автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение надежности режущего инструмента путем нанесения ионно-плазменных покрытий с оптимальным составом газовой среды

/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

"СТАНКИН"

УДК 621.09.02 На правах рукописи

ЧЕКАЛОВА ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПУТЕМ НАНЕСЕНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ С ОПТИМАЛЬНЫМ

СОСТАВОМ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ.

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент ..

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени у

ч/'

кандидата технических наук

Научный руководитель -д.т.н., проф. Верещака Анатолий Степанович.

Москва - 1997

Оглавление.

Введение...............................................4

1. Анализ методов повышения надежности режущих инструментов. Цели и задачи исследования.............10

1.1. Основные тенденции совершенствования инструмента из быстрорежущей стали.................................11

1.2. Анализ методов повышения надежности быстрорежущего инструмента путем поверхностного упрочнения его режущей части..........................16

1.3. Обзор методов ионного азотирования режущего инструмента из быстрорежущей стали.....................21

1.4. Анализ методов повышения надежности инструмента из быстрорежущей стали путем нанесения износостойких покрытий и комбинированной ионно-плазменной поверхностной обработки..............................................25

1.5. Анализ работ по исследованию работоспособности режущего инструмента из . быстрорежущей стали и комбинированной ионной обработки.......................33

1.6. Анализ данных обзора, постановка цели и задач исследования...........................................37

2. Разработка принципов и методики формирования диффузионного термостабильного слоя в составе износостойкого комплекса на рабочих поверхностях инструмента из быстрорежущей стали. Общая методика исследования...........................................41

2.1. Принципы комбинированной ионно-плазменной обработки инструмента из быстрорежущей стали...............41

2.2. Теоретические предпосылки формрования диффузионного термостабильного слоя методами химико-термической обработки,стимулированной электрическим газовым разрядом.......................................59

2.3. Оборудование и особенности технологии комплексной ионно-плазменной обработки (КИПО) инструмента из

быстрорежуей стали.....................................7 0

2. 4. Общая методика проведения работы................75

2.4.1.Методика комбинированной ионно-плазменной

обработки инструмента

п с /

2.4.2. Методика определения режущих свойств. Оборудование, инструмент, оснастка, обрабатываемый материал...............................................80

3. Разработка технологии формирования диффузионного термостабильного слоя и износостойкого комплекса при комбинированной ионно-плазменной обработке инструмента из быстроркежущей стали...................................97

3.1. Особенности азотирования быстрорежущего инструмента в несамостоятельном газовом разряде........98

3.1.1. Исследование особенностей азотирования инструмента из стали Р6М5 в несамостоятельном газовом разряде...............................................103

3.1.2. Математическое моделирование процесса азотирования в плазме НГР.............................107

3.2. Исслдование параметров азотированного в плазме НГР слоя..............................................116

3.3. Исследование параметров азотированного слоя полученного в составе износостойкого комплекса, полученный методом КИПО...............................136

3.3.1. Разработка методики и исследование параметров ПСЫ в составе износостойкого комплекса, формируемого методом КИПО..........................................137

3.3.2. Физико-химические процессы при синтезе наружного слоя (ИП) износостойкого комплекса..........14 0

3.3.3. Исследование состава газовой среды при синтезе напылении карбонитрида титана.........................14 7

3.3.4. Исследование влияния состава газовой среды на свойства покрытий.....................................153

3.3.5. Оптимизация (ДТ-слоя) параметров азотированного слоя в составе ИК.....................................163

4. Исследование режущих свойств инструмента из быстрорежущей стали с разработанными вариантами износостойких комплексов, формируемых методами КИП0...17 6

4.1. Методика исследований.........................17 6

4.2. Исследование параметров процесса резания режущих свойств инструмента из быстрорежущей стали с ИК(КИПО).189

4.2.1. Исследование параметров резания и режущих свойств инструмента при продольном точении............189

4.2.2. Исследование параметров резания и свойств инструмента при сверлении.............................213

4.3. Исследование влияния повторных заточек инструмента с ИК(КИПО) на эффективность его дальнейшей эксплуатации..........................................225

5.Управление резанием инструментом с КИПО..........236

5.1. Разработка методики критериев оптимизации процесса резания быстрорежущего инструмента с КИПО....236

5.2. Обоснование и выбор математической модели.....237

5.3.Разработка математических моделей резания при точении и сверлении стали 45 режущего инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 с упрочняющей обработкой.....239

5.4. Внедрение результатов исследований............252

Общие выводы.......................................254

Литература.........................................258

ВВЕДЕНИЕ

Все более широкое применение автоматизированного станочного оборудования в механообрабатывающем

производстве обуславливает интенсификацию процесса резания, что является главной причиной повышенного расхода дорогостоящего инструментального материала. В связи с этим повышение надежности и эффективности режущих свойств инструмента в значительной степени определяют рост эффективности механообрабатывающего производства в целом. Поэтому проблема повышения надежности и режущих свойств инструмента является одной из наиболее актуальных в механообрабатывающем производстве.

