автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение надежности инструмента из быстрорежущей стали путем комбинированной обработки с оптимальными параметрами ионно-плазменной среды

I- и од

2 4 НОЯ <ср7

На правах рукописи

Чекалова Елена Анатольевна

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ ПУТЕМ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ С ОПТИМАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ИОННО - ПЛАЗМЕННОЙ СРЕДЫ.

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-

технической обработки, станки и инструмент.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1997

Работа выполнена в Московском Государственном Технологическом Университете "Станкин".

Научный руководитель - доктор технических

наук, профессор Верещака A.C.

Официальные оппоненты - доктор технических

паук, профессор Султанов Т.А.

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

Ведущее предприятие - А/О "МИЗ"

Зашита диссертации состоится "¿<Г' Н 1997 г., в /5" часов 00 мин. на заседании специализированного Совета К 063.42.05 при Московском Государственном Технологическом Университете "Станкин", по адресу:

101472, ГСП, Москва, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ "Станкин".

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан " j0 1997 г.

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

Ю. П. Поляков

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. В современном металлообрабатывающем производстве все большее применеше находит сложное автоматизированное станочное оборудование, управляемое от ЭВМ. Эффективное использование такого оборудования возможно только при достаточной надежности его функционирования. Среда причин отказов станочного оборудования одной пз пивных являигся отказы режущего инструмента, которые являются наиболее слабым звеном технологической системы СПИД. Поэтому повышение надежности режущего инструмента и технологической системы в целом, является актуальной научно-технической проблемой, направленной на повышение эффективности автоматизированного механообрабатывающего производства.

Наиболее эффективным путем повышения надежности инструмента из быстрорежущей стали является нанесение на его рабочие поверхности износостойких покрытий и комбинированная ионко-плазменная обработка. Однако до настоящего времени не решены вопросы повышения надежности быстрорежущего инструмента нанесением износостойких покрытий, комбинированной ионно-плазменной обработкой из-за сравнительно низкой долговечности покрытий и несовершенства технологии комбинированной ионно-плазмепвой обработки. В частности, ранее не рассматривали вопросы формирования износостойких комплексов на рабочих поверхностях инструмента го быстрорежущей стали методами комбинированной ионно-плазменной обработки при ведении этого процесса с оптимальными параметрами понноплазмеппой среды и расположением инструмента в контролируемой зоне с оптимальными значениями температуры. Поэтому более ранние исследования в области технологии комбинированной ионно-плазменной обработки инструмента из быстрорежущей стали не давали возможности воспроизведения этой технологии для широкой гаммы инструмента из быстрорежущей стали.

В связи с изложенным установление закономерностей функциональных связей между технологическими параметрами процесса формирования износостойкого комплекса со структурно-фазовым составом диффузионного термостабильного слоя и изнашиванием инструмента из быстрорежущей стали является актуальной научно-технической проблемой.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-технических работ МГТУ "Станкин", программой ГКНШ РФ "Технологии, машины и производства будущего, "(проект 06.01.05) и международным проектом "Кош'ошйе ГопешйаЫ-ипс! Везс&1с11тп£з1есЬпок^е'', выполняемом МГТУ "Стаякшг' и 1Р(3 Магдебург-ского университета (ФРГ).

Цель работы. Целью данной работы является повышение надежности инструмента из быстрорежущей стали путем комбинированной обработки на основе оптимизации технологических параметров ионно-плазменной среды при формировании износостойкого комплекса и оптимизации условий эксплуатации инструмента о комбинированной обработкой.

Методика исследования. Указанное относится к исследованиям температурного поля в плазме несамостоятельного газового разряда; азотирование по выбранным режимам; математические модели по оптимизации процесса азотирования; разработки математических моделей резания (на примерах точения и сверления) инструментом с комбинированной ионно-плазменной обработкой.

Комплекс экспериментальных исследований проводился в лабораторных и производственных условиях с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры.

Статистическая обработка, полученных результатов исследований, проводилась с использованием ПЭВМ типа ШМ РС.

При проведении процедуры оптимизации азотирования в плазме несамостоятельного газового разряда и условий резания инструментом с комбинированной ионно-плазменной обработкой, использовался аппарат технических и программных средств ПЭВМ типа ШМ РС.

Научная новизна работы заключается в:

- взаимосвязях параметров ионно-плазменной среды с характеристиками резания, надежностью и эффективностью инструмента;

- математических моделях процесса формирования износостойкого комплекса в плазме несамостоятельного газового разряда инструмента из быстрорежущей стали;

- математических моделях точения и сверления инструментом с износостойким комплексом.

Практическая ценность работы заключается в:

- технологии комбинированной ионно-плазменной обработки для пластин и спиральных сверл из быстрорежущей стали нормальной производительности;

- установленной области и условиях рационального использования инструмента из быстрорежущей стали как с износостойким комплексом, так и азотированного в плазме несамостоятельного газового разряда.

Реализация работы. Разработанная технология формирования азотированного слоя и износостойкого комплекса использовали при производстве быстрорежущего инструмента на АОЗТ НПЮ'Виртус" и ШЗ Университета ФРГ г. Магдебург.

Методические разработки диссертации используются кафедрой "Технология формообразующей обработки" в курсах "Интенсификация резания", "Математическое моделирование технологических процессов", а также при выполнении дипломных и магастровсквх работ.

Принятые сокращения: РИ- режущий инструмент; ИК- износостойкий комплекс; КИЛО- комбинированная ионио-плазменная обработка; ИП- износостойкое покрытие; АП- адгезионный подслой; ДТС- диффузионный термостабильный слой; ИГР- несамостоятельный газовый разряд.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на заседании кафедры 11 Резание материалов " МГТУ " СТАНКИН "(г. Москва 1994 г.), научно-техническом семинаре "Повышение эффективности машиностроительного производства" (г. Москва 1994 г.), международном семинаре "Ингерпартнер" в г. Алушта (1996,1997г.г.).

