автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение работоспособности монолитных твердосплавных концевых фрез путем оптимизации архитектуры многослойных наноструктурированных износостойких покрытий

КУРОЧКИН АНТОН ВАЛЕРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МОНОЛИТНЫХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ КОНЦЕВЫХ ФРЕЗ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ АРХИТЕКТУРЫ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 илР 2С»2

Рыбинск-2012

005013134

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева».

Научный руководитель:

заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Кожина Татьяна Дмитриевна.

Официальные оппоненты:

Постнов Владимир Валентинович, доктор технических наук, профессор, Уфимский государственный авиационный технический университет, заведующий кафедрой «Мехатронные станочные системы»;

Михайлов Станислав Васильевич, доктор технических наук, профессор, Костромской государственный технологический университет, профессор кафедры «Технологии машиностроения».

Ведущая организация: открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн", г. Рыбинск.

Защита диссертации состоится 4 апреля 2012 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева».

Автореферат разослан 2 марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Конюхов Борис Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации рассматриваются вопросы повышения стойкости монолитных твердосплавных концевых фрез за счет применения многослойных наноструктурироваиных износостойких покрытий.

Актуальность темы.

Непрерывное совершенствование конструкций авиационных двигателей, широкое применение труднообрабатываемых материалов для изготовления ответственных деталей с высокой точностью рабочих поверхностей привело к широкому внедрению станков с числовым программным управлением, обрабатывающих центров, автоматических линий и другого дорогостоящего оборудования, требующего значительной интенсификации режимов резания и как следствие, вызывающих повышенный расход режущего инструмента.

Одним из эффективных средств сокращения расхода инструмента при достижении высокого уровня производительности металлообработки является применение инструмента с износостойкими покрытиями. Износостойкие покрытия позволяют получить рабочие поверхности инструмента с необходимыми служебными характеристиками, как правило, не изменяя свойств основного инструмента. Поэтому в настоящее время фирмы-производители инструмента, такие как Sandvik Coromant, Iscar, Dormer, Walter, ЗАО «НИР», Кировоградский завод твердых сплавов и др., ведут активные разработки по следующим основным направлениям: совершенствование геометрии и материала режущей части, разработка технологий износостойких покрытий.

Сейчас все большее распространение получают наноструктурированные многослойные покрытия, состоящие из нескольких основных слоев, разделенных тонкими промежуточными. Технология нанесения позволяет придать им характеристики, необходимые для конкретных условий обработки, и гарантировать, что покрытие эффективно дополняет физико-механические свойства основы из твёрдого сплава. В многослойном покрытии каждый износостойкий слой выполняет свою функцию, улучшающую эксплуатационные свойства режущей кромки. Варьируя составом и толщиной слоев, можно создать режущие кромки из твёрдых сплавов, предназначенные для обработки определенной группы материалов для выполнения конкретных операций, либо универсальные в применении для различных обрабатываемых материалов и технологических операций обработки.

Наиболее эффективно многослойные наноструктурированные покрытия применяются для твердосплавных концевых фреза с целью предотвращения сколов режущих кромок при возникновении ударных нагрузок. Во многих случаях фрезами производятся операции по обработке сложных поверхностей на дорогостоящем оборудовании, поэтому существенное увеличение режимов обработки и повышение стойкости фрезы, благодаря применению многослойных многофункциональных наноструктурироваиных покрытий, существенно снижает себестоимость изделия и позволяет эффективнее использовать оборудование.

Таким образом, оптимизация параметров технологических процессов нанесения и эксплуатации многослойных износостойких наноструктурироваиных покрытий твердосплавных концевых фрез становится актуальным и значи-

мым направлением работы на пути к созданию режущего инструмента, применимого в различных областях современной промышленности.

Целью работы является повышение работоспособности монолитных твердосплавных концевых фрез путем оптимизации архитектуры многослойных наноструктурированых износостойких покрытий.

Поставленная цель достигается решением следующих теоретических и прикладных задач:

1. Разработкой математических моделей резания осевым твердосплавным инструментом с наноструктурированными износостойкими покрытиями с учетом особенностей резания монолиньми твердосплавными фрезами с многослойными покрытиями.

2. Исследованием зависимостей, характеризующих разрушение покрытий на инструменте, на основе которых должны быть сформированы наиболее рациональные архитектуры многослойных наноструктурированных покрытий монолитных твердосплавных концевых фрез.

3. Анализом основных методов износостойких покрытий монолитных твердосплавных концевых фрез и выбором наиболее эффективных способов покрытий с точки зрения повышения работоспособности инструмента.

4. Оптимизацией технологии синтеза многослойных износостойких наноструктурированных покрытий монолитных твердосплавных концевых фрез по граничному комплексу отслоения покрытия и разработкой оптимального варианта структуры демпфирующего покрытия.

5. Испытанием и исследованием силовых параметров резания с целью выявления стойкостных характеристик монолитных твердосплавных концевых фрез с полученным многослойным покрытием, определением достоверности полученных математических моделей и внедрением результатов исследования в производство монолитных твердосплавных концевых фрез.

Общая методика исследований основана на теоретических исследованиях, проводимых с использованием фундаментальных положений механики, теории резания и теории упругости, технологии машиностроения, теории пластической деформации, теории вероятности, методов планирования экспериментов, методов моделирования на ЭВМ. Экспериментальные исследования выполнены в производственных и лабораторных условиях на специальном оборудовании с использованием системы автоматизированной фиксации экспериментальных данных и их обработкой с использованием программных продуктов Mathsoft Mathcad, Microsoft Office Excel.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов обработки и сопоставления расчетных и экспериментальных данных с помощью программ: MathStat-5, Statistica, Statgraf.

