автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение работоспособности торцовых фрез путем совершенствования конструкций износостойких покрытий

Па нравах рукописи

"'"о ол

" 3 '''¿¡I Ш

СМИРНОВ МАКСИМ ЮРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТОРЦОВЫХ ФРЕЗ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

тпс г,':!».' гтлт.ит ¡'гга»

± ШШ11Л ииш Ш 1Ш1

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ульяновск, 2000

Работа выполнена на кафедре "Металлорежущие станки и инструменты" Ульяновского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

В. П. ТАБАКОВ

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники

РФ, доктор технических наук, профессор Б. А. КРАВЧЕНКО

кандидат технических наук, доцент А. Н. ЕВСЕЕВ

Ведущее предприятие - Открытое акционерное общество

"Утес" (г.Ульяновск)

Защита диссертации состоится 29 июня 2000 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета К064.21.02 в первом корпусе Ульяновского государственного технического университета по адресу: г.Ульяновск, ул. Энгельса, 3 (почтовый адрес: 432700, ГСП, г.Ульяновск, ул. Северный Венец, 32).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УлГТУ.

Автореферат разослан 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, профессорГупьянихии

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимость снижения себестоимости продукции для обеспечения ее конкурентоспособности требует применения высокопроизводительного и надежного режущего инструмента (РИ). Однако, в связи со сложностью и многофакторностью процесса резания, который сопровождается высокими температурами и контактными напряжениями, интенсивными физико-химическими процессами, создание высокопроизводительного и надежного РИ является сложной научио-тсхшпеской проблемой.

Одним из наиболее эффективных путей повышения работоспособности РИ является нанесите на его рабочие поверхности тносостойких покрытий. Однако, эффективность РИ с покрытием резко снижается при переходе от непрерывного резания к другим видам обработки, в частности к торцовому фрезерованию. Работоспособность РИ при торцовом фрезеровании можно повысить путем использования покрытий сложного состава и многослойно-композиционных. Однако до настоящего времени отсутствуют научно обоснованные рекомендации по конструированию покрытий многослойного типа, по применению их на операциях торцового фрезерования. Не сформулированы требования к покрытиям и принципы их построения, учитывающие условия прерывистого резания, в частности, торцового фрезерования.

В связи с этим тема работы, направленной на повышение работоспособности торцовых фрез путем совершенствования конструкций износостойких покрытий является актуальной.

Автор защищает: 1. Результаты теоретико-экспериментальных исследований использования покрытий при прерывистом резании, в частности, механизм разрушения РИ с покрытием при прерывистом резании, результаты анализа теплового и напряженного состояшш РИ с покрытием при прерывистом резании, принцип формирования многослойных покрытий для РИ, работающего в условиях прерывистого резания.

2. Результаты экспериментальных исследований влияния конструкции многослойного покрытия на его структурные параметры, механические свойства и износ РИ.

3. Конструкции многослойных покрытий и технологические режимы их конденсации.

4. Результаты экспериментальных исследований работоспособности РИ с разработшшыми многослойными покрытиями при обработке заготовок из различных материалов и результаты опытно-промышленных испытаний.

Цель работы: Повышение работоспособности торцовых фрез путем совершенствования конструкций износостойких покрытий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать характер разрушения, тепловое и напряженное состояние РИ с покрытием при прерывистом резании.

2. Разработать принципы построения покрытий для РИ, работающих в условиях прерывистого резания.

3. Разработать конструкции многослойных покрытий и технологические процессы их нанесения.

4. Исследовать работоспособность РИ с разработанными покрытиями.

Научная новизна. 1. Выявлен механизм влияния покрытий на изнашивание и разрушение РИ при торцовом фрезеровании.

2. Установлено влияние покрытий на тепловое и напряженное состояние РИ при торцовом фрезеровании.

3. Сформулированы требования и принцип построения многослойных износостойких покрытий для РИ, работающего в условиях прерывистого резания.

4. Выявлены взаимосвязи конструкции многослойных покрытий с их механическими свойствами и характером разрушения в процессе резания и изнашиванием РИ.

Практическая ценность и реализация работы. 1. Разработаны конструкции многослойных покрытий, рекомендации по соотношению толщин отдельных слоев покрытий, обеспечивающих повышение работоспособности РИ при торцовом фрезеровании заготовок из различных материалов. Показана высокая эффективность РИ с предложенными конструкциями покрытий.

2. Разработаны технологические режимы конденсации многослойных покрытий.

3. Разработаны рекомендации по толщинам покрытий сложного состав; на основе нитридов и карбоннтридов титана и циркония, обеспечивающих ми нимальный износ РИ при торцовом фрезеровании.

4. Опытш-промышлсшшс испытания РИ на операциях торцового фрезе рования заготовок из различных материалов в производственных условиях ОАС "УАЗ" (г.Ульяновск) подтвердили высокую эффективность разработанных кон струкций покрытий.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно технических конференциях (НТК) Ульяновского государственного технического университета в 1997-2000 гг.; НТК " Концепция развития и высокие технологи производства и ремонта транспортных средств в условиях постинду стриально экономики", г. Оренбург, 1997 г.; НТК "Прогрессивные методы проектировали технологических процессов, станков и инструментов", г. Тула, 1997 г.; научны конференциях "Математическое моделирование физических, экономически? социальных систем и процессов", г. Ульяновск, 1998, 1999 гг.; научж практических конференциях "Современные технологии в машиностроении", ] Пенза, 1997, 1999 гг.; НТК "Повышение эффективности механообработки и основе аналитического и экспериментального моделирования процессов", ] Рыбинск, 1999 г.; научно-практической конференции "Организационные, фил< софские и технические проблемы современных машиностроительных прои водств", г. Рузаевка, 2000 г.; научной конференции "Молодежь-науке буд] щего", г. Набережные Челны, 2000 г.; НТК "Теплофизика технологических пр<

цессов", г. Рыбинск, 2000 г.; научно-технических семинарах кафедр " Технология машиностроения" и "Металлорежущие станки и инструменты" УлГТУ в 1999-2000 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (/4/наименования) и приложений (3 страницы), включает страницу машинописного текста, я.С?.. рисунков и £3. таблицы.

2. ОСПОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ применения износостойких покрытий на операциях торцового фрезерования. Выявлено, что эффективность РИ с покрытием резко снижается при переходе от непрерывного резания к другим видам обработки, в частности к прерывистому резанию. При этом, до сих пор исследовалась эффективность инструмента в основном с однокомпонентными покрытиями типа TiC, TiN. Основной причиной изнашивания инструмента с однокомпонентными покрытиями при прерывистом резании также, как и РИ без покрытия, является циклическое изменение температур и контактных напряжений. Разрушение инструмента происходит в результате образования сетки усталостных трещин на его контактных площадках. На интенсивность трещштообрачо-вания в покрытии и инструментальной основе оказывает влияние метод получения покрытия, его состав и толщина. В то же впемя, механизм влияния покрытий на изнашивание и разрушение РИ полностью не выявлен. Не исследовано влияние покрытий на тепловое и напряженное состояние инструмента при прерывистом резании. Отдельные попытки объяснения механизма влияния различных покрытий на изнашивание и разрушение инструмента основаны на различии прочности покрытий без учета их влияния на тепловое и напряженное состояние инструмента. Мало информации по применению РИ с покрытиями сложного состава при прерывистом резании, что не позволяет судить об эффективности данных покрытий, а данные об эффективности инструмента с одно-компоненгными покрытиями противоречивы. Достаточно противоречивы и рекомендации по такому важному параметру покрытий, как их оптимальная толщина, а для покрытий сложного состава они отсутствуют. Не выявлены требования, которым должны отвечать покрытия для обеспечения максимальной эффективности инструмента при прерывистом резании. Учитывая механизм разрушения инструмента при прерывистом резашш, эффективность обработки может быть повышена путем применения покрытий многослойного типа. Однако, до настоящего времени отсутствуют научно обоснованные рекомендации по принципам формирования таких покрытий, выбору количества слоев, их толщины и общей толщины покрытия. Предложенные в работах A.C. Верещаки,

Ю.Г. Кабалдина и других исследователей принципы формирования покрытий многослойного типа не учитывают вид обработки резанием и свойства обрабатываемого материала. В то же время, возможность широкого варьирования свойствами покрытия за счет изменения количества слоев, их состава и толщины, а также большой спектр обрабатываемых и инструментальных материалов, видов обработки резанием значительно затрудняют создание эффективных композиций "покрытие—инструментальный материал" путем проведения экспериментальных исследований.

Таким образом, из анализа литературных даиных вытекает необходимость дальнейшего развития проблемы повышения работоспособности РИ с покрытиями на операциях торцового фрезерования. В заключении сформулированы цель и задачи работы, приведенные выше.

В второй главе изложена общая методика проведения экспериментальных исследований. Приведены сведения по использованному оборудованию, инструментальному и обрабатываемому материалам. В качестве инструментального материала использовали многогранные неперетачиваемые твердосплавные пластины из сплава МК8 производства СП "MKTC-HERTEL" и ВК6. В качестве обрабатываемого материала использовали заготовки из легированной инструментальной стали 5ХНМ, нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н10Т и титанового сплава ВТ22.

Покрытия наносили на серийной вакуумно-плазменной установке типа "Булат - 6Т", оснащенной системой магнитной фокусировки плазменного потока. Представлены данные по технологическому процессу нанесения покрытий.

Структурные исследования проводили методами рентгеноструктурного анализа на рентгеновском дифракгометре "ДРОН-ЗМ". Мпкротвердость покрытия измеряли на приборе ПМТ-3, а для оценки качества сцепления покрытия с инструментальной основой использовали метод вдавливания алмазного инден-тора на твердомере ТК-2М с последующим определением площади отслоения, Работоспособность РИ с покрытием оценивали по относительному износу передней поверхности, интенсивности износа задней поверхности, среднему периоду стойкости, коэффициенту вариации периода стойкости. Экспериментальную оценку теплового состояния РИ с покрытием проводили по граница* оплавления вещества с известной температурой плавления на рабочих поверх ностях инструмента. Исследования проводили с использованием методик пла шфования эксперимента, полученные экспериментальные данные подвергал! статистической обработке.

В третьей главе представлены результаты исследований механизма из нашивания, тепловою и напряженного состояния РИ с покрытиями различнол состава и различной толщины на операциях торцового фрезерования. На основ результатов исследований выявлен механизм влияния покрытий различного со става на изнашивание инструмента, сформулированы требования и предложи принцип построения многослойных покрытий для операций прерывистого резв ния.

В качестве объектов исследования были выбраны покрытия с различной степенью упрочнения "ПЫ, Т1СЫ, (П,2г)М, (Ti,Zr)CN. Проведенные исследования изнашивания РИ с покрытиями различного состава и различной толщины позволяют отметить следующее. Разрушение инструмента с покрытием при прерывистом резании происходит в результате образования продольных и поперечных трещин в инструментальной основе режущего клина (трещины 1-го типа) и в материале покрытия (трещины 2-го типа). Динамика образования этих трещин зависит как от состава и толщины покрытия, так и от режимов резания. Нанесснис покрытий позволяет снизить интенсивность трещшгообразования в инструментальной основе режущего клина, в этом плане более эффективны покрытия сложного состава (рис.1,а). Наименьшая интенсивность процессов образования трещин в материале покрытия также характерна для инструмента с покрытиями сложного состава (рис. 1,6). Этр, вероятно, связано с высокими физико-механическими свойствами этих покрытий и высоким уровнем сжимающих остаточных напряжений в них. Толщина покрытия существенно влияет на интенсивность трещинообразования в материале покрытия и на его разрушите. На высоких скоростях резаття и больших подачах лучше сопротивляются разрушению на передней поверхности более толстые покрытия, а на низких скоростях резания и малых подачах - более тонкие. Для покрытий сложного состава, обладающих более высокими физико-механическими свойствами, характерно смещение оптимальных толщин, соответствующих минимальному износу инструмента, в сторону больших значений. Полученные результаты исследований структурных параметров и механических свойств покрытий не позволяют в полной мере объяснить влияние покрытий различного состава на динамику трещ;щоо5разовак1{я. Для объяснения влияния покрытия на динамику образования трещин в режущем клине инструмента, интенсивность разрушения покрытий на контактных площадках РИ, а также механизм изнашивания РИ исследовали тепловое и напряженное состояние инструмента в условиях прерывистого резания.