Публикации. По результатам работы опубликованы две научные статьи.

Структура в объем работы. Диссертация состоит го введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 265 страницах машинописного текста, содержит SO рисунков, 23 таблицы, список литературы из 76 наименований, приложения приведены на 10 страницах. Общий объем работы 275 страниц.

Содержание работы.

В введении обоснована аетуальность работы, дается общая характеристика, показана ее направленность, представлен предмет запщш.

В первой главе дан анализ современного состояния вопроса, приведен литературный обзор, относящийся к проблеме совершенствования инструмента из быстрорежущей стали. Сформулированы рабочие гипотезы, цель и задачи исследования.

Показано, что наиболее эффективный путь повышения надежности РИ и формирования требуемых свойств приповерхностных слоев инструментального материала является ванесепие износостойких покрытый и комбинированная дан-но-плазменная поверхностная обработка.

Выбор в качестве основного объекта исследований быстрорежущего инструмента обоснован его широким промышленным использованием, универсальностью и технологичностью при изготовлении.

Показаны основные тенденции совершенствования РИ из быстрорежущей стали, представлен анализ основных методов повышения по надежности путем механического, физического, химико-термического упрочнения, ионного азотирования, нанесения износостойких покрытий и комбинированной иопно-плазменной обработки.

Представлен обзор основных достижений Советской и СНГ школ совершенствования инструмента из быстрорежущей стали с покрытием: Третьяков И.П., Верещака A.C., Григорьев С.Н., Касьянов (МГТУ "Станкин"), Андреев A.A., Саблев Л.С., Падалка В.Г. (ФТИ АН Украины), Спнелыциков А.К., Жедь В .П. (ВНИИ), Григоров А.И. (НШГГАВТОПРОМ), Внуков Ю.Н. (Укрнииспецсталь,г. Запорожье.Украина), Кабалдин Ю.Г. (Технический универ-

ситет Комсомольск -на -Амуре), Беккер М.С. (Ивановский энергетический институт), Табаков В.П.(Ульяновский технический университет).

Анализ кинетики изнашивания РИ из быстрорежущей стали с покрытием, получаемым методом КИБ, показал, что несмотря на значительный вклад покрытая в снижение интенсивности изнашивания контактных площадок и повышение стойкости РИ, их эффективность заметно ниже ожидаемой. В частности в работах Верещака A.C., Григорьев а С.Н. показано, что долговечность покрытий КИБ (PVD) и (CVD) на контактных площадках инструмента из быстрорежущей стали составляет 0,5-5% от периода стойкости инструмента.

Для эффективной работы РИ из быстрорежущей стали с покрытием необходимо устранение или уменьшение причин, приводящих к преждевременному разрушению покрыли. Это можно достигнуть введением между покрытием и БРС специального промежуточного слоя, компенсирующего снижение вязкой (пластической) прочности РИ и снижающего напряжения на границе раздела "покрытие - БРС".

Таким образом, дальнейшее совершенствование РИ из БРС с покрытием лежит в сфере использования комбинированных методов поверхностной ионно-плазменной обработки рабочих поверхностей инструмента (КИЛО). РИ с КИЛО кроме износостойкого покрытия должны содержать промежуточный термостабильный слой, компенсирующий снижение пластической прочности РИ и разность физико-механических свойств материалов покрытия и инструмента.

Аналш данного обзора в области методов повышения эффективности быстрорежущего инструмента путем нанесения износостойких покрытий, а также их режущих свойств, кинетики изнашивания позволяет отметить следующее.

I. Все возрастающая потребность металлообрабатывающей промышленности, особенно автоматизированного производства в высокопроизводительном и надежном режущем инструменте, сильно сдерживается из-за все возрастающей стоимости быстрорежущего инструмента, в связи со все более возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена - основных легирующих элементов быстрорежущих сталей. Наиболее эффективным путем решения проблемы является увеличение производства инструмента из быстрорежущей стали с износостойкими покрытиями.

2. Несмотря на достаточно большое число исследований, посвященных повышению эффективности быстрорежущего инструмента нанесением износостойких покрытий, большая часть из них посвящена разработке новых составов многослойно-композшщонеых покрытий вне связи со свойствами субстрата, особенно его поведением в процессе изнашивания инструмента.

Поэтому в настоящей работе рассматриваются различные аспекты, направленные на установление закономерностей функциональных связей между параметрами ионно-плазменной среды, формирующей износостойкий комплекс со структурно-фазовым составом и параметрами диффузионного термостабильного слоя, а также параметрами надежности и эффективности РИ из БРС.

Для решения установленной цеди работы сформулированы следующие задачи исследования:

1. Разработать методику формирования диффузионного термостабильного слоя в составе износостойкого комплекса на рабочих поверхностях РИ из быстрорежущей стали при использовании единой технологической ионно-вакуумной установки.

2. Установить закономерности связи параметров диффузионно-термостабильного слоя в составе ИК с условиями его формирования методом стимулированного ионного азотирования.

3. Установить взаимосвязь контактных процессов и механизма изнашивания РИ из быстрорежущей стали с параметрами термодиффузионшго слоя как в составе ИК, так самостоятельного упрочняющего элемента.

4. Установить влияние износостойкого комплекса оптимального состава и параметров на критерии надежности РИ в различных условиях его эксплуатации.

5. Разработать технологию КИЛО для спиральных сверл из быстрорежущей стали нормальной производительности.

6. Разработать математические модели резания РИ из быстрорежущей стали с диффузионным термостабильным слоем в составе ИК шш в качестве самостоятельного упрочняющего элемента.

Во второй главе рассмотрены принципы и методика формирования диффузионного термостабильного слоя как в составе износостойкого комплекса (ИК) на рабочих поверхностях инструмента из быстрорежущей стали, так и в качестве самостоятельного упрочняющего элемента.