Научная новизна работы заключается в

- предложенной автором оптимизации архитектуры многослойного износостойкого наноструктурированного покрытия монолитных твердосплавных концевых фрез по граничному комплексу отслоения, на основе разработки математических моделей оценки напряженного деформированного состояния покрытий, и процесса резания монолитными твердосплавными концевыми фреза-

ми с многослойными износостойкими покрытиями, позволяющих прогнозировать их стойкостные характеристики;

- разработанном алгоритме выбора рационального покрытия монолитных твердосплавных концевых фрез, учитывающем комплекс факторов, определяющих стойкость покрытия на инструменте, в том числе физико-механические свойства обрабатываемого и инструментального материала, режимы резания, геометрические параметры режущего инструмента, что позволило прогнозировать структуру многослойного покрытия на стадии технологической подготовки производства.

- установлении закономерности о наименьшей дефектации многослойного износостойкого наноструктурированого покрытия монолитной концевой фрезы достигаемой рациональными значениями граничного комплекса отслоения покрытия, характеризующегося пороговым значением составляющей силы резания на задней поверхности зуба фрезы;

- теоретически обоснованном и экспериментально подтвержденном способе повышения стойкостных характеристик монолитных твердосплавных концевых фрез за счет оптимизации архитектуры многослойных износостойких наноструктурированных покрытий по граничному комплексу отслоения.

Практическая ценность работы состоит в оптимизации технологии демпфирующего многослойного износостойкого покрытия на монолитные твердосплавные концевые фрезы по граничному комплексу отслоения, обеспечивающей повышение ресурса работы инструмента между переточками, а также оптимизации процесса нанесения покрытия по граничному комплексу отслоения покрытия, обеспечивающим оптимальные режимы резания.

В процессе работы выполнен анализ состояния исследуемой проблемы с учётом результатов прогнозных исследований, сформулированы требования к технологическим процессам изготовления многослойных износостойких наноструктурированных покрытий монолитных твердосплавных концевых фрез, применяемых при обработке деталей авиационных газотурбинных двигателей из труднообрабатываемых материалов и характеристикам износостойких покрытий.

Автор защищает

1. Модель синтезирования многослойного износостойкого нанострукту-рированного покрытия и возможность прогнозирования стойкостных характеристик покрытий по граничному комплексу отслоения.

2. Модели процесса резания твердосплавными монолитными концевыми фрезами с наноструктурированными износостойкими покрытиями с учетом особенностей резания и элементного формирования стружки.

3. Модели оценки напряженно-деформированного состояния покрытий монолитных твердосплавных концевых фрез, позволяющие прогнозировать рекомендации области их применения.

4. Предложенную оптимизированную демпфирующую архитектуру многослойного износостойкого наноструктурированного покрытия по граничному комплексу отслоения.

Реализация результатов работы. Основные положения диссертации внедрены на предприятии ЗАО «Новые инструментальные решения» в виде ка-

талога предприятия, включающего в себя рекомендации по использованию инструмента с многослойными износостойкими покрытиями, применяемого при обработке деталей авиационных газотурбинных двигателей из труднообрабатываемых материалов, с целью повышение эффективности изготовления металлорежущего инструмента с наноструктурированными покрытиями.

Апробация работы: отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на «Конкурсе молодых специалистов авиационно-космической отрасли» в 2008 г., г. Москва, Организатор - Торгово-промышленная палата Российской Федерации (работа награждена дипломом третьей степени); на «Международном форуме по нанотехнологиям» декабрь 2008г. Организатор - ГК «РОСНАНОТЕХ»; конкурсе работ молодых ученых «У.М.Н.И.К.» г. Алушта 2009 г. Организатор - МАИ; доклад на конференции в рамках выставки «Высокие технологии, инновации, инвестиции» 2008г. г. Санкт-Петербург; конкурсе молодых специалистов в рамках авиационного салона МАКС-2009 г. Жуковский, организатор - РГАТА им. П.А. Соловьева; доклад на конгрессе в рамках выставки «Двигатели 2010», организатор конгресса - ФГУП «ВИАМ», г. Москва, апрель 2010г., полностью работа докладывалась и обсуждалась на кафедре «Резание материалов, станки и инструмент» им. С.С. Силина РГАТА им. П.А. Соловьева.

Автором диссертации выполнялись научно-исследовательские работы по грантам и программам Министерства образования и науки РФ совместно с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «У.М.Н.И.К.-2011».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 учебно-методических пособия.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с общими выводами по работе, списка использованных источников из 142 наименований и приложений. Объем работы 206 страниц, диссертация содержит 64 рисунка, 13 таблиц, 30 формул.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, кратко сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса особенностей эксплуатации монолитных твердосплавных концевых фрез с износостойкими покрытиями и причин их отказов. Вопросом повышения работоспособности режущего инструмента занимались многие отечественные и зарубежные ученые: Аваков A.A., Безъязычный В.Ф., Бобров В.Ф., Быков Ю.М., Васин СЛ., Верещака A.C., Волков Д.И., Грановский Г.И., Жилин В.А., Зорев H.H., Кабалдин Ю.Г., Кожина Т.Д., Лоладзе Т.Н., Макаров А.Д., Михайлов C.B., Паладин Н.М., Постнов В.В., Силин С.С., Табаков В.П., Талантов Н.В.,

Krishnamurthy S., Matthews, A., Bouzakis, К. D„ Venkatesh, T. A., Wang, J.S. и др. Наиболее эффективным и активно развивающимся направлением повышения работоспособности инструмента во всем мире, является разработка и

применение методов модификации поверхностных свойств инструмента: пластическим деформированием, электроэрозионным и лазерным легированием, синтезом покрытий и др.