Для определения контактных температур была выбрана экспериментально-расчетная методика определения температур в РИ при прерывистом резании, предложенная А.Н. Резниковым и Ю.Л. Новоселовым. Оценка влияния тепло-физических свойств покрытия на тепловое состояние РИ показала применимость данной методики для инструмента с покрытием. Температура на контактных площадках инструмента во время холостого хода, а также температурные поля в режущем клине инструмента во время рабочего и холостого ходов определяли методом конечных элементов с использованием программной системы численного анализа /\NSYS 5.4. Результаты исследования теплового состояния инструмента с покрытием при прерывистом резании показали, что основным механизмом влияния покрытия на тепловое состояние режущего инструмента является изменение контактного взаимодействия РИ с обрабатываемым материалом. Существенное влияние на тепловое состояние инструмента оказывает состав покрытия, в то время как его толщина практически не влияет на уровень

температур в РИ. Нанесение покрытий всех исследованных составов приводит к снижению длины контакта стружки с передней поверхностью РИ Су, коэффициента укорочения стружки Кг, и составляющих усилия резания Рг, Ру и Рх по сравнению с РИ без покрытия. В результате этого для инструмента с покрытием

М2ц

25,0 103

20,0 15,0

I

10,0 5,0 0,0

20,1

Т5Ж"

2^5

и

10,1

15,7

15 103

10

N54

"13Ж"

8,9

8,1

2

а) б)

Рис. I. Влияние состава покрытия на количество циклов работы инструмента до выхода всех продольных трещин 1-го типа на режущую кромку (а) и до напала разрушения покрытия на передней поверхности (б): 1 - 2 - "ПСИ; 3 - (П£г)М; 4 - (П/г)СН Материал заготовки - сталь 5ХНМ; V = 247 м/мин; & = 0,4 мм/зуб; 1 = 1,5 мм; В = 20 мм

характерно уменьшение интенсивности источников теплоты деформации теплоты трения по передней поверхности и тепловых потоков в инструмеш Я„ и Цз по сравнению с РИ без покрытия. Снижение длины контакта Су и интенсивности тепловых потоков и q, приводит к уменьшению количества теплоты, поступающей в режущий клин, что благоприятно сказывается иг тепловок состоянии РИ с покрытием. Исследованиями установлено, что для инструмент! с покрытием характерно уменьшение доли общего количества теплоты, уходя щей в РИ и заготовку. Все исследованные покрытия снижают контактную тем пературу на передней и задней поверхностях инструмента и в режущем клине ] результате уменьшения количества теплоты, поступающей в инструмен-(табл.1). Важной особенностью влияния покрытия на тепловое состояние РР является снижение перепада температур в режущем клине инструмента за врем; рабочего и холостого ходов. Наибольшая температура и максимальный ее пере пад во время рабочего и холостого ходов наблюдаются на передней поверх ности РИ, а температура контактной площадки на задней поверхности и ампли туда ее изменения за время цикла в исследуемом диапазоне режимов резания 1,8-2,0 раза меньше, чем на передней поверхности (рис.2). Нанесение покрыти ПЫ на контактные площадки инструмента позволяет в наибольшей стсася снизить температуру РИ и амплитуду ее изменения во время рабочего и хс лостого ходов по сравнению с инструментом без покрытия. По возрастанш уровня контактных температур и перепада температур за время рабочего и х<

лостого ходов покрытия можно расположить в следующем порядке: "ПСЫ, (Т1,гг)СЫ. Для проверки полученных данных по тепловому состоянию РИ с различными покрытиями были проведены экспериментальные исследования температур на поверхностях режущего клина для РИ с покрытием. Сравнение показало хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных.

1. Влия1ше состава покрытия на максимальную температуру на контактных _ площадках режущего инструмента _

Тип покрытия Температура на передней поверхности Тп, °С Температура на задней поверхности Тз, °С Температура на вершине Тв, °С

МК8 1241 650 470

•ш 873 507 327

956 520 341

ПВДЫ 975 548 365

СП,гг)СЫ 1109 569 378

Материал заготовки - сталь 5ХНМ; V = 157 м/мин; Бг = 0,4 мм/зуб; I =1,5 мм;

В = 20 мм

Учитывая, что численные методы позволяют проводить расчет напряженного состояния РИ с минимумом упрощений, а также учесть наличие покрытия на контактных площадках РИ, расчет проводили с использованием про-I рам мной системы численного анализа АКЗУБ 5.4. Для оценки напряженного состояния РИ использовали теорию прочности, предложенную Г.С. Писаренко и А. А. Лебедевым, согласно которой:

о,зп=Х-^+(1-х)-<Т]-А1-,1 (1)

где х - параметр определяющий долю сдвиговой деформации в разрушении; А - константа, характеризующая статистический фактор развития разрушения; I - параметр, характеризующий жесткость нагружения; 01 - наибольшее главное напряжение, МПа; 0i - интенсивность напряжений, МП а Для материала покрытия оиределигь сгэкв по формуле (1) не представляется возможным, так как не известны параметры А и -/• В то же время, большинство тугоплавких соединений на основе переходных металлов ГУ-У1 групп Периодической системы элементов, которые используются в качестве материала покрытий, разрушаются хрупко вплоть до температуры, равной 0,5-0,7 температуры плавления, и параметр 1 изменяется для них в диапазоне значений 0,05-0,07. Поэтому напря-жегшое состояние покрытия оценивали по теории прочности наибольших нормальных напряжений.

Результаты исследования напряженного состояния инструмента с различными составами покрытий приводят к следующим выводам:

- во время рабочего хода в режущем клине инструмента образуются сжимающие напряжения, а во время холостого хода - растягивающие, величина которых определяется контактными нагрузками, изменением температуры за время рабочего и холостого ходов и остаточными напряжениями в материале покрытия;

1200

1000

I I-о <

й1 <о

II

У <

800

600

200

1060 928 А Б

842 861

759

531

434 455

393 406

1 1

i 3 4 ь 2 3 4 Ь

Рис. 2. Влияние состава покрышя на амплитуду изменения температуры на передней поверхности инструмента АТп (А) и на задней поверхности ЛТз (Б): 1- МК8; 2 - TiN; 3 -TiCN; 4 - (Ti/.r)N, 5 - (Ti,Zr)CN. Материал заготовки - сталь 5ХНМ; V = 157 м/мии; Sz = 0,4 мм/зуб; t = 1,5 мм, В = 20 мм

- г г '11 т 111111» '11111.4111П 114 '1 I, > I ¡11II 1\; *ТЗТТГ«Т*Х-*»1ТТТТТ ГТ I ( '1ИП ТТ1ГГ\' '11.Т НУ

II ИГ ■ V. . и.1411%. 4 1 I и 1ЫМ1.1 ^пи1иПЫ1уи11Ш1Л ж • 1 ] ,у. . .

колебания а,Ьи) соответствуют зонам преимущественного гонашивания и разрушения инструмента в середине площадки контакта на передней поверхности и у вершины режущего клина;

- все исследованные покрытия позволяют значительно уменьшить величину эквивалентных напряжений и амплитуду их колебания а^ в режущем клине инструмента по сравнению с РИ без покрытия (рис.3);

- в наибольшей степени снижает величины оэка и о^эи нанесение на РИ покрытия ТШ, а для РИ с покрытиями "ПСИ и ("П,2г)СЫ характерны их более высокие значения. Для инструмента с износостойким покрытием характерно наличие в материале покрытия и на 1ранице покрытия с инструментальной основой напряжений сжатия как во время рабочего хода, так и во время холостого хода (рис.4). У вершины режущего клина в покрытии во время рабочего хода возникают напряжения растяжения, способствующие разрушению покрытия на режущей кромке. Для покрытий TiCN и (Т1,2г)СН более высокий уровень сжимающих напряжений в материале покрытия по сравнению с покрытием Тй\! во время работы инструмента определяется высоким уровнем остаточных сжимающих напряжений в покрытиях.

