когда преобладает окислительный износ режущего инструмента.

Образование пленок оксида алюминия на поверхности резца значительно изменяет тепловые потоки и отвод тепла в стружку, что можно проиллюстрировать на изображении поперечных сечений стружек после сканирования на электронном микроскопе, как показано на рис. 11. На этих сечениях

стружки можно выделить три различные зоны. Известно, что динамическая рекристаллизация контактной области стружки происходит во время резания (зона 3). Большая часть теплового потока, которая переходит в стружку, вызывает интенсивную рекристаллизацию материала в этой зоне, что находит свое выражение в укрупнении зерен стружки внутри приконтактной зоны.

/. ч 20000

15000

10000

5000

о

250 300 350 400 450 К м/ммн

Л„ мм 0.3

0,2

0,1

0,0

Рис. 10. Результаты стойкостных исследований при точении стали 40Х резцами

1Т8К6 с различными покрытиями (5-0,11 мм/об; / = 0,5 мм): а) - влияние скорости резания на путь резания (при Ь3 = 0,3 мм); б) - влияние пути резания на износ инструмента по задней поверхности (при У= 450 м/мин)

На рис. 11, а, б показана рекристаллизация зоны контакта со стружкой для инструмента с обычными (Т1А1)Ы покрытиями, тогда как на рис. 11, в, г представлены подобные изображения для инструментов с фильтрованными покрытиями. Из этого рисунка видно, что более интенсивная рекристаллизация контактирующей зоны наблюдается для фильтрованных покрытий.

1 1 1

—а— без покрытия —обычное —о— фильтрованное (Т1А1)Н

Д)

Рис. 11. Фотоснимки поперечного сечения стружки на просвечивающем электронном микроскопе (V-450 м/мин): а, б - обычное покрытие; в, г - фильтрованное покрытие; д - схема стружкообразования (1 - внешняя поверхность стружки; 2 - расширенная зона деформации; 3 - надрезцовая зона)

В пятой главе представлены результаты исследования влияния СОТС и переменности элементов режима точения на повышение способности самоорганизации и снижения износа резцов.

Изучение вторичных фаз, образовавшихся на контактных поверхностях фрикционной пары «инструмент - обрабатываемая деталь» показало, что в основе своей они являются оксидами. Поэтому любые воздействия на зону резания, способствующие образованию оксидов, должны повышать способность трибосистемы резания металлов к самоорганизации и приводить к снижению интенсивности износа режущих инструментов.

Проведенные исследования подтвердили наиболее высокую эффективность применения «сухого» электростатического охлаждения (СЭО) (рис. 12). Определены рациональные режимы работы установки и схемы подвода озонированного воздуха в контактную зону при лезвийной обработке резанием для обеспечения повышения износостойкости инструмента и улучшения санитарно-гигиенических условий труда в производстве. Выявлено, что наиболее существенно проявляется эффект при обработке коррозион-ностойких сталей и сплавов.

Рис. 12. Влияние скорости резания на температуру и относительный линейный износ резцов из ВК6М при точении 12Х18Н10Т (5= 0,11 мм/об; / = 0,5 мм; • - всухую; □ - сжатый воздух; Д-СОЖМР-3; о-СЭО)

60 70 80 90 100 110 120 V, h'viih Исследования показали, что зависимость интенсивности износа резцов от температуры резания при стационарном и нестационарном точении носит экстремальный характер, с минимумом при одной и той же температуре, названной как оптимальная (рис. 13). На зависимости hon -f(ß) при нестационарном точении можно выделить три участка: I участок - до оптимальной температуры (601ГГ), П участок - от оптимальной до критической температур (вир), ГП участок - выше критической температуры.

Рис. 13. Зависимости относительного линейного износа резцов из ВК8 от температуры резания при точении стали 15Х18Н12С4ТЮ (5 = 0,1 мм/об; t = 0,5 мм): □ - а„ = 0; Д - av < 0; о - а, > 0

Из рис.13 видно, что:

- интенсивность износа резцов при переменности элементов режима точения (с ускорением или замедлением ак) значительно меньше, чем при стационарном;

— переменность элементов режима точения приводит к появлению температурного диапазона 0от. - в котором наблюдается наиболее низкая интенсивность износа резцов.