Среди наиболее эффективных методов повышения режущих свойств инструмента в мировой практике является нанесение износостойких покрытий на их режущие части, которые позволяют повысить износостойкость контактных площадок инструмента, в том числе, в условиях выраженных адгезионно-усталостных, коррозионно-окислительных и диффузионных процессов.

Вместе с тем выбор состава, свойств и оптимизация условий получения износостойких покрытий для повышения надежности и режущих свойств инструмента требует детального изучения физико-химических и механических процессов, определяющих характер и закономерности отказов режущего инструмента. Свойства композиции "покрытие-инструментальный материал" могут заметно отличаться от свойств исходного инструментального материала, а эксплуатация такого инструмента приводит к заметной трансформации процессов, влияющих на отказы режущего инструмента. Указанное, в частности, относится к

контактным характеристикам процесса резания, которые трансформируются из-за значительного уменьшения работы трения на контактных площадках передней и задней поверхностей инструмента. Последнее может служить причиной роста нормальных контактных напряжений^ особенно со стороны передней поверхности и смещения эпюр максимальных температур к режущей кромке. Это, в свою очередь, может привести к потере пластической устойчивости режущего инструмента и вязкому

(пластическому) разрушению режущей части инструмента. Поэтому многие отечественные и зарубежные исследователи техологических систем "инструментальный материал с покрытием - обрабатываемый материал" отмечали повышенную склонность к потере формоустойчивости быстрорежущих пластин с различными покрытиями, особенно при резании труднообрабатываемых материалов, для черновых операций обработки (повышенный уровень термомеханических напряжений ) и т. д. .

Таким образом, при разработке технологии нанесения покрытий на быстрорежущий инструмент с целью повышения его надежности, режущих свойств и производительности следует учитывать не только состав, свойства и условия получения покрытий, но также использовать любую возможность повышения сопротивляемости быстрорежущей стали термопластическим деформациям с целью компенсации возрастающих значений нормальных контактных напряжений со стороны передней поверхности и роста концентрации повышенных температур у режущей комки.

Настоящая работа посвящена проблеме повышения надежности режущего инструмента из быстрорежущей стали путем комбинированной поверхностной ионно-плазменной

обработки его рабочих поверхностей с целью компенсации потери вязкой прочности режущего клина инструмента и роста долговечности покрытия на контактных площадках инструмента.

В соответствии с поставленной целью работы сформулированы основные задачи исследования. Для решения поставленных задач разработаны рабочие гипотезы и методика формирования "износостойкого комплекса" на субстратах из различных быстрорежущих сталей, состоящего из диффузионно-термостабильного слоя и адгезионного подслоя методом комбинированной ионно-плазменной поверхностной обработки. Оптимизация параметров "износостойкого комплекса" (ИК) позволила получить образцы с ИК для экспериментальных, лабораторных и производственных испытаний по оценке их режущих свойств, надежности и эффективности.

Основной отличительной чертой настоящей работы явилось тщательное исследование условий формирования

износостойкого комплекса методом комбинированной ионно-плазменной поверхностной обработки инструмента из быстрорежущей стали. В работе уделено большое внимание температурным условиям формирования диффузионного

термостабильного слоя (ДТ-слоя) при ионном азотировании с использованием плазмы несамостоятельного газового разряда при различных схемах его генерирования, а также контрольного состава металлогазовой плазмы. В частности установленная сильная негомогенность температурного поля в рабочем объеме вакуумной камеры позволила установить рациональную зону размещения инструмента в камере для его комбинированной обработки. Разработанные математические модели азотирования в плазме несамостоятельного газового

разряда позволили оценить значения оптимальных технологических параметров, обеспечивающих минимум интенсивности изнашивания различных типов инструмента из быстрорежущей стали (пластины, сверла, отрезные резцы).

Особое внимание было уделено контролю состава газовой среды при формировании сложно-композиционных по составу поверхностных износостойких покрытий износостойкого комплекса. Это, в частности, относится к разработке методики и оптимизации составов износостойких покрытий в составе износостойкого комплекса на основе композиции ТЧ-С-Ы.

Наконец, отличительной чертой настоящей работы является строгая корреляция теоретических положений по теории формирования диффузионного термостабильного слоя (кинетика, фазовые составы и т.д.) с экспериментальными изысканиями по технологии ионного азотирования быстрорежущей стали с использованием несамостоятельного газового разряда.

В работе на основе детального анализа причин отказов быстрорежущего инструмента для широкого спектра механических операций резания показана технологическая ниша применения инструмента с износостойким комплексом, только с покрытием или только диффузионным слоем в качестве несамостоятельного элемента упрочнения инструмента из быстрорежущей стали. В частности,в главе 4 работы показаны типичные примеры эффективного использования инструмента с полным износостойким комплексом и только с диффузионным слоем.

В работе уделено также большое внимание вопросам рационального использования инструмента с износостойким комплексом или диффузионным термостабильным слоем. В

частности для автоматизированного расчета оптимальных режимов резания подобным инструментом по критериям "производительность" и "себестоимость" разработаны

математические модели.