Анализ результатов исследований изнашивания и разрушения РИ без покрытия и с покрытиями различного состава, проведенные исследования теплового и напряженного состояния инструмента позволили выявить механизм влияния покрытий на изнашивание и разрушение РИ при прерывистом резании.

я 1500

S 1200

е и 900

s

и ¥ 600

№

О.

Й 300

Ж

0

//4 1

—-о^—

3 > f 2/ —--

О

0,25

0,5

0,75

1,0

Относительная координата Х'= х / Су

Рис. 3. Распределение эквивалентных напряжений азп> по длине площадки контакта на хередней поверхности инструмента во конце рабочего хода в зависимости от состава покры--яя: 1- МК8; 2- TiN; 3- TiCN; 4- (Ti,Zr)CN. Материал заготовки - сталь 5ХНМ; V = 247 i/мин; Sz = 0,4 мм/зуб; t ~ 1,5 мм; В - 20 мм

-3500 ез -3000 -2940

-2137

u SJ -2000

О « -1500 «

-1155

Я -1000 ей ffi -500 1 2 3

а)

Я -3000

С

-2500

-2000

t>

и

а -1500

и Ä -1000

«

& -500

3

-1893

-610

б)

Рис. 4. Влияние состава покрытия на напряжения в нем во время рабочего(а) и хо-; петого ходов(б): 1- 'ПМ; 2- ИСК; 3- (Т1,гг)СТчГ. Материал заготовки - сталь 5ХНМ; V = 247 (/мин, Зг 0,4 мм/зуб, I 1,5 мм; В - 20 мм

1

Анализ результатов исследований характера разрушения покрытий, изна-пивания РИ с покрытиями, теплового и напряжешюго состояния РИ позволил •формулировать требования к износостойким покрытиям, применяемым для шетрумента, работающего в условиях прерывистого резания. Во - первых, с 'очки зрения теплового состояния РИ покрытие должно обеспечивать возможно ¡олыпее снижение температур кате па контактных площадках, так и в режущем айне инструмента и меньшую амплитуду колебания температур за время рабо-[его и холостого ходов. Соблюдение такого требования позволит снизить на-

пряжения аш, в режущем клине и амплитуду их колебания Оаэ*», повысить количество циклов до образования и развития трещин как в режущем клине инструмента, так и в материале покрытия, долговечность покрытий на контактных площадках РИ и, в конечном итоге, период стойкости инструмента. Во - вторых, для сдерживания процессов трещинообразования в материале покрытия и в режущем клине инструмента, покрытие должно иметь высокие адгезионно-прочностные свойства и величину остаточных напряжений, обеспечивающую высокий уровень сжимающих напряжений в покрытии и на границе покрытия с инструментальной основой во время рабочего и холостого ходов инструмента. Сочетание высказанных требований к материалу покрытия, обеспечивающих высокую работоспособность инструмента при прерывистом резании, невозможно в покрытии однослойного типа. Такое сочетание можно получить при использовании покрытий многослойного типа, принципы формирования которьо должны обеспечить сочетание сформулированных выше требований. Такое покрытие должно иметь минимум два слоя: верхний слой покрытия отвечает зг тепловое состояние режущего клина РИ и должен обеспечить максималыкк снижение контактных температур и минимальную амплитуду их колебания з; время рабочего и холостого ходов, а нижний слой покрытия - высокий уровсю сжимающих напряжении в материале покрытия. Кроме того, наличие в тако>. покрытии границ раздела между слоями с различными прочностным! свойствами будет дополнительно препятствовать процессам распространена трещин в нем.

В четвертой главе представлены исследования, подтверждающие прин цип построения многослойного покрытия, предложенный в главе 3. Представ лены результаты исследований влияния конструкции многослойного покрыта на его структурные параметры, механические свойства и изнашивание РИ.

На основании исследований теплового и напряженного состояния РИ, вы сказанных требований и принципа построения покрытия, предназначено! о да работы в условиях прерывистого резания, были выбраны следующие копструк ции покрытий: двухслойные - на основе нитрида и карбонитрвда титана, н основе сложных нитридов и карбошлридов титана и циркония и трехслойное на основе нитрида и карбонитрида титана. При этом последовательность распс ложения слоев была выбрана таким образом, чтобы конструкция покрытия О! вечала высказанным требованиям, например, покрытия ВОЧ-ТгМ, (Т1,2г)СЬ СП,2г)Ы, ТШ-таГЫ-ТтМ; с другой стороны - конструкция двухслойного покрь тия Т1Ы-Т1СЫ, не отвечающая высказанному принципу. Для исследования ког струкции покрытий на основе нитрида и карбонитрида титана в качестве объа та исследования было выбрано многослойное покрытие системы ^Т^-Т^И-Тй4 позволяющее при соответствующей методике планирования эксперимента ре; лизовать все вышеперечисленные варианты покрытий.

? Установлено влияние конструкции многослойного покрытия на его стру]

турные параметры и механические свойства. Показано, что микротвердост многослойного покрытия определяется объемной долей более твердого слоя,

акже количеством слоев в покрытии. Выявлено, что прочность связи многотонных покрытий с инструментальной основой определяется свойствами внут-1еннего слоя, количеством слоев в покрытии и соотношением их толщин.

Многослойные покрытия, сформированные в соответствие с выдвинутым I главе 3 принципом, в наибольшей степени снижают интенсивность процессов ■рещинообразования (рис.5) в материалах покрытия и инструментальной осно-¡ы и обеспечивают максимальное снижение износа РИ как по передней, так и по адней поверхностям (рис.6) по сравнению с однослойными покрытиями. Для свухслойных покрытий TiCN-TiN и минимальный износ РИ

обеспечивают конструкции с толщиной внутреннего твердого слоя, составляю-цей 30 - 50 % от общей толщины покрытия, а для трехслойных 'ПК-"ПСМ-ТШ-; толщиной внутреннего и среднего слоев, составляющей соответственно 18 -15 % и 45 - 55 % от общей толщины.