Основные методы I

Метод С М)

« 1кткл1 \ajmt <¡< ¡/<»¡{¡011 \miii44TKor 11:4)1 >ф;> шог мслжпнт)

Метод 1'М>

(рИувкч!I ^ а рог <к'|)(»шк)11 - Папы, и-шн- коп/ипиащн'Н И ( мароном (1 а мшоН) фа »ы)

1 - подложка; 2 - мишень; 3 - магнитная система; 4 - охлаждение

1 - подложка; 2 - поток ионов; 3 - источник ионов; 4 - электронно-лучевой испаритель

1 - ионы металла;

2 - инструмент; 3 - дуга; 4 - изолятор; 5 - система магнитов; б - мишень

Подложка

- Напыление широкого типа материалов;

- Высокое качество и однородность

- покрытий;

- Равноскоростное распыление;

- Низкая себестоимость процесса;

- Полная экологическая безопасность,

- Возможность наносить бинарные фрикционные покрытия;

- Увеличение производительности;

- Уменьшение температуры процесса.

- Уменьшение температуры процесса;

- Возможность наносить покрытия на быстрорежущие стали;

- Возможность наносить композиционные и многослойные покрытия.

- Улучшение структуры и свойств покрытий;

- Улучшение адгезии между покрытием' и подложкой;

- Увеличение производительности.

- Снижение склонности инструмента к деформации;

- Лучшая управляемость процесса;

- Оптимальное сочетание прочности и пластичности.

Рис. 1. Основные методы нанесения покрытий

Несмотря на имеющиеся преимущества и недостатки различных методов модификации поверхностного слоя инструмента наиболее эффективным методом повышения различных его свойств, является направленная модификация поверхности путем осаждения функциональных покрытий. Состав и свойства износостойких покрытий в значительной степени зависят от техники и технологии их нанесения (рис. 1).

Проведенный анализ показывает, что вопросы эффективного применения концевого инструмента с износостойким покрытием, изучены недостаточно.

Рекомендации по выбору условий синтеза износостойких покрытий, имеют широкий диапазон параметров, по разным данным они могут значительно отличаться.

Изучение опыта разработки износостойких покрытий и технологических процессов их нанесения на монолитные твердосплавные концевые фрезы показывает, что наиболее удовлетворительным комплексом свойств могут обладать многослойные наноструктурированные покрытия сложного состава с определенной структурой, полученные методом магнетронного ионно-плазменного осаждения, при котором температуры подложек невелики (менее 100-200°С), что расширяет возможности получения наноструктурных покрытий с небольшим размером зерен без образования металлической капельной фазы.

Рис. 2. Схема расчета сил резания при фрезеровании инструментом с покрытием: 1 - режущая кромка зуба инструмента;

2 - обрабатываемый материал; 3 - срезаемая стружка;

4 - застойная зона; 5 - покрытие Во второй главе на основе анализа ранее выполненных исследований, представлена разработка математической модели резания осевым инструментом, на примере концевой фрезы, деталей из труднообрабатываемых материалов.

Силы, действующие на режущее лезвие, складываются из сил, возникающих в зоне стружкообразования, и сил, развиваемых на задней поверхности инструмента (рис. 2). Силы трения на задней поверхности складываются из трех частей: во-первых, действует сила трения на задней поверхности застойной зоны; во-вторых, сила трения на радиусном переходе с покрытием, производящем пластическое подмятие металла; в-третьих, сила трения на площадке износа покрытия, образующей заднюю поверхность зуба. Учитывая длину задней поверхности, радиусного участка, застойной зоны, наличия покрытия на инструменте, средний коэффициент трения на этих поверхностях, а также напряжения

к

сдвига, можно определить проекции сил на оси г и у. При суммировании необходимо учитывать то обстоятельство, что в случае недостаточной глубины внедрения зуба фрезы происходит лишь подмятие материала, при котором силы в плоскости сдвига отсутствуют. Таким образом, проекции сил на оси гну можно записать в следующем виде:

2_ Рм»р 1 В г р 1 + В%гСр

Лг

Iи

% 1 + 4;/

а..

' иРм"р

Тр 1 + Вцгср

1+и

■М

+ 1

%в 1 + Лц

Г

(1)

где Рг - проекция силы резания, действующей на одно из лезвий режущего зуба фрезы на ось Ог; Н; Ру - проекция силы резания, действующей на одно из лезвий режущего зуба фрезы на ось Оу; Н; тр - сопротивление пластическому сдвигу; Па; Ьх - ширина среза; м; аи - глубина внедрения зуба фрезы; м; Д] -высота подминаемого слоя, м; р, - радиус округления режущей кромки; м; В -тангенс угла наклона условной плоскости сдвига; рм - плотность обрабатываемого материала; \'р - скорость резания; уср - среднее значение переднего угла; 13 - длина площадки износа на режущем лезвии; 1„ - длина застойной зоны; // — средний коэффициент трения по задней поверхности; Ицп - толщина и слоя многослойного покрытия, м.

Полученное выражение для составляющих силы резания зуба фрезы с режущей кромкой с покрытием полностью учитывает особенности, характерные для обработки концевыми фрезами с покрытием. Главной особенностью является то, что часть сечения среза подминается, другая часть срезается в виде стружки. Это означает, что происходит пластическая деформация обрабатываемой поверхности заготовки, где создается наклепанный слой материала. Важнейшую роль при этом играют процессы трения на контактных поверхностях вызывающие разрушение покрытия.

Полученные аналитические зависимости для расчета силы резания инструментом с покрытием учитывают пластическое подмятие обрабатываемого материала режущей кромкой с нанесенным на нее покрытием с учетом возможно износа покрытия и позволяют рассчитать силы резания при обработке любых материалов.