На основе анализа взаимосвязи основных свойств быстрорежущей стали нормальной производительности ( на примере Р6М5), условий эксплуатации РИ и причин его отказов в работе сформулированы рабочие гипотезы исследований:

- для повышения долговечности износостойкого покрытия (ИП) на контактных площадках РИ, интенсивно разрушающихся в следствие повышенной склонности субстрата к термопластическим прогибам и вязкому разрушению, а также возникновения на границах раздела "ИК - субстрат" концентрации опасных напряжений, необходимо непосредственно под ИП сформировать зону повышенной термической стабильности, увеличивающей вязкую (пластическую), прочность режущего клина инструмента (РКП) и компенсирующей разность физико-механических характеристик пары "БРС - субстрат*'.

- для повышения надежности функционирования покрытия на (РКИ) из быстрорежущей стали необходимо установление функциональных связей между параметрами ДТ - слоя, свойствами БРС и параметрами ИК.

- для повышения прочности адгезии между ИП и субстратом аз БРС необходимо введение промежуточного подслоя большей физико-химической активности.

На основе указанного подхода была сформулирована методика комбинированной поверхностной иопно-плазменной обработки (КИЛО), разработано оборудование и технология для ее реализации.

В соответствии с рабочими гипотезами сформулировано положение об износостойком комплексе (ИК), который состоит из диффузионного термостабильного слоя (ДТС) , адгезионного подслоя (АП) и наружного износостойкого покрытия (ИП), конструкция которого может быть монослойной, композиционной или композишюпно-многослойной. Каждый из элементов ИК имеет специфичные функции. В частности, ДТ - слой способствует росту вязкой прочности инст-' румента и жесткости режущего клина инструмента (РКП), что, в свою очередь, снижает его склонность к потере формоустойчивости и упругим прогибам под воздействием термомеханических напряжений, возникающих при резании и, таким образом, уменьшает вероятность хрупкого разрушения покрытия. Кроме того, ДТ - слой компенсирует разницу свойств материалов покрытия и ИМ, а также повышает теплостойкость приповерхностных слоев быстрорежущей стали, что снижает вероятность их разупрочнения в процессе эксплуатации РИ.

Использование новых композиций для формирования элемента ИП многослойного типа позволяет решать задачу повышения сопротивляемости ИП усталостному разрушению, особенно в условиях повышенных контактных напряжений, циклического нагружения режущей части инструмента (операции прерывистого резания), при необходимости повторной заточки инструмента.

Введение подслоев АП, обладающих повышенной кристаллохимической совместимостью с материалами ИП и субстрата, позволяет обеспечивать повышение прочности их адгезии и снижает напряжения на границах их раздела.

Важнейшей задачей при формировании ИК является выбор состава наружного слоя ИП, который непосредственно контактирует с обрабатываемым материалом. Для качественной оценки состава слоя ИП ИК была принята модель ад-гезионпо-усталостного изнашивания инструмента (наиболее характерна для инструмента из быстрорежущей стали).

Характер и природа отказов инструмента свидетельствует о чрезвычайно большой роли ДТ-слоя в работоспособности РИ с износостойким комплексом (ИК), формируемым методами КИПО, причем при повышении термомеханических нагрузок на контактные площадки инструмента роль ДТ-слоя сильно возрастает, а в некоторых случаях он может играть роль самостоятельного элемента, повышающего работоспособность инструмента. Поэтому в главе наибольшее внимание уделено роли ДТ-слоя и особенностям его формирования.

Экономически целесообразно формировать ИК (КИПО) в одной из технологической установки, синтезируя последовательно ДТС, АП и ИП. При этом технологически наиболее просто синтезировать ДТС путем ионного азотирования с использованием плазмы насамосгоятельного газового разряда (НГР).

Стимулированное НГР азотирование состоит из трех последовательно протекающих процессов:

«

- диссоциации насыщающих компонентов с образованием сначала атомарного азота, а затем иона азота;

- адсорбция атомарного азота и его ионов на термоактнвируемую поверхность субстрата (быстрорежущая сталь);

- диффузионного насыщения поверхности субстрата (ИМ).

При азотировании поверхности быстрорежущей стали термодинамически равновероятны два механизма формирования азотистого СС - твердого слоя:

— 11 —

- при распаде молекул па атомы и ионы па поверхности субстрата и их последующей дпффизии в глубь решетки;

- за счет диссоциации низших нитридов железа, образующихся в плазме разряда из распыленных атомов железа и азота, осаждаемых из прикатодной области на поверхности режущего инструмента.

При азотировании с использованием МНз согласно схеме Лахгин Ю.М., возможны следующие реакции образования нитридов железа Fe4 NT/' -фаза) и Fe,_,N( £ -фаза):

y-Fe+NH% -> FeyN+3/2Н1 CD

-—¿Fe,N+NH,^-jr^Fe.N+3/2H* ГС

NHi= N+3/2Я (3)

где Y ' ' £ - величины, равные числу атомов железа в соответствующем нитриде; N - раствор азота в железе.

Для формирования ДТС был использован двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд, возбужденный между анодом л интегрально холодным катодом, разработанный в МГТУ "Станкин" (Верещака A.C., Григорьев С.Н.) и ФТИ АН Украины (Саблев Л.С., Андреев A.A.). Такой разряд имеет металло-газовую и газовую ступень плазмы, причем последнее создается ионизацией рабочего газа электронами, сепарируемыми из металло-газовой ступени плазмы вакуумио-дугового разряда.

Принципы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда были использованы для формирования ИК па рабочих поверхностях инструмента из БРС. Для этих целей был использован модернизированный ионно-вакуумный агрегат ННВ.6.6- И4 с дуговыми источниками плазмы (рис. 1.).

