автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение надежности и работоспособности минералокерамического режущего инструмента путем совершенствования износостойких покрытий

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ . ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ . 7

1.1. Обзор применяемого минералокерамического инструмента . 7

1.2. Вопросы упрочнения минералокерамического инструмента . 11

1.3. Влияние внешней среды на стойкость и производительность минералокерамического режущего инструмента. 20

1.4. Современные технологические методы повышения работоспособности режущего инструмента. 24-

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ . 34

2.1. Общая методика исследований . 34

2.2. Методы металлографического и металлофизического анализа . 37

2.3. Методы определения характеристик процесса резания и стойкости режущего инструмента. 39

2.4. Статистическая обработка результатов экспериментов . 42-

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНО - ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ , ПРОТЕКАЮЩИХ НА КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ИНСТРУМЕНТА ПРИ РЕЗАНИИ. 44

3.1. Фрактографические исследования площадок износа на инструменте . 44

3.2. Микрорентгеноструктурные исследования контактных поверхностей . 57

Выводы из третьей главы . 63

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ , НАДЕЖНОСТЬ И РАБОТОСПОСОБНОСТЬ МИНЕР А-ЛОКЕРАМИЧЕСКОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА . 65

4.1. Влияние покрытий на усадку стружки . 65

4.2. Влияние покрытий на шероховатость обработанной поверхности . 66

4.3. Разработка требований , предъявляемых к износостойким покрытиям на основании анализа физико - химических процессов , протекающих на контактных поверхностях при резании. 69

4.4. Надежность минералокерамического режущего инструмента . 71-75 Выводы из четвертой главы

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ФИЗИКО - МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КИНЕТИКИ РАЗРУШЕНИЯ МИНЕРАЛОКЕРАМИЧЕСКОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА . 77-85 5.1. Разработка физико - математической модели разрушения минералокерамического режущего инструмента с использованием обобщенной функции повреждаемости К9 ( о ) инструментального материала . 77-85 Выводы из пятой главы . 86 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ . 87-88 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ . 89-99 ПРИЛОЖЕНИЯ 100

Металлические детали машин , приборов и других изделий получают отливкой металла в формы , обработкой металла давлением ( прокатка , ковка , штамповка ) , использованием лазерных лучей , плазмы , электрохимической и электрофизической обработкой , а также обработкой резанием . В настоящее время доля обработки металлов резанием в машиностроении составляет около 35% и , следовательно , оказывает решающее значение на темпы развития машиностроения . В связи с этим заметно возрастает роль режущего инструмента , в значительной степени определяющего производительность и экономичность производства .

В настоящее время большое внимание стало уделяться минералокерами-ческим режущим инструментам . Основной особенностью режущей керамики является отсутствие связующей фазы , что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве в процессе изнашивания , повышает прочность , что и предопределяет возможность применения высоких скоростей резания ( V = 600 - 1000 м / мин. ) , намного превосходящих скорости резания инструментами из твердого сплава.

С появлением новых труднообрабатываемых материалов появилась необходимость в увеличении стойкости минералокерамического режущего инструмента и повышения качества обрабатываемой поверхности.

Основным способом увеличения стойкости режущего инструмента из минералокерамики является нанесение на него износостойких покрытий . Проблемы исследований влияния минералокерамического режущего инструмента с износостойкими покрытиями на эффективность обработки металлов резанием не доста точно изучены . Также не изучены физико - химические процессы протекающие на контактных поверхностях режущей керамики с покрытиями .

Поэтому изыскание путей повышения износостойкости и надежности минералокерамического режущего инструмента на основании анализа механизмов его микроразрушения является актуальной задачей .