Таким образом, в работе рассмотрен комплекс вопросов, относящихся к проблеме разработки инструмента из быстрорежущей стали с износостойким комплексом (на примерах пластин и сверл из быстрорежущей стали) и его рациональной эксплуатации при продольном точении, сверлении и отрезке. Результаты этих исследований позволяют:

оценить оптимальные параметры износостойкого покрытия на пластинах и сверлах из быстрорежущей стали (БРС) для продольного точения и сверления стали:

определить экономически целесообразные режимы обработки сталей сборными резцами, оснащенными пластинами из БРС:

разработать технические условия (ТУ) на

производство быстрорежущих пластин из быстрорежущей стали с ИП для оснащения резцов и сверл. Методические положения, алгоритмы и программа расчета экономически целесообразных режимов резания на многоцелевых обратывающих центрах и станках с ЧПУ используются в учебном процессе МГТУ "СТАНКИН", в АОЗТ "ВИРТУС", НПП "НОВАТЕХ" и IFQ МУ (ФРГ).

Работа выполнена в соответствии с планом научно-технических работ МГТУ "Станкин", программой ГКНТП РФ "Технологии, машины и производства будущего."(проект 06.01.05) и международным проектом "Kombinirte Ionenstrahl- und Beschichtungstechnologie", выполняемом МГТУ "Станкин" и IFQ Магдебургского университета (ФРГ).

На защиту выносятся:

функциональные связи между технологическими параметрами процесса формирования износостойкого комплекса, структурно - фазовым составом диффузионного термостабильного слоя и эффективностью быстрорежущего инструмента;

- физическая модель процесса азотирования в плазме несамостоятельного газового разряда с учетом состава газовой смеси и распределения (гомогенности) температуры в рабочей зоне ионно-плазменной установки;

- математические модели резания (точение, сверление) инструментом с разработанными составами ИК (КИПО).

Настоящая работа является продолжением исследований, многие годы выполняемых на кафедре "Резание материалов" МГТУ "СТАНКИН" в области разработки режущего инструмента с износостойким покрытием.

Автор считает долгом выразить глубокую признательность, благодарность коллективу кафедры резание материалов МГТУ "СТАНКИН" и сотрудникам IFQ МУ (ФРГ) , а так же научному руководителю д.т.н., профессору Верегцака A.C., директору, IFQ МУ (ФРГ) профессору Ф. Лиерат, а также сотрудникам IFQ док.-инженеру Л.Дюбнер, док.-инженеру А.Панкову за советы и помощь, оказанные при выполнении работы.

Выражаю также глубокую признательность и благодарность в память моему консультанту А.И. Савостикову.

Автор считает долгом выразить благодарность к.т.н., доценту Власову В.И.

Глава 1. Анализ методов повышения надежности

режущих инструментов. Цели и задачи исследования.

В современном металлообрабатывающем производстве все большее применение находит сложное автоматизированное станочное оборудование, управляемое от ЭВМ. Эффективное использование такого оборудования возможно только при достаточной надежности его функционирования, причем среди многих причин отказов станочного оборудования главными являются отказы режущего инструмента, который является наиболее слабым звеном технологической системы СПИД. Для повышения надежности режущего инструмента и технологической системы в целом, обычно резко снижают режимы его эксплуатации (например уменьшают скорость резания), увеличивая, таким образом, условия при которых возрастает нестабильность стружкообразования и контактных процессов, что в свою очередь увеличивает вероятность случайного отказа инструмента, например, в результате макро- или микрохрупкого разрушения. Обычно под надежностью режущего инструмента (РИ) понимают /16, 62, 7 3/ способность сохранять работоспособность в течение заданного времени, причем объективным критерием, определяющим надежность РИ, является вероятность его безотказной работы. При этом отказ может оказаться внезапным ( микрохрупкое или вязкое разрушение режущей части РИ) или постепенным (микроразрушение контактных площадок). При известном законе распределения времени наработки на отказ /62, 73/ объективными критериями надежности РИ может служить среднеарифметическое значение времени наработки на отказ и коэффициент вариации этого времени. Наибольшее влияние на

надежность РИ оказывают его физико-механические свойства /16, 46, 73/.

Наиболее эффективным путем формирования требуемых свойств приповерхностных слоев инструментального материала является применение современных методов механического, физико-химического упрочнения, нанесения износостойких покрытий и комплексной поверхностной обработки.

В настоящее время до 68 - 7 0% РИ изготовляют из быстрорежущей стали несмотря на то, что РИ из твердого сплава, керамики и сверхтвердых синтетических инструментальных материалов (СТМ) обеспечивают более высокую производительность резания. Это связано как со значительно большей технологичностью быстрорежущих сталей, которые хорошо обрабатываются в отожженом состоянии,так и возможностью изготовления сложнопрофильного и крупногабаритного РИ.

Поэтому сложнопрофильный инструмент (сверла, зенкеры, развертки, концевые и зуборезные фрезы, протяжки и т.д.) производят почти исключител