С учетом преимуществ, которые обеспечивает азотирование стимулированной газовой средой, для формирования ДТ- слоя была использована ннзкоэнерге-тическая газовая (азотная) плазма, активируемая электрическим разрядом. В частности, обработка поверхности быстрорежущей стали Р6М5 такой плазмой в течение 20 - 40 минут при температуре 400-450° С позволяет сформировать тер-

1, 2, 3-электродуговые испарители; 1-камера; 5 - режущий инструмент (РИ), 6, 7, 8 - источники питания; ;9 - импульсный источник и ька ; 10 - источник и,^ ;11 - натекатель газа; 12 - насос; 13 - газосмеситель; 14-направляющая плазмы; 15 - изоляторы, 16- магнитные катушки; 17 - вакуумная камера; 18- субстрат, 19 - силовой источник тока; 20 - источник подачи напряжения смещения; Э1, Б2, БЗ - контакторы;

Рис. X.

Поиниипиальная ехема вакчг\/мно-лугового агаегата для КИПО оежушего инструмента.

мосгабильный слой глубиной 10 - 100 мкм с твердостью 11 • 103 МПа и теплостойкостью па 20- 50° С выше теплостойкости стали Р6М5 в исходпом состоянии.

Установка обладает целым рядом функций, способствующих ведению процесса формирования ИК в оптимальных условиях. В частности, устройство эжек-ции в камеру электронной составляющей позволяет не только вести процесс прогрева инструмента до необходимых температур независимо от массы его загрузки в камеру, но и осуществлять ионизацию азота до высокой степени, что дает возможность эффективно вести процесс азотирования быстрорежущей стали. Кроме того, камера снабжена высоковольтным импульсным источником ионов, что позволяет активно гасить мшсродуги, а также устройством для сепарации микрокапельных составляющих, которые являются серьезным дефектом покрытия, особенно если микрокапельная составляющая конденсирует на поверхности покрытия.

Разработанная технология КИЛО предусматривает разделение процессов нагрева (термическая активация) и очистки рабочих поверхностей инструмента от загрязняющих пленок, что позволяет проводить прогрев инструмента до оптимальных температур без риска элекгроэрозионного повреждения режущих кромок инструмента, а очистка инструмента проводится при оптимальных дозах облучения (до 10 ион/см2).

Наиболее важным преимуществом разработанной технологии КИЛО инструмента является возможность формирования термостабильного диффузионного слоя с оптимальным сочетанием пластичности и твердости (содержание охрупчи-вающей ОС - фазы регламентировано предельным значением в 8,9%) .

В работе рассмотрены основные особевност технологии КИЛО инструмента изБРС.

Существенное значение при азотировании в газовом разряде имеет температура обрабатываемого инструмента, что в свою очередь определяется температурным полем в вахуумной камере. Температурное пале в камере установки изучили с помощью встроенных термопар и пирометрической системы "Смотрич-7", которые располагали внутри объема камеры. Каждая термопара фиксировала температуру в определенной точке камеры.

Температурное поле при азотировании образцов пластал из стали Р6М5 исследовались при различных значениях технологических параметров азотирования (1р, и х, р „ и др.) , что позволило получить информацию о температурном поле камеры. Полученные данные были использованы в плазме ИГР для проведения исследований кинетики азотирования. В качестве образцов использовали -пластины Р6М5 квадратной формы 18x18x8 мм с твердостью ННС 62. После проведения азотирования, пластины использовали как для стойкостных испытаний, так и проведения металлографических исследований.

В качестве критериев надежности инструмента с ИК (КИЛО) принимали

среднеарифметическое значение стойкости Г, коэффициенту ее вариации Ц) т и интенсивности изнашивания I:

Оценку существенности различия коэффициентов вариации стойкости контрольного инструмента с КИЛО и инструмента КИЛО производили по критерию Стыоденга; для оценки резко выделяющихся значений стойкости инструмента использовали критерий Гибса.

В главе также приведены основные данные, обосновывающие выбор инструмента (тип, геометрия, марка БРС), обрабатываемого материала, оборудования, аппаратуры для проведения экспериментальных исследований.

В третьей главе приведены данные, относящиеся к разработке технологий формирования диффузионного термостабильного слоя и износостойкого комплекса при комбинированной ионно-плазменной обработке инструмента из быстрорежущей стали.

Температурное поле при котором производили азотирование пластин Р6М5, исследовали при значительном варьировании напряжения смещения па РИ Шл) и давления азота р„. Результаты оценки температурного поля для достаточно широкого диапазона изменения р„ и 17 4 представлены в табл.1.

Табл. 1. Температурное поле плазмы тазового разряда.

р„,Па и, т,. Ъ Тз. т5.

кВ °С °С °С °С °с

3,9*10"' 0,6 430 510 190 285 235

3,9*10"' 0,7 460 500 180 270 230

3,9* Ю-1 0,8 470 540 200 280 250

6,5*10"' 0,6 430 530 180 280 240

6,5*10"' 0,7 500 620 200 300 250

6,5*10"' 0,8 445 580 200 300 250

13*10" 0,6 425 540 190 300 240

13*10"' 0,7 490 585 . 205 300 260

13*10"' 0,8 500 640 210 280 235

Было установлено, что вследствии сильных разбросов температуры внутри камеры необходимо строго фиксированное размещение режущего инструмента при проведении процесса азотирования, а сам пропесс необходимо вести при оптимальных сочетаниях технологических параметров.

Процесс азотирования в плазме ИГР с учетом его стохастического характера моделировали с использованием распределения Вейбулла-Гнпденхо:

Р(Ь) = 1 - ехр [-(Ьз, /С - ру • (4)

где: Р(Ь) - вероятность появления фактора не превышающего Ьз, при заданных значениях факторов р, в Щ; - предельная величина изнашивания задней поверхности пластины; а - показатель распределения; С, - постоянная; х, у - степенные показатели влияния факторов р м и 1)"а на Р(Ь).

Для выявления более объективной картины влияния факторов р ч и 1Га на эффективность азотированного РИ при разработке модели на первом этапе использовали двухфакторную модель при принятом допущении, что время является случайным фактором.