Автор защищает диссертационную работу на тему : " Повышение надежности и работоспособности минералокерамического режущего инструмента путем совершенствования износостойких покрытий " . Данная работа имеет следующую научную новизну :

- выявлен микромеханизм изнашивания минералокерамического режущего инструмента с нитридотитановым покрытием ;

- сформулированы требования к составу покрытий , наносимых на минерало-керамический режущий инструмент;

- установлено влияние кислорода из внешней среды на характер изнашивания и разрушения минералокерамического режущего инструмента ;

- разработана физико - математическая модель разрушения минералокерамического режущего инструмента при воздействии внешней среды с использованием обобщенной функции повреждаемости К 9 (а ) инструментального материала.

Диссертационная работа выполнена на кафедре " Технологии машиностроительного производства " Ивановской государственной текстильной академии . Ее тема является составной частью исследовательской тематики кафедры .

Диссертация состоит из введения , пяти глав с введением , заключения , списка литературы из 101 наименования и приложения . Общий объем работы составляет 100 страниц машинописного текста, включая 13 рисунков и 6 таблиц .

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ :

Проведенный комплекс исследований по проблеме повышения работоспособности и надежности минералокерамического режущего инструмента путем совершенствования износостойких покрытий позволяет сделать следующие выводы :

1. Инструмент в процессе резания разрушается хрупко во всем исследуемом диапазоне режимов резания . У пластин изготовленных из ВОК - 200 и ВОК - 200 + наблюдается хрупкий скол, а у пластин изготовленных из ВОК -200 + ( Ъх + Ш ) N наблюдается вязко - хрупкий скол .

2. Установлена роль физико - химических процессов , протекающих между контактными поверхностями и внешней средой при резании, в изнашивании минералокерамического режущего инструмента.

3. Выявлено превалирующее окислительное изнашивание инструмента с нит-ридотитановым покрытием , которое является результатом взаимодействия элементов покрытия , инструментальной матрицы и внешней среды .

4. Разработана физико - математическая модель разрушения режущей керамики с учетом кинетических процессов накопления повреждений с использованием обобщенной функции повреждаемости К (а). Характер обобщенной функции повреждаемости определяется на основании экспериментальных данных полученных при исследовании реального процесса резания .

5. Предлагаемая обобщенная функция повреждаемости учитывает процессы разрыхления материала в виде микропор и микротрещин, и может быть ис пользована при расчетах периода стойкости Т минералокерамического инструмента .

6. Промышленная апробация результатов на АО " Точприбор " и ОГУП " Ив-машприбор " показали, что стойкость минералокерамического инструмента с покрытием в 2 раза выше , чем стойкость минералокерамического инструмента без покрытия.

1. Андреев В.Н. Эффективность применения режущего инструмента с износостойким покрытием // Обработка материалов резанием М. : МДНТП , 1977. - с. 53 -62 .

2. Беккер М.С. Роль углерода и кислорода в износе режущего инструмента . В кн.: Физические процессы при резании металлов . - Волгоград, 1984 .

3. Бичем К. Д. Микропроцессы разрушения // Разрушение . М. : Мир , 1973 . т. 1 с. 265 375 .

4. Быков Ю.М. Исследование закономерностей износа твердосплавного инструмента с износостойкими покрытиями с целью повышения его работоспособности .: Автореф. дис. канд. техн. наук. Тбилиси , 1984. - 17 с.

5. Васин С.А., Верещака A.C., Кушнер B.C. Резание материалов : Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании : Учебник для техн. вузов М. : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана , 2001. - 448 с.

6. Верещака A.C. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями . М.: Машиностроение, 1993., 335 с.

7. Верещака A.C. Анализ основных аспектов проблемы создания высокопроизводительных инструментов с покрытиями . В кн. : Перспективы развития резания конструкционных материалов . - М. : 1980., с. 160 - 164 .

8. Верещака A.C. К вопросу о роли покрытий в процессе износа режущего инструмента . В кн. : Современные проблемы резания инструментами из сверхтвердых материалов . Харьков , 1981., с. 31-33 .

9. Верещака A.C. , Табаков В.П. , Жогин A.C. Износ твердосплавных инструментов с покрытием . Вестник машиностроения , 1981., № 4 , с. 45 49 .

10. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов . М. : Металлургия, 1984., 280 с.