30 103

20

"2775

23,4

16,3

12,6 101

N2q

10

24 103

18

12

N5Ц е

18,1

14,5

8,9 11.8

8,1

1

2

3

1

Рис. 5. Влияние состава покрытия на количество циклов работы инструмента до вы-ола всех продольных трещин 1-го типа на режущую кромку (а) и до начала разрушения порытая на передней поверхности (6): 1- "ПМ, 2- "ПСИ, 3- 'ПК-"ПСЫ; 4- ТлСМ-Т^К; 5- 'ПМ-'¡СМ-ТЖ Материал заготовки - сталь 5ХНМ; V = 247 м/мин; Эг == 0,4 мм/зуб; I = 1,5 мм; В = 0 мм

По результатам экспериментов были построены математические модели, писывающие влияние соотношения слоев в покрытиях на его механические войстаа и износ РИ по передней и задней поверхности.

Пятая глава посвящена исследованиям работоспособности РИ с покрытиями (Ti,Zr)CN-(TL,Zr)N и TiN-TiCN-TiN при торцовом фрезеровании загото-ок из материалов разных групп обрабатываемости: 5ХНМ, 12Х18Н10Т, ВТ22 в равнении с инструментом без покрытия и с покрытиями TiN и (Ti,Zr)N. Полу-епы математические модели стойкости, позволяющие оценить степень влияния юкрытий на период стойкости инструмента. Установлено, что при торцовом ¡резеровашш разработанные многослойные покрытия увел1гчивают период тонкости РИ по сравнению с однослойными в 1,5 — 3;0 раза в зависимости от брабатываемого материала и режимов резания (рис.7). При обработке загото-ок из сталей 5ХНМ и 12Х18Н10Т наибольшую эффективность показали

Рис. 6. Зависимость стксситслыкзго износа по передней поверхности К' (а) и инт ciî2iîoctïJl кзксса но задней поверхности J (6) инструмента с покрытиями TiN-TiCN, 11С TiN, TîN-TiCN-TiN от толщины слоев: fil, 82, 83- толщины внутреннего, промежуточно!-* внешнего слоев покрытия, мхм. Материал заготовки - сталь 5XIIM; V = 247 м/мин; Sz = мм/зуб; t = 1,5 мм; В = 20 мм

орцовые фрезы с покрытиями TiN-TiCN-TiN и (Ti,Zr)CN-(Ti,Zr)N, а при обра-отке заготовок го сплава ВТ22 - (Ti,Zr)N и (Ti,Zr)CN-(Ti,Zr)N. Выявлено, что ри обработке заготовок из сталей 5ХНМ и 12Х18Н10Т для инструмента с по-рытиями многослойного типа степень влияния скорости резания и подачи на ериод стойкости значительно меньше, чем для инструмента с однослойными окрытиями. При обработке заготовок из сплава ВТ22 минимальное влияние корости резания и подачи на период стойкости наблюдается для РИ с покры-ием (Ti,Zr)N. Показано, что эффективность инструмента с многослойными по-рытиями с увеличением скорости резания и подачи возрастает по сравнению с И с однослойными покрытиями.

Проведенными технико-экономическими расчетами показано, что приме-ение многослойных покрытий практически не увеличивает затраты, связанные нанесением покрытий, позволяет повысить эффективность РИ по сравнению с И с однослойными покрытиями и снизить себестоимость операций торцового резерования заготовок из различных материалов.

Опытно-промышленные испытания торцовых фрез с разработанными со-гавами покрытий проводили в условиях ОАО "УАЗ" (г.Ульяновск). Устано-гсено, что разработанные составы многослойных покрытий позволяют повы-ять стойкость торцовых фрез в 1,5 - 4,5 раза на операциях, где РИ с покры-яем TiN не показал повышения стойкости.

130 мин

150 170 190 V -

м /мин 250

а)

60 мин

40

80 м/мин 100

Рис.7. Влияние скорости резания на период стойкости пластин МК8 с различными по-эытиями при торцовом фрезеровании заготовок из стали 5ХНМ (а) и пластин ВК6 при тор-ззом фрезеровании заготовок из сплава ВТ22 (б): а - S2 - 0,4 мм/зуб; t = 2 мм; В = 40 мм; б -. = 0,2 мм/зуб;! = 1 мм; В = 15 мм. 1- без покрытия; 2- TiN; 3- (Ti 7.r)N; 4- TiN-TiCN-TiN; 5-;i,Zr)CN-(Ti,Zr)N

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения РИ с разраб< танными конструкциями покрытий на одной операции торцового фрезерована в производстве ОАО "УАЗ" составил 65,6 тыс. руб.

3. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате выполненных исследований получены следующие научнь выводы и практические результаты:

1. Установлено влияние состава и толщины износостойких покрытий I характер их разрушения и изнашивание РИ при прерывистом резании.

2. Выявлено влияние покрытий на тепловое и напряженное состояние Р при прерывистом резании. Нанесение износостойких покрытий приводит уменьшению уровня температур, напряжений и амплитуды их колебаний в р жущем клине инструмента, при этом величина снижения определяется составе покрытия. Наибольшее снижение температуры и напряжений в режущем клш и наименьшую амплитуду их колебаний обеспечивает покрытие "ИМ; для и струменгов с покрытиями сложного состава наблюдаются более высокие знач пия температур и напряжений как во время рабочего, так и холостого ходов.

3. Показано, что для инструмента с износостойкими покрытиями хара терно наличие в материале покрытий сжимающих напряжений как во время р бочего, так и холостого ходов. Высокий уровень сжимающих остаточных н пряжений в покрытиях сложного состава способствует образованию в них сж мающих напряжений более высокого уровня во время рабочего и холостого х дов по сравнению с покрытием из нитрида титана.

4. На основе анализа характера разрушения покрытий л изнашивания и струмента, его теплового и напряженного состояний сформулирован принт построения многослойных износостойких покрытий для РИ, работающего условиях прерывистого резания.

5. Установлено влияние конструкции многослойного покрытия на его V ханические свойства. Показано, что микротвердость многослойного покрыт определяется объемной долей более твердого слоя, а также количеством слое! покрытии Выявлено, что прочность связи многослойных покрытий с ИНСТ[ ментальной основой определяется свойствами внутреннего слоя, количеств! слоев в покрытии и соотношением их толщин.

' 6. Нанесение многослойных покрытий, сформированных по преда жеIгному принципу, снижает интенсивность процессов трещшюобразования материале покрытия и инструментальной основе и обеспечивает максималы: снижение износа торцовых фрез как по передней, так и по задней поверхност по сравпешпо с однослойными покрытиями.

7. Для двухслойных покрытий минимальный износ торцовых фрез об' печивают конезрукщш с толщиной внутреннего твердого слоя, составляли! 30-50 % от общей толщины покрытия, а для трехслойных покрытий 'ПЫ-Т^С

fiN - с толщиной внутреннего и среднего слоев, составляющей соответственно 8-25 % и 45-55 % от общей толщины.