Математическая реализация модели (4) по результатам экспериментальных-исследований, позволила установить оптимальные значения параметров ря и и л обеспечивающих минимизацию износа инструмента:

Дй)=1-ех{| -(иг/г^б-Ш ехр(а0976ду+3^«7л) (5)

_ 1,24-650 Р"о ~ 0,0976

= 9,75-10-' Па

(б)

и Ао

21,1

0,6 кВ

О)

3,54 -100

Анализ данных зависимостей (6)-(7) позволяют отметить сильное влияние давления реакционного газа рЛ. и напряжденпя смещения при постоянном времени азотирования, у = 20 мин. Обе функции Ьз=%) „) и Ьз=1Ти х) имеют ярко выраженные экстремумы, а значения ри и и^ имеют достаточно узкие оптимальные области , при которых реализуется минимальное значение фаски износа задней поверхности РИ с ИК (КИЛО).

Методами ОЖЕ-спектрографии и микрорештевоспсктральнош анализа установлено, что пластины из Р6М5 проазогированные в плазме ИГР в течение 40 минут при оптимальных соотношениях р „ и и л имели содержание азота около ЗОхЮ"12 а2,'мм и показали максимальное время наработки на отказ. При большей длительности азотирования содержание азота в ДТ-слое увеличивается , что приводит к росту твердости, однако время наработки на отказ РИ в ДТ-слое снижается из-за снижения прочности и роста хрупкости БРС. Таким образом, содержание азота, его распределение по глубине, фазовый состав оказывают сильное влияние на надежность инструмента, при этом следует учитывать, что качество ДТ-слоя и ее параметры достаточно сильно зависят не только от длительности азотирования, но и от соотношения компонентов газовой среды, в которой проводится обработка.

Сильное влияние на качество ДТ-слоя, а следовательно и на надежность инструмента оказывает фазовый состав стали Р6М5, подвергнутой ионному азотированию в плазме ИГР, где были проведены исследования, краткие результаты которого рассмотрены ниже.

Анализ полученных результатов позволяет отметил, следующее: - содержание азота в ДТ-слое на глубине до 3 мкм, находится на уровне 3 -3,5% масс, максимум на глубине около 1 мкм.

- содержание азота в этих же пластинах после 8 минут наработки на отказ (У = 49 м/мин, Б = 0,3 мм/об, I = 2,0 мм). Несколько изменилось и составило на глубине до 1,5 мкм меньшую концентрацию по сравнению с исходным образцом. Отмечено смещение максимум содержания азота на глубину 3 мкм, что по видимому связано с концентрационной диффузией азота из поверхностного слоя вглубь пластин.

Установлено повышенное содержание углерода, как в контрольных образцах так и в пластинах после 8 минут резания, что также очевидно связано с наличием углеродосодержащей атмосферы камеры в процессе азотирования (например, пары вакуумного масла).

Состав газовой среды в камере оказывает существенное влияние па качество и свойства покрытий, наносимых методом КИЛО.

В результате дополнительного термического воздействия, происходящего в результате последующего осаждения слоев АП и ИП, имеет место перераспределение азота за счет его диффузии вглубь быстрорежущего субстрата, предварительное азотирование следует производить при технологических параметрах, позволяющих формировать более твердый и менее глубокий азотированный слой.

В четвертой главе представлены результаты исследований режущих свойств инструмента из быстрорежущей стали с износостойкими комплексами или азотированным слоем, полученным при оптимальных параметрах нонно-плазменной среды.

Объектами исследований служили резцы из Р6М5 с механическим креплением 4-х гранных пластин, а также спиральные сверла из стали Р6М5 производства з-да "Фрезер" и фирмы 'Тейе" ФРГ.

Для установления особенностей кинетики изнашивания инструмента пз быстрорежущей стали с различными вариантами ИК (КИЛО) производили сравнение кривых А, Т) с соответствующими кривыми для контрольного РИ.

Подтвержден полученный ранее рядом исследователей факт сильного снижения интенсивности изнашивания быстрорежущего инструмента с различными вариантами упрочняющей обработки (азотирование, нанесение износостойких покрытий, комбинированная ионно-шизменная обработка) на стадии прирабо-точного изнашивания. Причем, заметно снижается не только интенсивность го-нашивания быстрорежущего инструмента на стадии приработки, но и сильно

уменьшается критическая величина фаски й3, при превышении которой наступает стадия установившегося изнашивания . Обращает на себя внимание не отмеченный ранее следующий результат. Сравнениия кривых h- =f( Г) для пластин только с азотированием и износостойким покрытием позволяет отметить, что на стадии приработочного изнашивания, когда покрытие выполняет свои функции полностью неразрушенным (снижение термомеханических нагрузок на контактные площадки инструмента), оно чрезвычайно эффективно тормозит изнашивание задней поверхности. В то же время на участке устанавливающегося (нормального) изнашивания покрытие частично или полностью разрушается , особенно в условиях частичной деформируемости РКИ и его влияние на изнашивание РИ становится не столь ощутимым.

Азотированный слой (ДТ-сяой) незначительно сдерживает интенсивность

изнашивания на участке приработки кривой Л3 =iT Т), но вследствии сдерживания термопластических деформаций РКИ на участке установившегося изнашивания, азотированный слой достаточно эффективен и на этом участке.

Подобных недостатков лишены инструменты с комбинированной ионно-плазменной поверхностной обработкой (КИЛО), так как азотированный слой (ДТС), эффективно сдерживая кристаллохимические структуры поверхностных слоев быстрорежущей стали от температурного разупрочнения, способствует росту долговечности покрытия, и, следовательно, покрытие эффективно снижает термомеханические нагрузки на РКИ не только за время приработочного изнашивания РИ, но и значительное время нормального изнашивания.

Анализ зависимости A, =f( Г ) для варианта высокотемпературного натру-жения РКИ еще более очевидно выявил чрезвычайно важную роль ДТ-слоя в торможении термопластических деформаций, особенно на участке нормального изнашивания. Азотированный слой достаточно эффективно тормозит слруетурда-фазовые преращения в приповерхностных слоях быстрорежущей стали при тепе-ратурах порядка 550-565 "С.