Эти явления объясняются интенсификацией образования на контактных поверхностях инструмента вторичных фаз в виде устойчивых оксидов.

В шестой главе приведены результаты практической реализации результатов исследования.

Предложен и апробирован ускоренный способ определения оптимальных режимов нестационарного точения (патент на изобретение № 2207935). Реализация данного способа позволяет сократить на 20 - 30 % время на технологическую подготовку производства (ТОП) для станков с ЧПУ и АдСУ.

Практические результаты реализованы при разработке технологического процесса изготовления дисков и вала компрессора изделия ТА 12-60 (ФГУП УАП «Гидравлика»): представленные технико-экономические критерии, которые подтвердили эффективность нестационарного точения при форсировании элементов режимов резания на 15 - 20 %; комплексное применение износостойких покрытий с эффектом самоорганизации и СЭО позволило повысить период стойкости режущего инструмента в среднем на 60% при сохранении качества поверхностного слоя деталей. На Туймазинском заводе автобетоновозов при выпуске конкурентоспособной продукции достигнуто повышение износостойкости режущего инструмента в 2,5 - 4 раза, в ОАО «Стерлитамак - М.Т.Е» при обработке ряда деталей повышена скорость резания на 35 - 40 %.

Приведено описание информационной базы данных по триботехническим

и технологическим характеристикам (ИБД ТТХ) пары «инструмент - обрабатываемая деталь», в том числе с СОТС и износостойкими покрытиями. ИБД ТТХ представлена в виде пакета программ для ПЭВМ, которые рекомендованы ОКБ, НИИ и промышленным предприятиям, занятым созданием новой техники, разработкой новых инструментальных материалов и покрытий. ИБД ТТХ содержит сведения по технологическим и триботехническим характеристикам для 11-ти групп материалов, обработанных по 22-м различным технологиям с использованием 8-ми групп смазок и 14-ти типов износостойких покрытий.

Основные выводы и результаты работы

1. Получена математическая модель изнашивания режущего инструмента, позволяющая определить пути снижения интенсивности износа режущего инструмента за счет использования триботехнических, теплофизических и прочностных свойств вторичных фаз, образовавшихся на поверхностях контакта «инструмент - обрабатываемая деталь» в результате самоорганизации при трении.

2. Разработана методология комплексной оценки эффективности выбора и применения инструментов и условий резания с программируемыми свойствами самоорганизации при трении.

3. Показано, что СПИМы на основе быстрорежущей стали, дополнительно легированные карбидом титана, обладают высокой износостойкостью и могут рассматриваться как новый класс самоорганизующихся инструментальных материалов. В процессе резания наблюдается преобразование карбидной фазы в устойчивые вторичные структуры, имеющие форму соединений из титана и кислорода, что способствует значительному улучшению фрикционных свойств при рабочих температурах и приводит к повышению износостойкости режущего инструмента в 2,0 - 3,5 раза по сравнению с износостойкостью инструмента из обычных быстрорежущих сталей.

4. Предложена концепция явления самоорганизации в СПИМ на основе быстрорежущей стали, позволившая разработать и апробировать подходы к дополнительному легированию этих инструментальных материалов. Первый подход заключается в снижении коэффициента трения при рабочих температурах контакта (например, за счет легирования Т)С). Второй подход связан с расширением интервала самоорганизации с помощью устойчивых высокопрочных вторичных фаз (в виде соединений 'П и В с кислородом и азотом), развивающихся на поверхности инструмента (например, при дополнительном легировании 2% ВМ). Оба подхода можно реализовать, например с помощью присадки 20% Т1СЫ.