8. Установлено, что при торцовом фрезеровании разработанные много-:лойные покрытия увеличивают период стойкости режущего инструмента по равнению с однослойными в 1,5-3,0 раза в зависимости от обрабатываемого ютериала и режимов резания. При обработке заготовок из сталей 5ХНМ и 2Х18Н10Т наибольшую эффективность показали РИ с покрытиями TiN-TiCN-jN и (Ti,Zr)CN-(Ti,Zr)N, а при обработке заготовок из сплава ВТ22 - (Ti,Zr)N и T¿,Zr)CN-(T¿,Zr)N.

9. Опытно-промышленные испытания подтвердили высокую эффектив-сость торцовых фрез с разработанными конструкциями покрытий и позволяют 1екомендовать разработанные конструкции покрытий к внедрению в производ-тво. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения РИ с разрабо-анными конструкциями покрытий на одной операции торцового фрезерования производстве ОАО "УАЗ" составил 65,6 тыс. руб.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Смирнов MIO. Повышение эффективности операций торцового фрезе-ования путем направленного выбора состава и конструкции износостойкого [окрытия /'/' Тезисы докладов XXXI научно- техн. конф. - Ульяновск: УлГТУ, 997. 4.3. С. 47-48.

2. Смирнов М.Ю., Табаков В.П. Применение покрытий многослойного ипа для повышения стойкости твердосплавного инструмента // Концепция раз-ития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств в словиях поотшдустриальной экономики: Тез. докл. третьей международной ro^.^v,; n^TTíW. • nrv IQQ1 Г Ы 7 1,1«

41J 1. XVAll. ДЪЛУХДЦ/. V/J/W'ilL'Jрл . ^ i У У / . W» Л. > / 1 $ %Jя

3. Новые износостойкие покрытия и технологии их нанесения для повы-теш1я стойкости режущего тшстручстгга' Прудников Ю.П.. Родионовский v.IO., Смирнов М.Ю., Табаков В.П. // Прогрессивные методы проектировашм ехнологических процессов, станков и инструментов: Сборник трудов междупа-одной науч.-техн. конф. - Тула: ТулГУ,1997. С. 152.

4. Смирнов MIO., Табаков В.П. Влияние покрытий многослойного типа а стойкость твердосплавного инструме1гга // Современные технологии в малга-остроении: Материалы науч.- техн. конф. - Пенза: ПТУ, 1997. С. 43 - 44.

5. Смирнов М.Ю. Исследование эффективности инструментов с покры-иями при торцовом фрезеровании // Тезисы докладов ХХХЛ научно- техн. онф. - Ульяновск: УлГТУ, 1998. Ч.З. С. 18 - 19.

6. Табаков В.П., Смирнов M.IO. Модель формирования покрытия сложно-о состава для режущих инструментов // Вестник УлГТУ. Машиностроение, троительство. - 1998. №2. С.37-43.

7. Смирнов М.Ю. Влияние покрытий сложного состава на работоспособ-ость режущего инструмента при фрезеровании // Математическое моделирова-ие физических, экономических, социальных сисгсм и шхщсссов: Тпуды науч. онф. - Ульяновск: УлГУ, 1998.С. 77 - 78.

8. Смирнов М.Ю., Табаков В.П., Новокозлов П.Н. Влияние толщины п крытий сложного состава на работоспособность торцовых фрез // Тезисы докл дов XXXIII научно- техн. конф. - Ульяновск: УлГТУ, 1999. 4.1. С. 40 - 41.

9. Смирнов М.Ю., Табаков В.П., Новокозлов П.Н. Повышение эффекта ности операций торцового фрезерования путем нанесения ионно- плазменш покрытий // Современные технологии в машиностроении: Сборник материал науч.-практ. конф. - Пенза: ПТУ, 1999. С. 137- 138.

Ю.Моделирование тепловых процессов в инструменте с износостойк! покрытием при прерывистом резании / Табаков В.П., Николаев A.B., Смирн М.Ю., Торопцев A.B.// Математическое моделирование физических, экономит ских, социальных систем и процессов: Труды Второй международной на) конф. - Ульяновск: УлГУ, 1999. С. 114 - 115.

П.Смирнов М.Ю., Табаков В.П. Повышение работоспособности торг вых фрез путем оптимизации толщины износостойкого покрытия // Повышен эффективности механообработки на основе аналитического и эксперимента,': ного моделирования процессов: Тез. докл. Всероссийской науч.-техн. конф. Рыбинск: РГАТА, 1999.4.1. С. 39 - 40.

12.Смирнов М.Ю., Табаков В.П. Влияние покрытий различного состава тепловое состояние режущего инструмента при прерывистом резании // Орган зационные, философские и технические проблемы современных произвола Сборник материалов Всероссийской науч.-практ. конф. - Рузаевка: РИМ, 20( 4.1. С. 117-118.

13. Смирнов М.Ю. Исследование теплового и напряженного состоял режущего инструмента с покрытием при прерывистом резании // Молодеж; науке будущего: Тез. докл. Международной молодежной науч. конф. - На( режные 4елны: Изд-во Камского политехи, ин-та, 2000. С. 79 - 80.

Тираж 100 экз. Заказ Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев.Венец,32.

Список основных обозначений и сокращений.

Введение.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО ПРОБЛЕМЕ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПЕРАЦИЙ ТОРЦОВОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ ПУТЕМ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ.

1.1. Методы получения покрытий на режущем инструменте и применение покрытий в процессах металлообработки.

1.2. Применение режущего инструмента с износостойкими покрытиями на операциях торцового фрезерования.

1.3. Пути повышения работоспособности режущего инструмента на операциях торцового фрезерований.

1.4. Выводы. Цель и задачи исследований.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Инструментальные и обрабатываемые материалы.

2.2. Оборудование для нанесения покрытий.

2.3. Методика исследований структурных и механических свойств покрытий.

2.4. Методика исследований работоспособности, характеристик процесса резания, теплового состояния и динамики износа инструмента с покрытием.

2.5. Обработка результатов экспериментальных исследований.

3. ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ПРИ ПРЕРЫВИСТОМ

РЕЗАНИИ.

3.1 Анализ механизма изнашивания режущего инструмента с покрытием на операциях торцового фрезерования.

3.2. Анализ теплового состояния режущего инструмента с покрытием при прерывистом резании.

3.3. Анализ напряженного состояния режущего инструмента с покрытием при прерывистом резании.

3.4. Механизм влияния покрытия на изнашивание режущего инструмента при прерывистом резании. Принцип построения покрытия для прерывистого резания.

3.5. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ.

4.1. Исследование влияния конструкции многослойного покрытия на его структурные параметры и механические свойства.

4.2. Исследование влияния конструкции многослойного покрытия на изнашивание режущего инструмента.