КИЛО с использованием плазмы ИГР позволяет повысить сопротивляемость РК-быстрорежущего инструмента вязкому разрушению благодаря росту теплостойкости азотированного слоя.

Разработанные составы ИК (КИЛО) A-(Ti,Cr)-(Ti,Cr)N A-Zr-TiCN позволяют повысить стойкость резцов, оснащенных пластинами Р6М5 в 10-15 раз по сравнению со стойкостью контрольных пластин и в 1,5-S раз по сравнению со стойкостью пластин Р6М5-А, P6M5-TÎN, P6M5-A-TÎN. Расчетные модели стойкости при точении стали 45 (НВ180)Б. а также вид математической модели и ее коэффициенты представлены в табл. 2. Анализ этих данных позволяет отметить следующее.

1. С ростом скорости резания стойкость быстрорежущих пластин как с 1ПС, так п стандартным покрытием резко падает (для пластин Р6М5-А, P6M5-TiN соответственно Хт =3,3; Хт = 3,8; а для пластин P6M5-A-TiN, P6M5-A-(TÏ,Cr)-(Ti,Cr)N и P6M5-Zr-TiCN соответственно Хт = 2,7-2,S). Однако по мере роста скорости резания пластин с ИК (КИЛО) значительно лучше сопротивляются термопластическому деформированию и разупрочнению, поэтому для пластин с ИК (KlffiO) степень влияния на скорость резко снижается (см. табл.2).

2. Заметно меньшее влияние на стойкость РИ с ИК (КИЛО) оказывает подача (Ут = 0,65), что подтверждает отмеченный многими исследователями факт меньшего влияния подачи на тепловое состояние РИ по сравнению со скоростью резания, что имеет чрезвычайно большое значение для сравнительно низкотеплостойкого быстрорежущего инструмента.

3. Отмечено слабое влияние глубины резания на стойкость РИ с ИК (КИЛО) (Zt = 0,3).

Подтверждено предположение, что при превалирующем отказе РИ из БРС вследствни пластического разрушения наиболее целесообразно использование в составе ИК только ДТС. В частности обработка сплава ВТ-20 сверлами Ф 6,8 мм из стали Р12ФЗКЮМЗ при V=20 м/мищ S=0,1 мм/об; l/d=3,l мм сверла с азотированным слоем имели время наработки на отказ, не уступающее соответствующему времени сверл с ИК [A-(Ti,Cr)-(25%Ti-75?/oCr)] и заметно превосходили по этому показателю сверла с покрытием TiN, CrN (см.рис.2).

Показано, что РИ и ИК (КИЛО) могут быть эффективно использованы при повторном перетачивании по одной из рабочих поверхностей. Это было подтверждено при проведении масштабных стойкостных исследований отрезных резцов из Р6М5 с различными вариантами ИК(КИПО) (рис. 3).

Табл. 2 Расчетные модели стойкости для резцов Р6М5с различными вариантами ИК (КИПО) при точении стали 45(НВ180)

Кт 7 •г Туш = -у- 5 Гик — стойкость РИ с ИК(КИПО) 3 Т — стойкость контрольного РИ : 1 " \///А 1 1 1 >10 Р >10 Р 1

Инструмент Р6М5 Р6М5-А РбМ5-"ПИ Р6М5-А-П1\1 Р6М5-А-(Т1,Сг)-—(Т|,Сг)М Р6М5-А~Т1С1\1

Вид модели у" -л" /7-т С? 650 ■ Ю5 230•106 220 • 106 200 • 106 189 ■ 10® 190-10б

хт 5,5 3,3 3,8 2,8 2,7 2,7

У1" 0,95 0.9 0,88 0,9 0,9 0,9

гт: 0,29 0,22 0,2 0,23 0,23 0,23

ОМ Сталь 45 (НВ 180,(Ув= 750МПа)

1 — Р12ФЗКЮМЗ; 4 — Р12ФЗКЮМЗ-Сг1М;

2 _ Р12ФЗКЮМЗ-А; 5 — Р12ФЗКЮМЗ-^-(Т!гО)-(25%"П,75%(>)1\1;

3 — Р12ФЗКЮМЗ-~ПМ; 6 — Р12ФЗКЮМЗ-А-Сг-Сг|Ч.

Рис.2.

Влияние состава ИК(КИПО) на длину пути резания при СЕерлении титанового сплава ВТ-20 сверлами ф 8,0 мм из стали Р1203КЮМЗ. Условия резания: V = 20 ы/мин; Э = 0, 1 мм/об.; 1 /сЗ =3,1. Обработка глухих отверстий без СОЖ.

Го,5-Ю»\

Р6М5 Р6М5-Т!--Ш Р6М5-А-(Т,,Сг)-(25%Т>;75%Сг]

1 —до .перетачивания; 2,3,4 — соответсвенно 1-я, 2-я и 3-я повторные затачивания

* Стой:.'^сть отрезных резцов с различными вариантами ИК(КИПО) оценивали по предельному изнашиванию главной задней поверхности = 0,5 мм, стойкость контрольных резцов Р6М5 опрсдел при Аз = 0,8 мм.

Рис. 3-

Работоспособность отрезных резцов Р6М5 с различными вариантами

ИК(КИПО) при отрезке заготовок из стали 45 (НВ180) с V = 40 м/мин; Э = 0,1 мм/об; В = Ь = 5 мм.

В пятой главе рассмотрены задачи оптимизации условий эксплуатации быстрорежущего инструмента, с ИК(КИПО).

Эффективность резания оценивалась производительностью инструмента, т.е. площадью поверхности изделия, образуемой инструментом за время резания до смены инструмента

Б =10'-л--Б -в-п-Т, мг (8)

Максимальная эффективность резания достигается при оптимальном режиме резания , ц0 и То ■ Любое изменение подачи, частоты вращения и времени резания до смены инструмента приводят либо к уменьшению эффективности от применения упрочненного инструмента, либо к преждевременному отказу. Значение целевой функции (эффективности резания) при оптимальном режиме - это максимум того, что можно получить при эксплуатации инструмента по критерию второго рода.