В третьей главе представлены исследования дефектации многослойных покрытий с целью выявления наиболее рациональных архитектур многослойных покрытий применительно к монолитным твердосплавным концевым фрезам. Для оценки дефектации покрытий, автором предлагается рассмотреть двумерную конечно-элементную модель растрескивания системы «покрытие -подслой - подложка». Рассматривается составная модель, представляющая собой твердое износостойкое покрытие с промежуточным слоем титана и твердосплавным основанием. Для изучения распределения напряжений и образования трещин свойства материала покрытия и промежуточного слоя были выбраны

Рис. 3. Распространение трещин к поверхности покрытия вследствие увеличения напряжений

различными. Распределение напряжений неравномерно через всю толщину покрытия. Дня решения данной задачи использовался программный комплекс ABAQUS 6.1.

Установлено, что в результате изгиба покрытия происходит возникновение сжимающих напряжений, вызывающих развитие трещины вблизи поверхности раздела. Сжимающие напряжения, которые фиксируются вблизи поверхности покрытия, тормозят развитие трещин, возникающих из поверхности раздела. Из рисунка 3 видно, что даже при увеличении напряжений, количество трещин на поверхности покрытия не увеличилось, а с ростом напряжений трещины, образованные вблизи поверхности, претерпевают рост.

Рассмотренные модели позволили оценить реакцию системы «покрытие-подслой-подложка» на возникающие растягивающие напряжения. Из проведенного анализа видно, что зарождение трещины происходит в поверхности раздела с последующим ее распространением к поверхности покрытия, и часто останавливается около поверхности покрытия из-за наличия сжимающих напряжений. Система «покрытие-подслой-подложка» чувствительна к свойствам входящих в нее компонентов, что дает возможность принять меры по оптимизации покрытия. Системы покрытий являются склонными к разрушению из-за возникающих трещин в покрытии и/или деформаций подложки. Разрушения в системах покрытий в основном состоят из когезионных и межфазовых расслаиваний.

Для оценки отслоения покрытий была рассмотрена конечно-элементная модель деформирования многослойного покрытия сферическим индентором. Индентор представлял собой твердый шар радиусом 250 мкм, контакт между индентором и покрытием был установлен при помощи контактных алгоритмов ABAQUS. Конечно-элементные модели многослойных покрытий представляли собой чередующиеся слои AITiN/Ti, с изменяющимся числом и толщиной слоев. Во всех моделях AlTiN принимался самым верхним слоем, а прослойка Ti всегда был самым нижним (рис. 4).

AlTiN 2,45 мкм AlTiN 200нм (10 опоев) AlTiN 300 нм, 500 нм, 700 нм, 900 нм

"П-демпфд 50нм Ti-демпфер 50нм (10 слоев) Ti-демпфер 50 нм (4 опоя)

Рис. 4. Архитектура исследуемых покрытий

Чтобы получить сведения о рабочих характеристиках многослойных покрытий, сначала было смоделировано однослойное покрытие в условиях контактного взаимодействия со сферическим индентором. После проведения анализа однослойного покрытия, конечно-элементная модель была расширена для исследования многослойных покрытий при тех же условиях нагружения.

В результате анализа выявлено, что в двухслойной архитектуре покрытия возникают максимальные остаточные напряжения, которые являются основным фактором вызывающим отслоение покрытия, а минимальные напряжения наблюдаются в многослойном покрытии с изменяющейся толщиной слоев А1ТІК Кроме того, видно, что остаточные нормальные напряжения в прослойках Ті для всех случаев являются сжимающими (рис. 5)

Рис. 5. Распределение максимальных остаточных напряжений в зависимости от архитектуры слоев и их толщины

Двумерные конечно-элементные модели позволили имитировать реакцию многослойной системы «покрытие-подслой-подложка» в различных ее вариациях на нагружение, характеризующее работу режущего инструмента. Из проведенного анализа следует, что многослойное покрытие общей толщиной 2.5 мкм состоящее из восьми чередующихся прослоек Тг (играющего роль демпфирующего слоя) и АШК с изменяющейся толщиной каждого рабочего слоя, выдерживает наибольшую нагрузку и менее подвержено разрушению.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований процесса фрезерования концевыми твердосплавными фрезами с предложенными в 3 главе архитектурами многослойных покрытий деталей из материалов применяемых при производстве авиационных двигателей. Представлена методика экспериментальных исследований, дано описание используемой аппаратуры, выполнены исследования изменения составляющих силы резания в зависимости от изменения скорости, глубины резания, исследован характер изменения износа по задней поверхности зубьев в зависимости от покрытия, проведены исследования физико-механических свойств предложенных покрытий.

Проведенные экспериментальные исследования позволили сделать заключение о высокой стабильности и повторяемости результатов, выявить особенности изменения составляющих силы резания, подтверждающие адекватность созданных расчетных моделей и функциональных зависимостей. Сравнение рассчитанных и замеренных в ходе эксперимента значений составляющих силы резания позволяют сделать вывод об их удовлетворительном совпадении с погрешностью не более 10 %, что комплексно подтверждает достоверность разработанной модели обработки концевыми фрезами с износостойкими покрытиями.

При исследовании износостойкости инструмента было выявлено, что площадки износа наблюдаются на всех исследуемых фрезах. При работе фрез без покрытия наблюдался абразивный износ по задней поверхности и интенсивное наростообразование с последующим выкрашиванием мелких частиц из режущей кромки, что приводило к ухудшению качества обработанной поверхности. При работе фрез с покрытием АШ1\Г-И наблюдался равномерный износ по задней поверхности и образование термотрещин с очагами отслаивания. Это было связано с остаточными напряжениями из-за переменных теплосиловых нагрузок на инструмент, характерных для фрезерования. Фрезы с покрытиями АЛлЫ-ИЫ-Тл (10 слоев) и АГШ-"Ш-Т1 (с варьируемой толщиной А ИМ), как и ожидалось согласно расчетам главы 3, показали наилучшую износостойкость без образования трещин ввиду наличия «демпфирующей» прослойки 'П.