11. Гарафало Ф.А. Закон ползучести и длительной прочности металлов . М. : Металлургия , 1986. , 304 с.

12. Гарибов В.Р. Влияние СОЖ на износ и стойкость инструмента при непрерывном резании конструкционных сталей . В кн. : Вопросы обработки металлов резанием . - Иваново , 1975., с. 31 - 37 .

13. Гордон М.Б. Исследование трения и смазки при резании металлов . В кн. : Трение и смазка при резании металлов . - Чебоксары , 1972. , 138 с.

14. Гилман Д.Д. Скол , пластичность и вязкость кристаллов // Атомный механизм разрушения . М. : Металлургиздат., 1963., с. 220 253 .

15. Грановский Г.И. , Грановский В.Г. Резание металлов . М. : Высшая школа , 1985., 304 с.

16. Гуревич Д.М. Причины образования экстремума стойкостной зависимости твердосплавного инструмента . Вестник машиностроения , 1976., № 6 , с. 45 - 47.

17. Жедь В.П. , Беровский Г.В. , Музыкант Я.Б. , Ипполитов Г.М. Режущие инструменты , оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами , и их применение . Справочник М. : Машиностроение , 1987., 320 с.

18. Жилин В.А. Субатомный механизм износа режущего инструмента . Ростов -на - Дону . Изд. Ростовского - на - Дону университета , 1973., 165 с.

19. Зорев H.H. , Фетисова З.М. Обработка резанием тугоплавких сплавов . М. : Машиностроение , 1966., 224 с.

20. Кабалдин Ю.Г. Разрушение и изнашивание инструмента , оснащенного режущей керамикой // Трение и износ . 1991., т. 12 , № 2 , с. 287 - 295 .

21. Карапантев П.А. Сравнительное исследование режущих свойств основных марок неперетачиваемых твердосплавных пластин с износостойкими покрытиями . -В кн. : Перспективы развития резания конструкционных материалов . М. , 1980. , с. 301 -308 .

22. Касьянов C.B. Исследование режущих свойств и разработка путей дальнейшего развития инструмента с износостойкими покрытиями . Дис. канд. техн. наук - М., 1979., 239 с.

23. Когеровский E.B. Стойкость инструментов из композитов и минералокерамики при чистовой обработке закаленного чугуна // Станки и инструмент , 1985. , № 9 , с. 21-22.

24. Костецкий Б.И. , Натансон М.Э. , Бершадский Л.И. Механо химические процессы при граничном трении . - М. : Наука, 1972., 170 с.

25. Козлов И.Г. Современные проблемы электронной спектроскопии . М. : Атом-издат., 1978., 248 с.

26. Латышев В.Н., Можин H.A., Семенов В.В. Исследование химической активности СОЖ при резании металлов . В кн. : Вопросы теории действия СОТС в процессах обработки металлов резанием . Горький , 1975 , т. 3 , с. 117 - 131 .

27. Латышев В.Н. Повышение эффективности СОЖ . М. : машиностроение , 1975., 86 с.

28. Лексовский A.M. , Орлов А.Н. Кинетика термофлуктуационного роста магистральной трещины в поликристаллической фольге пластичного материала // ФММ , 1982., т. 54, № 3 , с. 553 559 .

29. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента . М. : Машиностроение , 1982., 320 с.

30. Лоу Д.Р. Обзор особенностей микроструктуры при разрушении сколом // Атомный механизм разрушения . М. : Металлургиздат., 1963., с. 84 108 .

31. Носовский И.Г. Влияние газовой среды на износ металлов . Киев , Техника , 1986., 181 с.

32. Орлов А.Н. , Владимиров В.И. Микромеханизмы распространения трещин // Усталость и вязкость разрушения металлов . М. : Наука, 1974., с. 141 147 .

33. Петров В.А. Теоретические основы микромеханики разрушения // Чтения памяти А.Ф. Иоффе : Л. : Наука, 1984., с. 22 28 .

34. Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов . М. : Высшая школа, 1974.

35. Практическая растровая электронная микроскопия / Пер. с англ. / Под ред. Гол-дстайна Дж. и Яковица X. М. : Мир , 1978., 656 с.

36. Развитие науки о резании металлов / Под ред. Зорева H.H. , Грановского Г.И. , Ларина М.Н. и др. / М. : Машиностроение , 1967., 416 с.

37. Регель В.Р., Лексовский A.M. , Сакиев С.И. Кинетика взаимодействия микро -и макротрещин // ФММ , 1975., т. 40 , № 4 , с. 812 816 .

38. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов . М. : Металлургия , 1986., 224 с.

39. Семенов В.В. , Латышев В.Н. , Брагин C.B. Размерный износ резцов при точении молибдена . В кн. : Вопросы обработки металлов резанием . - Иваново , 1973., с. 48-50 .

40. Станчук Э.А. Исследование термодиффузионных свойств технологических процессов с целью повышения стойкости режущнго инструмента : Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1971., 20 с.

41. Станчук Э.А. , Прибыш А.И. , Авдеенко А.П. Разработка и опыт применения защитных технологических сред . В кн. : Вопросы теории действия СОТС в процессах обработки металлов резанием ., т. 1 , Горький, 1975., с. 203 - 219 .

42. Синопальников В.А. Надежность режущего инструмента : Учеб. пособ. М. : Мосстанкин , 1990., 92 с.

43. Таварткиладзе З.С. Влияние среды на характер износа и стойкость быстрорежущего инструмента . Труды грузинского политехнического института , 1967. , № 1 , с. 185 197 .

44. Табаков В.П. Езерский В.И. , Полянсков Ю.В. Повышение работоспособности режущего инструмента путем направленного изменения состава износостойкого покрытия // Вестник машиностроения . 1989., № 12 , с. 43 - 46 .

45. Трент Е.М. Резание металлов . Пер. с англ. Г.И. Айзенштока . М. : Машиностроение , 1980.

46. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов . М. : Машиностроение , 1974. , 471 с.

47. Халл Д. Двойникование и зарождение трещин в металлах с объемноцентриро-ванной кубической решеткой // Разрушение твердых тел . М. : Металлургия , 1967. , с. 222 255 .

48. Чадек И. Ползучесть металлических материалов . М. : Мир , 1987., 302 с.

49. Rici Ray Ashby M.F. Intergranubar frachture elevated temperature // Acta met. , 1975. Vol. 23 , № 6 , P. 653 666 .

50. Eine der weifbesten frassorten : TTM 5 : Проспект / Фирма " Krupp Widia " , ФРГ.

51. Kolaska H., Dreyer K. Immer feiner Verbesserte Hartmetallsorten als Schnenmarkt , 1988. Vol. 94 , № 42, P. 44 - 46 , 48 , 50 .

52. Kolaska H. , Dreyer K. Entwicklungsstand keramischen schneidstoffe . Werkzeuge für die spanende fertigung, sept., 1989., P. 4 13 .

53. Konig W. , Gerschweiler K. Werkzeugverschleiss und Schneidstoffvergleich Inconel 718 mit Keramik und CBN drehen . Industrie Anzeigen . - 1987. , № 13 , P. 24 - 28 .

54. Krainer H. Arch. Eisenhuttenw . Bd. 27 . №1 2 p. 533 . 108 . Momper F. 3. , Frei-drichs K. , Fripan M. Keramische schneidstoffe entwicklungsstand - tendenzen - anwendungen . Neue Werkstoffe . October , 1987., P. 4 - 15 .

55. Hochgeschwindigkeits drehen bis 3000 m / min Schnittgeschwindigkeit . Tuffent-sammer K., Augustin D. " TZ Metallbearb. " , 1985., 79 , № 7 .

56. Hochgeschwindigkeits Zerspanung beginnt jetzt mit SIN " Werkstatt und Betr. " , 1985., 118, № 8, P. 503-504.

57. Eigenschaften und Anwendung von Cermet Schneidplatten . Urano H., Kopiin D. " Werksttat und Betr. " , 1985., 118 , № 9 , P. 631 - 637 .