Применение стохастических моделей, учитывающих случайный характер резания, потребовала весьма актуальная в условиях автоматизированного производства задача повышения эксплуатационной надежности управления резанием. Получившие в настоящее время широкое распространение детерминированные математические модели не позволяют решить задачу обеспечения надежности, так как вероятность выполнения ограничений составляет 50-60%. Но при этом они не потеряли своей значимости, так как составляют основу стахостических моделей. Для решения задач обеспечения надежности управляемого процесса используют стохастические математические модели. Таким образом, вопрос стоит только о виде распределения случайных параметров резания.

В работе использовали распределение вида*:

Р (И ) - 1-ехр

„ , » 01 (я /с - п1 2; )

(9)

где : Я - случайный функциональный параметр резания, СС - показатель распределения, равный величине обратной сумме степеней влияния случайных

* В.И. Власовым было установлено, что применяемое распределение наиболее удовлетворительно описывает резание как нестационарный случайный процесс.

факторов.

Преимуществом выбранного распределения является то, что путем двойного логарифмирования оно приводится к линейному виду, и следовательно, может быть эффективно использовано при решении задач оптимизации режимов резания в условиях ограничения по надежности методом линейного программирования.

Выбираемая математическая модель должна быть справедлива в течение всего периода эксплуатации инструмента, поэтому при выделении процесса резания как объекта моделирования необходимо выбрать временной интервал функционирования модели, на котором будет осуществляться управление резанием, что абсолютно необходимо в связи с нестационарностью резания как процесса.

Значения коэффициентов С , экспонентов QJ и показателей распределения

математической модели резания определяли, исхода из реалпзованых в экспере-ментах значений факторов резания (глубина I, подача Б, число оборотов шпинделя п, времени резания Т и диаметр сверл <1) и параметров резания (составляющей силы резания Рг, взнос по задней поверхности Ь , ) по методу наименьших квадратов.

Получены следующие модели резания при точении и сверлении стали 45, свойства которой приведены в таблице:

а) при точении резцами, оснащенными контрольными быстрорежущими пластинами Р6М5

= 1-ехр [(-Рг/89,7- Я0-76«"0"15Г0Л9)"''7]' <10>

где Рг - составляющая силы резания, кН.

= 1-ехр [(-Лз/з,54.10-8Г°'6951'98п4-82Г°-98)"1' <п>

где ¡2} - износ по задней поверхности, мм.

б) при точении резцами оснащенными быстрорежущими пластинами Р6М5 с ионным азотированием в плазме ИГР

Р(Рг) -1-ехр [(-/»2/223,4- ,<>.^0,7^0^0193^% (12)

где Рг - составляющая силы резания, кН.

¿•(А,) = 1 — ехр ¡(-Аз/1,7-1 О-^0'6^1-97«4'6^0-95)9'08 1' (,3)

где - износ по задней поверхности, мм.

в) при сверлении контрольными сверлами из стали Р6М5.

И (Лз)=1-ехр[(-/гз/1.43-Ю-и/1345089«2 97Г,39)461],а4)

где - износ по задней поверхности, мм.

г) при сверлении быстрорежущими сверлами с ионным азотированием в плазме НПР

F (А3)=1-ехр[(-Л3/3.б5-10-,1/,19507я2МГ,2Т)3"], (15)

где - износ по задней поверхности, мм.

Полученные математические модели отличаются от используемых в настоящее время тем, что учитывают фактор времени и случайный характер резания.

Анализ математических моделей резания показывает, что с увеличением времени резания сопропротпвление изнашиванию уменьшается. Наибольшее влияние на величину сопротивления изнашивания оказывает частота вращения, т.к. с увеличением частоты врашения увеличивается контактная температура, что приводит к уменьшению сопротивления изнашиванию и значительному увеличению износа. Подача влияет на сопротивленце изнашиванию меньше, чем глубина резания ,т. к. меньше влияет на контактную температуру.

С увеличением времени резанпя сопротивление изнашиванию уменьшается постольку, поскольку увеличивается износ по рабочим поверхностям быстрорежущего инструмента, что в свою очередь ведет к увеличению температуры в зоне резания от действия фрикционного источника тепла.

Сопоставление моделей резания при продольном точенпп пластинами а сверлении сверл с упрочняющей обработкой показывает, что величина износа инструмента с азотированием при прочих равных условиях меньше, чем износ инструмента без азотирования. Однако рост износа с течением времени у инструментов с азотированием происходит более интенсивно, что связано с постоянным разрушением я вступлением в контакт с обрабатываемым материалом менее

износостойкой основы. Величина же сопротивления изнашивания при прочих равных условиях у инструмента с азотированием больше, чем сопротивление изнашиванию инструмента без азотирования. Соответственно с течением времени уменьшение величины сопротивления изнашивания у инструментов с азотированием происходит более интенсивно по причине разрушения азотирования и вступления в контакт с материалом менее износостойкой основы.

По этой же причине с течением времени увеличение составляющих силы резания при обработке быстрорежущих пластин с азотированием происходит более интенсивно, чем при обработке пластин без азотирования, хотя составляющие силы по абсолютной величине меньше.

При этом наблюдается уменьшение значения допустимого износа быстрорежущих пластин с азотированием.

Основные выводы.

1. На основе изучения процессов изнашивания и отказов РИ из быстрорежущей стали с износостойким покрытием установлены причины его недостаточной эффективности, позволившие разработать методику, оборудование и технологию комбинированной ионно-плазменной поверхностной обработки рабочих поверхностей инструмента с целью формирования износостойкого комплекса, повышающего пластическую прочность и износостойкость быстрорежущего инструмента.

2. Предложенная схема формирования азотированного слоя, включающая эжекцию электронной составляющей с помощью специального сепаратора и двойного анода, позволила не только интенсифицировать процессы нагрева и очистки инструмента, исключая элеггроэрозию режущих кромок РИ, но и обеспечить интенсификацию процесса азотирования за счет значительного роста степени ионизации плазмы несамостоятельного газового разряда.