Пятая глава посвящена разработке оптимизированного по граничному комплексу отслоения покрытия технологического процесса нанесения многослойного наноструктурированного покрытия монолитных твердосплавных концевых фрез.

Выражение для определения граничного комплекса отслоения покрытия кп имеет вид:

п Нп

_^"Ч (2)

п п-Рг

где кц — граничный комплекс отслоения покрытия; Я - радиус индентора, м; с1-глубина индентирования, м; 1гПп - толщина п слоя многослойного покрытия, м; п - количество слоев многослойного покрытия; а - остаточные суммарные напряжения в покрытии; Па; кп - общая толщина многослойного покрытия, м; Рг - сила резания, определяемая из зависимости (1).

При разработке технологической операции осаждения многослойного покрытия монолитных твердосплавных концевых фрез режимы обработки и распределение слоев покрытия на поверхности инструмента во многом определяют стратегию построения технологических переходов. Основные преимущества применения инструмента с покрытием связаны с увеличением скорости резания, значительным периодом стойкости инструмента и повышением точности обработки.

Схема оптимизации процесса нанесения многослойного износостойкого наноструктурированного покрытия приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Схема оптимизации процесса нанесения многослойного износостойкого наноструктурированного покрытия

Данная методика разработана на основе математического анализа механических явлений, сопровождающих процесс резания с применением инструмента с многослойным износостойким покрытием и с учетом свойств покрытий. В результате предложен научно-обоснованный аналитический подход оптимизации нанесения многослойного износостойкого наноструктурированного покрытия монолитных твердосплавных концевых фрез по граничному комплексу отслоения, позволяющий без проведения длительных и трудоемких экспериментальных исследований с высокой степенью достоверности опреде-

лить основные характеристики процесса синтеза и обеспечить подбор оптимизированного покрытия, для достижения его наибольшей стойкости на инструменте, что дает возможность увеличить количество переточек применяемого инструмента, продлить период стойкости инструмента между переточками и повысить качество обрабатываемой поверхности, используя возможности многослойного износостойкого покрытия и станочного оборудования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе проведенного анализа методов поверхностной модификации режущей части монолитных твердосплавных концевых фрез установлено, что наиболее рациональным является метод высокоскоростного магнетронного распыления, так как в процессе покрытия поверхности твердых сплавов не происходит нарушение исходной структуры поверхностного слоя, отсутствует наличие капельной фазы, нет необходимости в дополнительном нагреве режущего инструмента в процессе покрытия.

2. Разработанная аналитическая модель определения составляющих силы резания при обработке монолитными твердосплавными концевыми фрезами с многослойными износостойкими ноноструктурированными покрытиями позволила исследовать процесс изменения составляющих силы резания при обработке широкой гаммы обрабатываемых материалов, применяющихся при изготовлении высокоответственных деталей ГТД нового поколения, с учетом пластического подмятая обрабатываемого материала режущей кромкой с многослойным покрытием.

3. Выявлен механизм влияния архитектуры многослойного покрытия на его структурные параметры, механические свойства, износ и разрушение покрытия. Установлено что, эффективное сопротивление распространению отслоения может быть временно повышено или понижено за счет термоупругих напряжений, реализуемых посредством резкого изменения температуры слоев покрытия.

4. В результате исследования выявлено, что применение демпфирующего многослойного покрытия АШ№тачМП (с варьируемой толщиной АУЛЫ) существенно повышает работоспособность концевых твердосплавных фрез, что позволяет расширить область их применения на операциях механической обработки, где возникают нагрузки, зачастую приводящие к разрушению обычных покрытий уже в самом начале работы инструмента, в частности при фрезеровании заготовок из труднообрабатываемых материалов с большими толщинами среза.

5. Разработанная методика оптимизации процесса нанесения многослойных износостойких наноструктурированных покрытй монолитных твердосплавных концевых фрез по граничному комплексу отслоения, учитывает обширный комплекс факторов, определяющих стойкость покрытия на инструменте, в том числе физико-механические свойства обрабатываемого и инструментального материала, режимы резания, геометрические параметры реясущего инструмента, что позволяет прогнозировать структуру многослойного покрытия на стадии технологической подготовки производства концевых фрез.

6. Как показали результаты экспериментов, при одинаковых условиях резания покрытия обеспечивают более низкую интенсивность изнашивания инструментального материала и являются предпочтительными в данных условиях эксплуатации даже при равенстве силовых характеристик, часто используемых в качестве критериальных параметров в сравнительных экспериментах.

7. Разработанные практические рекомендации для технологий нанесения покрытий позволили в среднем повысить стойкость инструмента 16%, увеличить количество переточек на 8% и повысить производительность обработки на 28% при обеспечении требуемой точности обрабатываемой поверхности.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах (издания входят в перечень ВАК).

1. Курочкни, А. В. Исследование работоспособности многослойного износостойкого покрытия AlSiTiN [Текст] / А. В. Курочкин, М. О. Мезенцев // Справочник. Инженерный журнал. - 2009. - № 4 (145). - С. 62 - 64.

2. Курочкин, А. В. Технологические особенности многофункциональных наноструктурированных покрытий для режущего инструмента [Текст] / А. В. Курочкин // Вестник РГАТА имени П. А. Соловьева. - Рыбинск: РГАТА, 2010. -№3(18).-С. 166-172.

3. Курочкин, А. В. Исследование температурного состояния охлаждаемой лопатки турбины с термобарьерным покрытием / А. В. Курочкин, Д. И. Волков [Текст] // Вестник ЯВЗРУ ПВО. - Ярославль. - 2009 г. - Вып. 11. - С. 92 - 97. - секретно.

Другие публикации по теме диссертации.