4.3. Выводы.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЛАСТЕЙ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОРЦОВЫХ ФРЕЗ С РАЗРАБОТАННЫМИ СОСТАВАМИ ПОКРЫТИЙ.

5.1. Исследование работоспособности торцовых фрез с разработанными составами покрытий.

5.2. Технико-экономическое обоснование выбора состава износостойкого покрытия.

5.3. Опытно-промышленные испытания торцовых фрез с разработанными конструкциями покрытий.

5.4. Выводы.

Необходимость снижения себестоимости продукции для обеспечения ее конкурентоспособности требует применения высокопроизводительного и надежного режущего инструмента (РИ). Однако в связи со сложностью и многофакторностью процесса резания, который сопровождается высокими температурами, контактными напряжениями, интенсивными физико-химическими процессами, создание высокопроизводительного и надежного инструмента является сложной научно- технической проблемой.

Одним из наиболее эффективных путей повышения работоспособности РИ является нанесение на его рабочие поверхности износостойких покрытий (П). В то же время эффективность инструмента с покрытием резко снижается при переходе от непрерывного резания к другим видам обработки, в частности к торцовому фрезерованию. Повышение работоспособности РИ при торцовом фрезеровании возможно за счет применения покрытий сложного состава и многослойно-композиционных. Однако до настоящего времени отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по конструированию покрытий многослойного типа, по применению их на операциях торцового фрезерования. Не сформулированы требования к покрытиям и принципы построения, учитывающие условия прерывистого резания, в частности, торцового фрезерования.

В связи с этим очевидна необходимость дальнейшего развития проблемы повышения работоспособности РИ с покрытиями на операциях торцового фрезерования.

Работа выполнена на кафедре "Металлорежущие станки и инструменты" Ульяновского государственного технического университета в рамках госбюджетных НИР УлГТУ, НТП "Наукоемкие технологии" (постановление Миннауки РФ от 18.12.91 №6). 8

В работе представлены: теоретико-экспериментальные исследования характера разрушения покрытий и изнашивания РИ с покрытием, теплового и напряженного состояния инструмента, послужившие основой для выявления механизма изнашивания инструмента с покрытиями различного состава, требований и принципа построения покрытий многослойного типа для торцового фрезерования; экспериментальные исследования, результаты которых позволили определить конструкции многослойных покрытий, обеспечивающих максимальное снижение износа инструмента и эффективность применения РИ с разработанными конструкциями покрытий при обработке заготовок из различных обрабатываемых материалов.

На защиту выносятся основные положения:

1. Результаты теоретико-экспериментальных исследований использования покрытий при прерывистом резании, в частности, механизм разрушения РИ с покрытием при прерывистом резании, результаты анализа теплового и напряженного состояния РИ с покрытием при прерывистом резании, принцип формирования многослойных покрытий для РИ, работающего в условиях прерывистого резания.

2. Результаты экспериментальных исследований влияния конструкции многослойного покрытия на его структурные параметры, механические свойства и износ РИ.

3. Конструкции многослойных покрытий и технологические режимы их конденсации.

4. Результаты экспериментальных исследований работоспособности РИ с разработанными многослойными покрытиями при обработке заготовок из различных материалов и результаты опытно-промышленных испытаний.

Работа выполнена с использованием основных положений теории резания металлов, физики твердого тела, современных методов микрорентгено9 структурного анализа, математических методов моделирования и статистической обработки экспериментальных данных.

Теоретические положения работы подтверждены лабораторными исследованиями, производственными испытаниями.

Практическая ценность работы заключается в:

-разработанных конструкциях многослойных покрытий, рекомендациях по соотношению толщин отдельных слоев покрытий, обеспечивающих минимальный износ РИ при торцовом фрезеровании заготовок из различных материалов;

-технологических режимах конденсации многослойных покрытий;

-разработанных рекомендациях по толщинам покрытий сложного состава на основе нитридов и карбонитридов титана и циркония, обеспечивающим минимальный износ РИ при торцовом фрезеровании.

Основные положения доложены на 13 международных, всероссийских, зональных конференциях. По теме диссертации опубликовано 13 работ.

10

5.4. Выводы

1 .Применение покрытий многослойного типа позволяет повысить эффективность режущего инструмента по сравнению с однослойными покрытиями. Установлено, что при торцовом фрезеровании разработанные многослойные покрытия увеличивают период стойкости режущего инструмента по сравнению

213 с однослойными в 1,5-3 раза в зависимости от обрабатываемого материала и режимов резания. При обработке заготовок из сталей 5ХНМ и 12Х18Н10Т наибольшую эффективность показали инструменты с покрытиями ПЫ-'ПОЧ-'ПК и (Т1,2г)СЫ-(Т1,2г)Ы, а из сплава ВТ22- (Л^гуЫ и (Ти^СМ-СП^К

2. Установлено, что при обработке заготовок из сталей 5ХНМ и 12Х18Н10Т для инструмента с покрытиями многослойного типа степень влияния скорости резания и подачи на период стойкости значительно меньше, чем для инструмента с однослойными покрытиями. При обработке заготовок из сплава ВТ22 минимальное влияние скорости резания и подачи на период стойкости наблюдается для РИ с покрытием (Т1,2г)Ы. Показано, что эффективность инструмента с многослойными покрытиями с увеличением скорости резания и подачи возрастает по сравнению с РИ с однослойными покрытиями.

3. Проведенными технико-экономическими расчетами показано, что применение многослойных покрытий позволяет повысить эффективность режущего инструмента по сравнению с однослойными и снизить себестоимость операций торцового фрезерования заготовок из различных материалов.

4. Опытно-промышленные испытания подтвердили высокую эффективность торцовых фрез с разработанными конструкциями покрытий и позволяют рекомендовать данные конструкции покрытий к внедрению в производство. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения РИ с разработанными конструкциями покрытий на одной операции торцового фрезерования в производстве ОАО "УАЗ" составил 65,6 тыс. руб.

214

Заключение

Проведенный комплекс исследований позволил выявить механизм изнашивания РИ с покрытиями, оценить тепловое и напряженное состояние инструмента при торцовом фрезеровании. В результате проведенных исследований сформулированы требования, предложен принцип формирования многослойных покрытий для РИ, работающих в условиях прерывистого резания, разработаны конструкции многослойных покрытий. Исследования показали высокую эффективность РИ с разработанными конструкциями покрытий.

В результате выполненных исследований получены следующие научные выводы и практические результаты:

1 .Установлено влияние состава и толщины износостойких покрытий на характер их разрушения и изнашивание РИ при прерывистом резании.