58. Apparatus and method for increasing wear life of ceramic tools . Runkle Franklin D., Tennenhouse Gerald J. , Ford werke AG. Заявка 85 / 02789 , Муждунар. PCT. Заяв. 22.12.83.

59. Ceramic cutting tools boost productivity . " Amer. Mach. " , 1985. , 129 , № 10 , P. 173 174 .

60. The effects of oxygen on the wear of Si3N4 against cast iron and steel . Tennenhouse Gerald J., Runcle Franklin D. " Wear " , 1986., 110 , № 1, P. 75 78 .

61. Wear behavior of silicon nitride tools as function of their specific properties. Werfheim R., Agranov D. " CIRP Ann. " , 1986., 35 , № 1, P. 63 66 .

62. Frank and crater wear mechanisms of aluminabased cuffing fools rohen machining steel. Brandt G. " Wear " , 1986., 112 , № 1, P. 39 56 .

63. Angebot so umfangreich wie nie zuvor . " Ind. Anz. " , 1986., 108 , № 81, P. 32 -34 .

64. Sintered cermet for fool provided with high hardness . Иосимура Хиронори , Ито Наохиса, Мицубиси киндзону к. к. , Япония .

65. Тосиока Насааки, Кикай но кэнкю , Sei Mach., 1986 , 38 , № 6 , 675 - 681 .

66. A.laffut de fout се gui sert a reduire les mefaux en copeaux . " Mach. Prod. " , 1986., № 449 , 9 , 11, 13 , 15 , 17 , 19 , 21, 23 , 25 .

67. Leistungsstarke weise Schneidkeramic fur Gusbearbeitung . " Konstr. + giessen " , 1986., 11, №3,22.

68. Steigerung der Zerspanleistung beim Stirnplanfrasen durch Einsatz von Nitridkeramik . Bucholz Th. " Ind. Anz. " , 1986., 108 , № 90 , 46 - 47 .

69. Drehen von Eisenguswerstoffen mit Siliciumnitrid Schneidkeramik - Verschleis-verhalten und Zerspankrufte . König Wilfried , Lauschel Jürgen . " Konstr. + gissen " , 1986., 11 ,№3 ,4 - 10 .

70. Der Schneidstoff aus Silizium Nitrid . " Ind. - Anz. " , 1986. , 108 , № 90 , 52 .

71. Moderne Maschinen erfordern moderne Schneidstoffe . Teil 3 Kolaska Hans . " Techn. J " , 1986., №7 , 13 15 .

72. Hohe Leistung Entwicklung spichtungen und AnwendungsSchwerpunkte von Schneidkeramiken . Abel Robert . " Techno - Tip " , 1986. , 16 , Sonderaus : " Fabrik 2000 " , 74 - 76 .

73. Les oufils de coupe en ceramique . " Fonderie Fondeur aujourdhui " , 1986. , № 59 , 39 .

74. Insert insight sorting through the grade maze . Noaker Paula . " Tool, and Prod. " , 1986. ,52, №9, 40-46.

75. Keramische Werkstoffe : insbesondere Schneidstoffe fur die Zerspanung . Dreyer K., Kolaska J. , Grewe H. " Reib, und Verschleiss metal und nichtmetal Werkst . " Aberursel " , 1986., 323 353 .

76. Imoroved fool life with silicon nitride . Wertheim Rafi . " Austal. Mach, and Prod. Eng. " , 1986., 39 , № 8 , 19 , 23 .

77. Erfahrungen beim Schruppdrehen von Inconel 718 mit Siliziumnitrid . Gerschwiler K. " Ind. Anz. " , 197 , 198 , № 3 - 4 , 36 - 37 .

78. Wirtschaftlicher Einsatz von Siliziumnitrid beim Stirnplanfresen von Grausug durch optimale Schnittbedingungen . Buchholz Thomas . " Werkstattstechnik " , 1987. , 77 , № 9 , 483 487 .