1. Курочкин, А. В. Разработка технологических решений, направленных на повышение работоспособности термобарьерных покрытий [Текст] / А. В. Курочкин, Д. И. Волков // Будущее авиации за молодой Россией: Материалы международного молодежного форума. - Рыбинск: РГАТА, 2009. - С. 83 - 88.

2. Курочкин, А. В. Повышение стойкости термобарьерных покрытий [Текст] / А. В. Курочкин // Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Рыбинск: РГАТА, 2009. - Ч. 2. - С. 52-56.

3. Курочкин, А. В. Исследование процессов разрушения термобарьерных покрытий на охлаждаемых лопатках [Текст] / А. В. Курочкин, Д. И. Волков // Вестник РГАТА имени П. А. Соловьева. - Рыбинск: РГАТА, 2009. - № 1 (15). -С. 164-169.

4. Курочкии, А. В. Пути совершенствования термобарьерных покрытий турбинных лопаток ГТД [Текст] / A.B. Курочкин // Актуальные проблемы в науке и технике. Том 2. Машиностроение, электроника, приборостроение. Сборник трудов седьмой Всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых. - Уфа: УГАТУ, 2012. - 332 с. С. 90-93.

5. Курочкин, А. В. Технологические особенности наноструктурированных покрытий для режущего инструмента [Текст] / А. В. Курочкин // Нанотех-нологии в производстве авиационных газотурбинных двигателей летательных аппаратов и энергетических установок («ГТДнаноехнологии-2010»): Материа-

лы Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. -Рыбинск: РГАТА, 2010. - С. 52 - 56.

6. Свидетельство о регистрации объекта интеллектуальной собственности № 08-200. Научно-техническое описание технологии нанесения наноструктурированных износостойких покрытий «Циркон-1» и «Циркон-2» на монолитный твердосплавной инструмент (фрезы) [Текст]/ В. А. Полетаев, Б. Л. Карпов, В. В. Клейменов, Т. Д. Кожина, Д. С. Пиотух, Д. И. Волков, А. В. Ку-рочкин; заявитель и патентоообладатель ГОУ ВПО «РГАТА имени П. А. Соловьева», заявл. 07.11.2008 г.

7. Свидетельство о регистрации объекта интеллектуальной собственности № 08-201. Научно-техническое описание технологии нанесения покрытий электронно-искровым методом на заднюю поверхность зуба протяжек на установке ТЖ-121 [Текст]/ В. А. Полетаев, Б. Л. Карпов, В. В. Клейменов, Т. Д. Кожина, Д. С. Писпух, Д. И. Волков, А. В. Курочкин; заявитель и патентоообладатель ГОУ ВПО «РГАТА имени П. А. Соловьева», заявл. 07.11.2008 г.

8. Свидетельство о регистрации объекта интеллектуальной собственности № 10-277. Проектирование и изготовление износостойких покрытий для твердосплавного режущего инструмента, применяемого для обработки деталей авиационных газотурбинных двигателей из труднообрабатываемых материалов [Текст] / Д. И. Волков, В. А. Полетаев, В. В. Михрютин, А. В. Курочкин, М. О. Мезенцев; заявитель и патентоообладатель ГОУ ВПО «РГАТА имени П. А. Соловьева», заявл. 29.06.2010 г.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 2.03.2012 г. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. 1. Тираж 100. Заказ 76.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева (РГАТУ имени П. А. Соловьева) 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

61 12-5/3427

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования Рыбинский государственный авиационный технический университет

имени П. А. Соловьева

На правах рукописи

Курочкин Антон Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МОНОЛИТНЫХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ КОНЦЕВЫХ ФРЕЗ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ АРХИТЕКТУРЫ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ

ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ

Специальность: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-

технической обработки

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Т.д. Кожина

Рыбинск-2012

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

аи - толщина среза, м;

а\эф ~ эФФективная толщина среза, м;

Д} - величина подминаемого слоя, м;

к - коэффициент утолщения стружки;

а

?р - сопротивление пластическому сдвигу, Па;

- средний коэффициент трения по задней поверхности;

Рр - радиус округления режущей кромки, м;

Р - угол наклона условной плоскости сдвига, град;

(р8 - угол трения в условной плоскости сдвига, град;

ф - средний угол трения на передней поверхности, град.;

уср среднее значение переднего угла, град;

13 - длина площадки износа на режущем лезвии, м;

В — тангенс угла наклона условной плоскости сдвига;

хэ - длина зоны накопления материала перед началом сдвиговых

деформаций, м;

Ьпп - толщина п слоя многослойного покрытия, м;

У - передний угол зуба фрезы, град;

а - задний угол зуба фрезы, град;

ср - угол зуба фрезы в плане, град;

/3 - угол заострения, град;

в - угол на вершине зуба фрезы в плане, град;

г - радиус при вершине зуба фрезы, м;

Р2 - составляющая силы резания в направлении оси ъ, Н;

Ру - составляющая силы резания в направлении оси у, Н;

£ - начальное значение утолщения стружки;

Б - подача, мм/об;

/ - глубина резания, мм;

к\ - величина припуска, мм;

п - частота вращения шпинделя, об/мин;

кп - граничный комплекс отслоения покрытия.