5. Установлено, что повышение износостойкости поверхности (в 2,1 -

2,4 раза), формирующейся в результате двухступенчатого упрочнения поверхностного слоя инструмента (путем нанесения износостойкого покрытия со сложно легированными нитридами (Т5,Сг)Ы на дополнительный модифицированный нижний слой, полученный ионной имплантацией поверхности быстрорежущей стали, предварительно подвергшейся азотированию в тлеющем разряде ионов азота), связано в основном с расширением интервала самоорганизации и стадии нормального износа. Оптимальное сочетание высокой прочности и надежности (характеризуемых высокой адгезией покрытия к основанию) проявляется в многослойном покрытии с нижним слоем, обогащенным индием 1п, который способствует образованию аморфно-подобных структур 1п - N и 1п - О.

6. Установлено, что «дуплексные» покрытия, включающие ионное азотирование нижнего слоя из быстрорежущей стали с последующим нанесением ФОП ТШ покрытия, верхний слой которого модифицирован с помощью с ПФПЭ (перфторполиэфира), обеспечивают высокую износостойкость режущего инструмента. На начальной стадии износа режущего инструмента ПФПЭ как смазка уменьшает фрикционный параметр и значительно уменьшает повреждение поверхности инструмента. В процессе резания нитрид титана твердого покрытая окисляется, образуя защитный экранированный слой. Трибо-разложение «7,-ООТ» ведет к появлению фтористого соединения на основе титана, который повышает защитную способность поверхностного слоя. Оба эти эффекта приводят к повышению износостойкости «дуплексного» покрытая.

7. Показано, что основное преимущество магнитно-дуговой фильтрации при нанесении покрытая методом ФОП - значительное измельчение зерен (Т1А1)Ы, которое приводит к образованию поверхностного слоя с размером зерен около 60 - 80 нм, т.е. в пределах наношкалы, и обеспечивает возможность использования режущего инструмента с таким покрытием в условиях высокоскоростной обработки резанием с увеличением износостойкости режущего инструмента в 3 - 4 раза. Оксидные слои, которые образуются на поверхности нанокристаллических фильтрованных (ПА1)Ы покрытий при высокоскоростном резании, в основном состоят из защитных тонких пленок, подобных оксиду алюминия, и имеющих аморфно-кристаллические структуры. Сложная структура этих пленок оказывает благотворное влияние на снижение износа режущих инструментов.

8. Установлено, что СОТС (особенно СЭО) и переменность элементов режима резания могут быть использованы в качестве факторов для снижения уровня триботехнических характеристик самоорганизации и изнашивания режущего инструмента.

9. Разработанная информационная база данных по триботехническим и технологическим характеристикам позволяет оперативно с помощью компьютерных программ автоматизировать и оптимизировать по износостойкости выбор инструментальных материалов, износостойких покрытий, СОТС и режимов резания.

10. Результаты работы внедрены на машиностроительных предприятиях в виде рекомендаций по проектированию, созданию и применению инструментальных материалов и многослойных износостойких покрытий для режущего инструмента с эффектом самоорганизации, а также по режимам СЭО и схемам подвода ионизированного воздуха в зону резания. Результаты работы используются также в учебном процессе УГАТУ (в виде отдельных разделов учебного пособия с грифом УМО).

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. М.Ш. Мигранов. Управление контактными процессами при обработке резанием инструментом с многослойным износостойким покрытием // Приводная техника.-2004.-№3.~С. 8-11.

2. М.Ш. Мигранов. Управление приводами главного движения и подачи инструмента при нестационарном точении // Приводная техника. - 2004. -Xsl.-С. 57-60.

3. М.Ш. Мигранов. Повышение эффективности процесса резания металлов при использовании инструментов с износостойкими покрытиями И Вестник УГАТУ. Уфа. - 2005. - Т. 6. № 2 (13). - С. 36 - 42.

4. М.Ш. Мигранов. Интенсификация процессов лезвийной обработки резанием на станках с ЧГГУ и АдСУ // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. Машиностроение. - 2005. -№1.- С. 70 - 75.

5. М.Ш. Мигранов. Исследование износостойких покрытий для режущего инструмента с нанокристаллической структурой // Известия вузов. Машиностроение. - 2005. - № 1. - С. 56 - 62.