79. Drehen von Hartwerkstoffe mit Mischkeramik und Bornitrid - Werkzeugen . Momper Friedrich J., Friederich Kilian M. " Werkstatfstechnik " , 1987., 77 , № 9 , 471 -474.

80. Tornitura o rettifica per lacciaio temprato ? " Mecc. Mod. ", 1987., 8 , № 7 8 , 34 -37 .

81. Nicht mehr so spröde . Kolaska J., Dreyer K. " Maschinenmarkt " , 1987. , 93 , № 40, 110-115.

82. Wear mechanisms when machining grey cast iron with ceramic tools . Brandt G. , Mikus M., Senesan Z., Hogmark S. " Surface Eng. " , 1987. , 3 , № 3 , 211 225 .

83. Ceramic cutting tools a review . North Bernard . " Int. J. High Technol. Ceram. " , 1987. ,3, №2, 113-127.

84. Verschleisverhalten von Silizium nitrid - Schneidkeramik . Tonshoff H.K. , Bartsch S. " TZ Metalbearb. " , 1987., 81, № 9 , 32 - 33 , 36 - 38 .

85. Fräsen mit Schneidkeramik . Abel Robert. " Werkstattstechnik " , 1987. , 77 , № 10 , 553 -556.

86. Effekte und Qualitatsgewinn beim Einsatz neuer Schneidwerkstoffe . Straup K.H. " Fertigungstechn und Betr. " , 1987., 37 , № 11 , 668 .

87. Edzett nemesitett acelok esztergalasa uj feijlesztesu keramialapkakkal . Szabo Zsols . " Gepgyartastechnologia " , 1987., 27 , № 10 , 468 473 .

88. Narufaki Norihio , Mado Yasuhiro . " CaÜMHny Kocaicy KaücH , J. Jap. Soc. Precis. Eng. " , 1987. , 53 , № 4 , 589 594 .

89. Notch wear and chemically induced wear in cutting with A1203 tools . Tonshoff H.K., Brinksmeier E., Bartstch S. " CIRP Ann " , 1987., № 2 , 537 - 541 .

90. Bedeutungsvolle . Keramik als Schneidstoffur Zerspanung . Bartsch Sven . " Maschinenmarkt" , 1988. , № 4 , 22 24 , 27 - 29 .

91. Bestimmung thermischer und mechanischer Kennwerte von A1203 Schneidkeramik. Bartsch S. " Fachber Metallbearb " , 1987., 64, № 6 , 531 - 536 .

92. Drehen von Hartwerkstoffen in der Praxis Maschkeramiken und Bornitrid Schneidstoffe . Momper F. " Ind. Anz. " , 1988., 110 , № 14 , 26 - 29 .

93. Höhere Schnittgeschwindigkeiten mit Schneidkeramik . Gomoll Volker. " Maschine " 1988., 12 , № 1 2 , 54 , 56 , 61 - 63 .

94. PZS in the manufacturing process CSIRO . " Austral . Mach, and Eng. " , 1987. , 40, № 1, 15 - 16 .

95. Harten als Stahl Verschleisfeste Keramiken als Spanungswerkstoff mit guter Temperatur bestandigkeit. Kolaska Johannes, Dreyer Klaus. " Maschinenmarkt " , 1988. , 94 , № 7 , 54 - 58 .

96. Wear of aluminum oxide tools in steel culting . Toenshof H.K. , Bartsch S. " And. Manuf. Process. " , 1987., 2, № 3 4, 267 - 301 .

97. Tool life and wear mechanisms for ceramic on steel . Hashemipour M. " Prod. Eng. " , 1988. , 67 , 33 34 .

98. Jamane Jasuo , Jan Biinghwa, Usuki Hitosi Norihiko . " CsftiviHiiy Korany KaficH . J. Jap. Soc. Precis. Eng. " , 1987., 53 , № 11 , 1779 1784 .