СОДЕРЖАНИЕ

Условные обозначения.............................................................. 2

Введение............................................................................... 7

Глава 1. Исследование особенностей эксплуатации монолитных твердосплавных концевых фрез с износостойкими покрытиями......... 14

1.1 Исследование особенностей эксплуатации твердосплавных концевых фрез и причин их отказов..........................................................................................16

1.2 Система обеспечения надежности монолитных твердосплавных концевых фрез.......................................................................... 28

1.3 Совершенствование конструкции и оптимизация геометрических параметров монолитных твердосплавных концевых фрез, исходя из заданных условий эксплуатации..............................................................................................31

1.4 Методы повышения эксплуатационных свойств монолитных твердосплавных концевых фрез.................................................. 34

1.5 Технологии нанесения износостойких покрытий и формирование

их структур............................................................................. 38

1.5.1. Анализ особенностей метода С УБ..................................................................40

1.5.2. Анализ особенностей метода Р\Т)..................................................................42

1.5.3. Область применения РУЭ и СУБ....................................................................44

1.6 Дефектация покрытий и их разрушение................................................................46

1.7 Основные физические закономерности обработки инструментом с наноструктурированным покрытием............................................. 49

1.8 Качество деталей при обработке инструментами с

наноструктурированными покрытиями......................................... 53

Постановка цели и задач исследования........................................... 54

Глава 2. Характерные особенности обработки монолитными

твердосплавными концевыми фрезами с износостойкими покрытиями... 57

2.1 Особенности эксплуатации монолитных твердосплавных концевых 57 фрез с покрытием.....................................................................

2.2 Температурно-силовой баланс и его особенности при обработке деталей инструментом с покрытиями............................................ 60

2.2.1 Схема резания для определения сил резания для инструмента с покрытием............................................................................ 61

2.2.2 Определение составляющих сил резания при обработке монолитными твердосплавными концевыми фрезами с покрытием........ 65

2.2.3 Определение компонентов формирования элементов стружки при обработке монолитными твердосплавными концевыми фрезами с 73

покрытием...............................................................................

Выводы по главе 2................................................................... 80

Глава 3. Моделирование дефектации многослойных износостойких

покрытий.................................................................................. 83

3.1 Преимущества многослойных покрытий и область их использования ..................................................................................................................................................84

3.2. Моделирование образования трещин в покрытии........................ 85

3.3. Оценка напряженно-деформированного состояния многослойных

покрытий.................................................................................................... 97

Выводы по главе 3................................................................... 108

4 Глава 4. Результаты экспериментальных исследований фрезерования концевыми фрезами с износостойкими наноструктурированными покрытиями.............................................................................. 109

4.1 Технологическая система лабораторных исследований.................. 109

4.2 Исследование физико-механического свойств покрытий................. 112

4.3. Исследование работоспособности многослойных покрытий............

4.3.1 Исследование изменения составляющих силы резания.................

119

4.3.2 Описание стружки........................................................................................................124

4.3.3 Оценка износа фрез......................................................................................................125

Выводы по главе 4..................................................................................................................128

Глава 5. Оптимизация технологического процесса нанесения покрытия

монолитных твердосплавных фрез....................................................................................................130

5.1 Анализ вариантов разработки технологических процессов и технологических операций нанесения износостойких покрытий........................130

5.2 Методика оптимизации процесса нанесения многослойного износостойкого наноструктурированного покрытия..................................134

5.3 Определение вариантов технологий подготовки поверхности монолитных твердосплавных концевых фрез перед нанесением покрытия 144

5.4 Разработка технологического процесса нанесения нанострукутрированного износостойкого покрытия монолитных

твердосплавных концевых фрез................................................................................................149

Выводы по главе 5........................................................................................................................................157

Общие выводы.......................... ...........................................................................................158

Список использованных источников..........................................................................................160

Приложение 1 ....................................................................................................................................................174

Приложение 2...........................................................................................................................176

Приложение 3.............................................................................177

Приложение 4...............................................................................................180

Приложение 5....................................................................................................................................................183

Приложение 6....................................................................................................................................................185

Приложение 7....................................................................................................................................................188

Приложение 8........................................................................................................................191

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Непрерывное совершенствование конструкций авиационных двигателей, широкое применение труднообрабатываемых материалов для изготовления ответственных деталей с высокой точностью и низкой шероховатостью рабочих поверхностей привело к широкому внедрению станков с числовым программным управлением, обрабатывающих центров, автоматических линий и другого дорогостоящего оборудования, требующего значительной интенсификации режимов резания и как следствие, вызывающих повышенный расход режущего инструмента.

Одним из эффективных средств сокращения расхода инструмента при достижении высокого уровня производительности металлообработки является применение инструмента с износостойкими покрытиями. Износостойкие покрытия позволяют получить рабочие поверхности инструмента с необходимыми служебными характеристиками, как правило, не изменяя свойств основного инструмента. Поэтому в настоящее время фирмы-производители инструмента, такие как Sandvik Coromant, Iscar, Dormer, Walter, ЗАО «НИР», Кировоградский завод твердых сплавов и др., ведут активные разработки по следующим основным направлениям: совершенствование геометрии и материала режущей части, а также в области технологии нанесения износостойких покрытий.

Наибольший потенциал для повышения эксплуатационных свойств инструмента на данном этапе развития промышленности заключается в совершенствовании технологии нанесения износостойких покрытий, корректный подбор свойств и химического состава покрытия для конкретной области применения. Покрытие инструмента позволяет добиться сверхвысокой

твердости при высокой вязкости, повышения стойкости к пластическим деформациям и температурной стойкости.

Износостойкие покрытия стали неотъемлемой частью современных инструментальных материалов применительно для повышения работоспособности режущего инструмента. В своем развитии износостойкие покрытия прошли этапы от простых однокомпонентных покрытий до многослойных покрытий, включающих слои как простого, так и сложного состава.

Применение простых однослойных покрытий на основе нитридов и карбонитридов типа ИЫ и ТЮЫ в настоящее время не представляется целесообразным, так как эффективность таких покрытий низка по сравнению с образцами более поздней разработки. Однако в ряде случаев, эффективность простых покрытий может быть повышена за счет такого технологического приема, как осаждение покрытия в комбинированном температурном режиме (КТР). В этом случае «нижняя» зона покрытия, прилегающая к инструментальной основе, осаждается при повышенной температуре конденсации, а «верхняя», контактирующая с заготовкой и стружкой - при пониженной температуре. Технология КТР позволяет повысить эффективность покрытий в 1,5 раза. Несмотря на это простые покрытия целесообразно применять только в качестве функциональных слоев в составе многослойных покрытий.