6. М.Ш. Мигранов. Исследование износостойкости спеченных порошковых инструментальных материалов на основе быстрорежущей стали // Известия ТулГУ. Сер. Инструментальные и метрологические системы. Вып. 1. 4.2. - Тула: Из-во ТулГУ, 2005. - С. 113 - 118.

7. М.Ш. Мигранов. Модель напряженного состояния режущего инструмента при нестационарном точении // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. Машиностроение. - 2005. -№ I.-C. 65-70.

8. М.Ш. Мигранов. Термодинамические условия нестационарного точения // Технология машиностроения. - 2005. -№ 3. - С. 14-18.

9. М.Ш. Мигранов. Исследование износа резцов из спеченных порошковых инструментальных материалов на основе быстрорежущей стали, легированных карбидом титана // Вестник УГАТУ. Уфа. - 2005. - Т. 6. № 2 (13). -С. 43 - 50.

10. М.Ш. Мигранов. Исследование и моделирование теплофизических явлений при обработке резанием / М.Ш. Мигранов, Р.И. Ахметшин, Ю.В. Лукащук // Известия ТулГУ. Сер. Инструментальные и метрологические системы. Вып. 1.4.1.-Тула: Из-во ТулГУ, 2005. - С. 110-114.

11. М.Ш. Мигранов. Исследование контактных процессов при обработке деталей газотурбинных двигателей / М.Ш. Мигранов, В.В. Постнов, Л.Ш. Шустер // Техника машиностроения. - 2001. № 5. - С. 103 - 106.

12. М.Ш. Мигранов. Триботехнические свойства наноструктурных титановых сплавов / М.Ш. Мигранов, Л.Ш. Шустер // Известия вузов. Машиностроение. М. - 2003. - № 9. - С. 39-43.

13. М.Ш. Мигранов. Износостойкость инструмента с многослойным покрытием при обработке деталей ГТД / М.Ш. Мигранов, Л.Ш. Шустер // Вестник СГАУ им. акад. С.П. Королева. Труды межд. н-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития двигателестроения». - Самара, СГАУ. - 2003. 4.2. -С. 410-415.

14. М.Ш. Мигранов. Пути повышения эффективности механической обработки резанием / М.Ш. Мигранов, Л.Ш. Шустер // Технология машиностроения. - 2004. - № 5. - С. 19 - 22.

15. М.Ш. Мигранов. Износостойкость режущего инструмента с многослойными покрытиями / М.Ш. Мигранов, Л.Ш. Шустер // Трение и износ, Том 26. - 2005. - № 3. - С. 304 - 307.

16. М.Ш. Мигранов. Экспериментальное исследование износостойкости фильтрованных наноструктурных покрытий для режущего инструмента / Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мшранов // Известия ТулГУ. Сер. Инструментальные и метрологические системы. Вып. 1.4.2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - С. 118 - 123.

17. М.Ш. Мигранов. Влияние элементов режима резания на формоизменение контактных поверхностей инструмента / Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов, В.В. Постнов // Известия Томского политехи, университета. - г Томск, 2002. - Вып. I., Т. 305. - С. 125 - 129.

18. М.Ш. Мигранов. Износостойкие покрытия для металлорежущего инструмента / Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов, В.В. Постнов // Известия Томского политехи, университета. - г. Томск, 2002. - Вып. I., Т. 305. - С. 129 - 132.

19. М.Ш. Мигранов. Трибологические свойства ультрамелкозернистого титана, полученного методом интенсивной пластической деформации / JIШ. Шустер, М.Ш. Мигранов, В.В. Столяров // Весшик машиностроения. - 2004. -№7. с. 37-40.

20. М.Ш. Мигранов. Триботехнические характеристики титана с ультрамелкозернистой структурой / JI.III. Шустер, М.Ш. Мигранов, С .Я. Садыко-ва, С.В. Чертовских // Трение и износ. - 2005. - С. 208 - 214.

21. М.Ш. Мигранов. Интенсификация процесса металлообработки на основе использования эффекта самоорганизации при трении. / М.Ш. Мигранов, Л.Ш. Шустер //- М.: Машиностроение, 2005. - 202 с.