3. На основе изучения распределения температуры в рабочей зоне камеры установлено наличие пространства с оптимальным значением температуры 410-450°С, которые и рекомендованы, для установки инструмента подлежащего азотированию шш комбинированной ионно-плазменной обработки.

4. Разработанная математическая модель процесса азотирования инструмента из быстрорежущей стали позволяет установить значимость основных фак-

торов азотирования и определить оптимальные значения этих факторов (pw =9,75хЮчПа; UA =0,6кВ; Т =20мин, Т=410°С), обеспечивающих минимизацию интенсивности изнашивания PI1

5. Разработаны составы износостойкого комплекса и технологш их получения с использованием плазмы несамостоятельного газового разряда, позволяющие использовать в составе наружного слоя износостойкого комплекса карбонит-рида титана эквимолярното состава на основе жесткого контроля содержания состава газоЕой среды.

Установлено оптимальное соотношение TÏ и Сг в ИП износостойкого комплекса для быстрорежущих инструментов, составляющее (25%Tï,75%Cr) по объему или TiCN эквимолярното состава.

6. Подтверждено, что для азотирования в плазме несамостоятельного газового разряда также как и для газового, процесс переноса азота определяется диффузионными процессами, которые могут активироваться путем приложения отрицательного потенциала к инструменту, при этом сформулированный азотированный слой характеризуется СС - азотистым ферритом (до 0,1% N при температуре 410 - 500°С) и у ' " нитридом (Fe4N), имеющим решетку гранеценгриро-ванного куба. Максимальное время наработки на отказ (до Г =40 мин.) имели инструменты из стали Р6М5 с содержанием азота до 30x10 ~12 а2/мм, на глубине до 25-30 мкм и с содержанием азотистых фаз типа Fe 4 N, Fe 3 N, Fe. N на глубине до 3 мкм.

7. Оценка температурного состояния резцов из быстрорежущей стали показала, что для резцов с износостойким комплексом снижается относительная температура, поступающая в режущую часть инструмента, причем основной вклад в снижение скорости роста температуры в режущей кромки инструмента оказывает азотированный слой. Кроме того показано, что для инструмента с износостойким комплексом заметно (до 12%) снижается температура в зоне контактирования ОМ и ИМ

S. Резцы оснащенные пластинами Р6М5 с разработанными составами износостойкого комплекса [A-Zr-TiCN,A-(Ti,Cr)-(25%Ti,75%Cr)N] при точении стали 45 (HB1S0) имели стойкость в 10-15 раз выше стойкости контрольных резцов и 1,5-8 раз выше стойкости резцов с азотированием и износостойкими покрытиями

стандартного состава.

Сверла с разработанными составами износостиойкого комплекса в 1,5-5 раз выше стойкости контрольных сверл и сверл с лучшими составами износостойких покрытий СПК.ТдСК).

9. Показано, что для тяжелых условий термического нагружения режущей части инструмента азотированный слой может служить самостоятельным "упрочняющим" элементом инструмента, в частности, сверла из быстрорежущей слгали повышенной теплостойкости Р12ФЗКЗОМЗ с азотированным слоем (Ь^ = 25-30 ш) имели стойкость в 5-6 раз выше стойкости контрольных сверл при обработке титанового сплава ВТ-20, в то время как сверла со стандартным износостойким покрытием эффекта не имели.

10. Установлено, что комбинированная ионно-плазменная обработка быстрорежущего инструмента может быть достаточно эффективной для широкого применения и в тех случаях, когда инструмент подвергается в процессе эксплуатации повторным затачиваниям по одной из рабочих поверхностей. Поэтому комбинированная ионно-плазменная обработка может быть рекомендована для режущего инструмента, нодвергаемого в процессе эксплуатации повторным перетачиваниям по одной из рабочих поверхностей.

11. Показано (на примерах точения и сверления), что при формировании износостойкого комплекса заданного состава и конструкции, а также оптимизации его параметров (толщина азотированного слоя, общая толщина износостойкого комплекса, микротвердость и т.д.) необходимо учитывать состав газовой смеси и температурное поле рабочей зоны камеры. В этом случае сформированный износостойкий комплекс на рабочих поверхностях режущего инструмента позволяет заметно повысить его эффективность и прежде всего время наработки на отказ (до 3-15 раз), и производительность резания (на 40-120%) при одновременном снижении коэффициента разброса времени наработки на отказ (на 2050%).

12. Разработаны стохастические динамические модели резания для операции точения и сверления конструкционных сталей инструментом из быстрорежущей стали с созданными вариантами износостойкого комплекса, позволившие установить, что азотирование может служить самостоятельным методом повышения эффективности инструмента из быстрорежущей стали для различных опера-

— 29 —

цпй механической обработки с высокой тепловой напряженностью режущей части инструмента.

13. Результаты исследований были использованы для разработки технологий комбинированной ионно-пяазменной обработки различного быстрорежущего инструмента па АОЗТ НПК "Виртус", АОЗТ НПК "Новатех", для отработки технологии комбинированной ионно-плазменной обработки сверл фирмы "Fette" ФРГ в Магдебургском Университете, институт IFQ, а также в учебном процессе на кафедре "Технология формообразующей обработки" при проведении лабораторных работ по курсу "Интенсификация резания".

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1 .Верещака A.C., Дюбнер Л.Г., Чекалова Е, А.

"Разработка концепции, оборудование и технология комбинированной пон-но-шмзменной обработки режущего инструмента". Доклад на международном семинаре "Иигерпартнер -96". Труды семинара ХГПУ-Алушта. 1996г. стр.177186.

2.Верешака A.C., Кирютгов А.К., Чекалова Е.А.

"Повышение эффективности лезвийной обработки применением экологически чистых сред". Доклад на международном семинаре "Ишерпаргнер -97". Труды семинара ХГПУ-Алушта. 1997г. стр.45-46.