На следующем этапе развития покрытий были созданы покрытия сложного состава на основе нитридов и карбонитридов, легированные одним металлическим или неметаллическим элементом. Примерами таких покрытий могут служить сложные нитриды ШгК, Т1АШ, ШеИ, ^¡К и карбонитриды Т12гСЫ, Т1А1СЫ. При этом использование сложных нитридов двойных систем металлов и неметаллов позволяет повысить стойкость режущих инструментов в 2-3 раза, а карбонитридов - до 4-6 раз по сравнению с покрытием Т1К Среди указанных покрытий наиболее эффективны покрытия на основе соединений

титана и алюминия и титана и циркония, обладающие одновременно высокой твердостью и вязкостью разрушения, а также жаростойкостью и коррозионной стойкостью. Легирование таких покрытий третьим элементом (покрытия на основе тройных систем типа ИА^, ШгАШ, ИА^гИ и др.)

позволяет дополнительно повысить стойкость инструмента в 1,5-2 раза.

Сейчас все большее распространение получают наноструктурированные многослойные покрытия, состоящие из нескольких основных слоев, разделенных тонкими промежуточными слоями. Технология нанесения позволяет придать им характеристики, необходимые для конкретных условий обработки, и гарантировать, что покрытие эффективно дополняет физико-механические свойства основы из твёрдого сплава. В многослойном покрытии каждый износостойкий слой выполняет свою функцию, улучшающую эксплуатационные свойства режущей кромки. Варьируя состав и толщину слоев, можно создавать либо твёрдые сплавы, предназначенные для обработки определенной группы материалов или выполняющих конкретную операцию, либо универсальные в применении твёрдые сплавы для разных обрабатываемых материалов и операций.

Наиболее эффективно многослойные наноструктурированные покрытия применяются для твердосплавных концевых фреза с целью предотвращения сколов режущих кромок при возникновении ударных нагрузок. Во многих случаях фрезами производятся операции по обработке сложных поверхностей на дорогостоящем оборудовании, поэтому существенное увеличение режимов обработки и повышение стойкости фрезы, благодаря применению многослойных многофункциональных наноструктурированных покрытий, существенно снижает себестоимость изделия и позволяет эффективнее использовать оборудование.

Цель работы. Повышение работоспособности монолитных твердосплавных концевых фрез путем оптимизации архитектуры многослойных наноструктурированных износостойких покрытий.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработать математические модели резания осевым твердосплавным инструментом с наноструктурированными износостойкими покрытиями с учетом особенностей резания монолитными твердосплавными фрезами с многослойными покрытиями.

2. Исследовать зависимости, характеризующие разрушение покрытий на инструменте, на основе которых предложить наиболее рациональные архитектуры многослойных наноструктурированных покрытий монолитных твердосплавных концевых фрез.

3. Проанализировать основные методы износостойких покрытий монолитных твердосплавных концевых фрез и выбрать наиболее эффективные способы покрытий с точки зрения повышения работоспособности инструмента.

4. Оптимизировать технологию синтеза многослойных износостойких наноструктурированных покрытий монолитных твердосплавных концевых фрез по граничному комплексу отслоения покрытия и разработать оптимальный вариант структуры демпфирующего покрытия.

5. Провести испытание и исследование силовых параметров резания с целью выявления стойкостных характеристик монолитных твердосплавных концевых фрез с полученным многослойным покрытием, определить достоверность полученных математических моделей и внедрить результаты исследования в производство монолитных твердосплавных концевых фрез.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием фундаментальных положений механики, теорий резания и упругости, технологии машиностроения, теории пластической деформации, теории вероятности, методов планирования экспериментов, методов моделирования на ЭВМ. Экспериментальные исследования выполнены в производственных и лабораторных условиях на специальном оборудовании с использованием системы автоматизированной фиксации экспериментальных

данных. Достоверность научных выводов обеспечивается использованием современных методов обработки расчетных и экспериментальных данных: МаЛБ^-б, Бгайвйса, и др.

Научная новизна.

1. Предложена оптимизация архитектуры многослойного износостойкого наноструктурированного покрытия монолитных твердосплавных концевых фрез по граничному комплексу отслоения, на основе разработки математических моделей оценки напряженного деформированного состояния покрытий, и процесса резания монолитными твердосплавными концевыми фрезами с многослойными износостойкими покрытиями, позволяющих прогнозировать их стойкостные характеристики;

2. Разработан алгоритм выбора рационального покрытия монолитных твердосплавных концевых фрез, учитывающий комплекс факторов, определяющих стойкость покрытия на инструменте, в том числе физико-механические свойства обрабатываемого и инструментального материала, режимы резания, геометрические параметры режущего инструмента, что позволяет прогнозировать структуру многослойного покрытия на стадии технологической подготовки производства.

3. Установлены закономерности о наименьшей дефектации многослойного износостойкого наноструктурированного покрытия монолитной концевой фрезы достигаемой рациональными значениями граничного комплекса отслоения покрытия, характеризующегося пороговым значением составляющей силы резания Рг на задней поверхности зуба фрезы;

4. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден способ повышения стойкостных характеристик монолитных твердосплавных концевых фрез за счет оптимизации архитектуры многослойных износостойких наноструктурированных покрытий по граничному комплексу отслоения.

Практическая значимость работы состоит в оптимизации технологии демпфирующего многослойного износостойкого покрытия на монолитные

твердосплавные концевые фрезы по граничному комплексу отслоения, обеспечивающей повышение ресурса работы инструмента между переточками, а также оптимизации процесса нанесения покрытия по граничному комплексу отслоения покрытия, обеспечивающим оптималь