22. М.Ш. Мигранов. Способ ускоренного определения оптимальных режимов нестационарного резания / М.Ш. Мигранов, В.В. Постнов, Е.А. Шарапов // Патент на изобретение № 2207935 от 10.07.2003 Российское агентство по патентам и товарным знакам, г. Москва.

23. М.Ш. Мигранов. Прибор для исследования адгезионного взаимодействия / Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов // Патент на полезную модель № 34249.-М. от 27.11.2003 г.

24. М.Ш. Мигранов. Информационная база данных по триботехниче-ским характеристикам в машиностроении / Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов, Н.К. Криони // Свидетельство об официальной регистрации базы данных № 2004620214 от 31.08.04 г.

25. М.Ш. Мигранов. Комплекс программ по формированию и ведению информационной базы данных по триботехническим характеристикам в машиностроении «TRIBO» / Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов, Н.К. Криони // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. № 2004612001 от 31.08.04 г.

26. М.Ш. Мигранов. Программа определения температурных полей в зоне резания «TempPole» / М.Ш. Мигранов, A.A. Степанов // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. № 2004611394 от 04.06.04 г.

27. М.Ш. Мигранов. Программа планирования эксперимента при определении температурных зависимостей «PLAN» / М.Ш. Мигранов, A.A. Степанов // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. № 2004611347 от 01.06.04 г.

28. М.Ш. Мигранов. Идентификация процесса резания в условиях нестационарности его температурно-силовых параметров / Проблемы механики и управления: Сб. статей Уфимского научного центра РАН. - Уфа: Изд. Уфимск. авиац. ин-та, 1994. - С. 96 - 103.

29. М.Ш. Мигранов. Управление интенсивностью износа режущего инст-

румента при нестационарном точении / В.Ц. Зориктуев, В.В. Постнов, М.Ш. Ми-гранов, O.A. Круптов // Вестник Верхневолжского отд. акад. технол. наук РФ -Рыбинск: Изд-во Рыбинск, гос. авиац. технол. акад., 1995. - Вып. 2. - С. 34 - 41.

30. М.Ш. Мигранов. Минимизация интенсивности износа режущего инструмента при нестационарном точении / Оптимальное управление меха-тронными станочными системами: Межвуз. сб. науч. тр. - Уфа: Изд Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. - 1999. - 4.2. - С. 46 - 49.

31. М.Ш. Мигранов. Оптимизация изнашивания лезвийного инструмента при обработке жаро- и особопрочных материалов / М.Ш. Мигранов, В.В. Постнов // Актуальные проблемы машиностроения. Материалы I Международной науч.-техн. конф. - Владимир, 2001. - С. 121 - 123.

32. М.Ш. Мигранов. Триботехническое исследование покрытий с многослойной структурой / Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов, В.В. Постнов // Материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. «Новые технологии управления движением технических объектов». - Новочеркасск, 2001. - Т. 2. - С. 117 - 120.

33. М.Ш. Мигранов. Триботехнические испытания износостойких покрытий для металлорежущего инструмента / М.Ш. Мигранов, В.В. Постнов, Л.Ш. Шустер // Сб. трудов П Междунар. симпозиума по транспортной триботехнике. - С-Петербург, 2002. - С. 260 - 264.

34. М.Ш. Мигранов. Управление тепловыми потоками при лезвийной обработке резанием /М.Ш. Мигранов, Л.Ш. Шустер // Международная науч.-техн. конф. Новые технологии управления движением технических объектов. Сб. науч. трудов. - Новочеркасск, 2002. - Ч. 2. - С. 60 - 61.

35. М.Ш. Мигранов. Исследование износостойкости режущего инструмента с многослойным покрытием // Инструмент и технологии. - С-Петер-бург, 2003. - № 13. - С. 122 - 125.

36. М.Ш. Мигранов. Исследование триботехнических свойств материалов и покрытий с ультрамелкозернистой структурой / Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов, Р.И. Ахметшин, C.B. Чертовских // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике. - Матер. П Междунар. науч.-практ. конф. - Новочеркасск. ЮРГТУ (НПИ). 2003. - С. 39 - 42.

37. М.Ш. Мигранов. К вопросу управления интенсивностью износа режущего инструмента / М.Ш. Мигранов, Р.И. Ахметшин // Материалы международ. науч.-практ. симпозиума «Интегрированное научно-техническое обеспечение качества трибообъектов, их производства и эксплуатации». «Славян-трибо-VI» (20 - 24.09.04). - С-Петербург, 2004. - 4.2. - С. 392 - 397.

38. М.Ш. Мигранов. Компьютерное моделирование теплофизических явлений при лезвийной обработке резанием / Р.И. Ахметшин, Ю.В. Лукащук,

M.HL Мигранов, Л.Ш. Шустер // Авиационно-технологические системы: Межвуз. Сб. науч. тр. / Под общ.ред. М.А. Алферов. - Уфа: Изд-во УГАТУ, 2004. - С. 96 - 100.

39. М.Ш. Мигранов. Исследование эксплуатационных свойств режущего инструмента с износостойкими покрытиями / Журнал «1нструментальний cbít». - Киев, Украина, 2004. - № 4. - С. 29 - 32.

40. М.Ш. Мигранов. Износостойкие покрытия для высокоскоростной обработки. 4.1. Использование магнитно-дуговой фильтрации для формирования нанокристаллической структуры металлических покрытий / М.Ш. Мигранов, Л.Ш. Шустер, С.Г. Фукс-Рабинович // «1нструментальний cbít». - Киев, Украина. - 2005. - № 1(25).- С. 12 -14.

41. М.Ш. Мигранов. Износостойкие покрытия для высокоскоростной обработки. 4.2. Свойства металлических филированных покрытий с нанокристаллической структурой / M.1IL Мигранов, Л.Ш. Шустер, С.Г. Фукс-Рабинб-вич// «Гнструментапьний cbít». - Киев, Украина. - 2005. - № 2(26). - С. 10- 14.

42. М.Ш. Мигранов. Смазки и их применение в машинах и при формообразовании поверхностей в мехатронных станочных системах / М.Ш Мигранов, Н.К. Криони, Л.Ш. Шустер / Учебное пособие с грифом «Учебно-методического объединения вузов по университетскому политехническому образованию». - М.: МАИ, 2004. - 173 с.

43. М.Ш. Мигранов. Обеспечение минимума интенсивности износа режущего инструмента при переменных элементах режима резания / Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов II Инструмент и технологии. - С-Петербург. -

2003.-№ 14. - С. 203-205.

44. М.Ш. Мигранов. Исследование снижения коэффициента трения в ультрамелкозернистом титане / Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов, В.В. Столяров, Ю.Т. Жу // Материалы науки и инженеринга. - Лос-Аламос, США. -

2004. - С. 313-317 (опубликовано на английском языке).

45. М.Ш. Мигранов. Нанокристаллические ФОП-покрытия для высокоскоростной обработки резанием / С.Г. Фукс-Рабинович, Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов и другие // Поверхность и технологии покрытий. США. № 177 — 178.2004.-С. 800-811.

46. М.Ш. Мигранов. Упругая и пластическая энергия вдавливания как характеристика износостойкости режущего инструмента с нитридными ФОП-покрытиями резанием / С.Г.Фукс - Рабинович, Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов и другие // Тонкие пленки и покрытия. США. № 469 - 470. 2004. -С. 505 - 512 (опубликовано на английском языке).

МИГРАНОВ Марс Шарифуллович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ И УСЛОВИЙ РЕЗАНИЯ С ВЫСОКИМИ СПОСОБНОСТЯМИ К САМООРГАНИЗАЦИИ

Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 24.11.05. Формат 60x84 1/16. Печать плоская. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman Cyr. Усл. печ. л. 2,0. Усл. кр. - отт. 1,9. Уч. - изд. л. 1,9. Тираж 100 экз. Заказ № 540.

ГОУВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа - центр, ул. К. Маркса, 12

02536*

РЫБ Русский фонд

2006-4 29754

«