2. Выявлено влияние покрытий на тепловое и напряженное состояние РИ при прерывистом резании. Нанесение износостойких покрытий приводит к уменьшению уровня температур, напряжений и амплитуды их колебаний в режущем клине инструмента, при этом величина снижения определяется составом покрытия. Наибольшее снижение температуры и напряжений в режущем клине и наименьшую амплитуду их колебаний обеспечивает покрытие ПК; для инструментов с покрытиями сложного состава наблюдаются более высокие значения температур и напряжений как во время рабочего, так и холостого ходов.

3. Показано, что для инструмента с износостойкими покрытиями характерно наличие в материале покрытий сжимающих напряжений как во время рабочего, так и холостого ходов. Высокий уровень сжимающих остаточных напряжений в покрытиях сложного состава способствует образованию в них сжимающих напряжений более высокого уровня во время рабочего и холостого ходов по сравнению с покрытием из нитрида титана.

215

4. На основе анализа характера разрушения покрытий и изнашивания инструмента, его теплового и напряженного состояний сформулирован принцип построения многослойных износостойких покрытий для РИ, работающего в условиях прерывистого резания.

5. Установлено влияние конструкции многослойного покрытия на его механические свойства. Показано, что микротвердость многослойного покрытия определяется объемной долей более твердого слоя, а также количеством слоев в покрытии. Выявлено, что прочность связи многослойных покрытий с инструментальной основой определяется свойствами внутреннего слоя, количеством слоев в покрытии и соотношением их толщин.

6. Нанесение многослойных покрытий, сформированных по предложенному принципу, снижает интенсивность процессов трещинообразования в материале покрытия и инструментальной основе и обеспечивает максимальное снижение износа торцовых фрез как по передней, так и по задней поверхностям по сравнению с однослойными покрытиями.

7. Для двухслойных покрытий минимальный износ торцовых фрез обеспечивают конструкции с толщиной внутреннего твердого слоя, составляющей 30-50 % от общей толщины покрытия, а для трехслойных покрытий ТШ-ТЮЧ

- с толщиной внутреннего и среднего слоев, составляющей соответственно 18-25 % и 45-55 % от общей толщины.

8. Установлено, что при торцовом фрезеровании разработанные многослойные покрытия увеличивают период стойкости режущего инструмента по сравнению с однослойными в 1,5-3,0 раза в зависимости от обрабатываемого материала и режимов резания. При обработке заготовок из сталей 5ХНМ и 12Х18Н10Т наибольшую эффективность показали РИ с покрытиями ТлМ-ТЮЧ-ТШ и (Т1,2г)СЫ-(Т1,2г)Ы, а при обработке заготовок из сплава ВТ22 - (Т1,2г)Ы и (т^госы-слдак

216

9. Опытно-промышленные испытания подтвердили высокую эффективность торцовых фрез с разработанными конструкциями покрытий и позволяют рекомендовать разработанные конструкции покрытий к внедрению в производство. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения РИ с разработанными конструкциями покрытий на одной операции торцового фрезерования в производстве ОАО "УАЗ" составил 65,6 тыс. руб.

217

1. Развитие науки о резании металлов / В.Ф.Бобров, Г.И. Грановский, H.H. Зо-рев и др.-М.: Машиностроение, 1967. - 416 с.

2. Зорев H.H. Вопросы механики процесса резания металлов. М.:Машгиз, 1956.-367 с.

3. Бетанели А.И. Прочность и надежность режущего инструмента . М.: Сабчо-та Сакартвело, 1973. - 302 с.

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

5. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976. - 278 с.

6. Остафьев В.А. Расчет динамической прочности режущего инструмента.-М.: Машиностроение , 1979 . 168 с.

7. Подураев В.Н. Обработка резанием жаропрочных и нержавеющих материалов . М. : Высшая школа, 1965 . - 520 с.

8. Полетика М.Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента." М.: Машиностроение , 1969 . 150 с.

9. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материа-лов.-М.: Машиностроение , 1981 . 279 с.

10. Ю.Верещака A.C. , Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М. : Машиностроение , 1986 . - 192 с.

11. П.Верещака A.C., Табаков В.П. Физические основы процесса резания и изнашивания режущего инструмента с износостойкими покрытиями. Ульяновск: УлГТУ, 1998 . - 144 с.

12. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М. : Металлургия , 1983 . - 360 с.

13. Смольников Е.А. Термическая и химико- термическая обработка соляных ваннах. М.: Машиностроение , 1989 . - 312 с.218

14. М.Колосветов Ю.П., Невроцкий Б.С., Жунковский Г.Л. Борирование карбидных составляющих твердосплавного режущего инструмента // Порошковая металлургия. 1972 . - №12. - с.84 - 86.

15. Арзамасов В.Н. Химико- термическая обработка металлов в активированных средах. М. : Машиностроение , 1979 . - 224 с.

16. Лахтин Ю.М., Арзамасов В.Н. Химико- термическая обработка металлов. -М. : Металлургия , 1984 . 256 с.

17. Брохин И.С., Эйхманс Э.Ф., Берман Н.В. Режущие свойства неперетачи-ваемых пластин твердых сплавов с термодиффузионными износостойкими покрытиями из карбида титана // Твердые сплавы: сб. тр. ВНИИТС. М.: Металлургия, 1976. -№16. - с. 17-24.

18. Ленская Т.Г., Торопченов B.C., Аникеев А.И. Безвольфрамовые твердые сплавы с износостойкими покрытиями // Производство и применение твердых сплавов. М.: Металлургия, 1982. - с. 107-109.

19. Верещака A.C. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение , 1993 . - 336 с.

20. Ионная имплантация / Под ред. Хирвонена Дж. К. М.: Металлургия, 1985.- 392 с.

21. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. М.: Металлургия, 1990. -216 с.

22. Полетика М.Ф., Пушных В.А., Весновский O.K. Ионная имплантация рабочих поверхностей инструментов и деталей машин как способ улучшения их эксплуатационных свойств // Известия вузов. Машиностроение.- 1993. № 6 .- С.53-56.219

23. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов / Леонтьев П.А., Че-канова Н.Т., Хан М.Г. М.: Металлургия, 1986. - 142 с.

24. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками/ Под. ред. Дж. М. Поута и др.- М.: Машиностроение , 1987 . 424 с.

25. Коваленко B.C., Верхотуров А.Д. Лазерное и электроискровое упрочнение материалов. М.: Наука, 1986. - 276 с.

26. Верхотуров А.Д., Муха И.М. Электродные материалы для электроискрового легирования. М.: Наука, 1988. - 224 с.

27. Марков P.C. Совершенствование технологии электроискрового упрочнения режущего инструмента, штампов и восстановления деталей машин // Науч.-техн. конф."Современные технологии в машиностроении": сборник матер.-Пенза, 1999. -С.213.

28. Тот Л. Карбиды и нитриды переходных металлов: Пер. с англ. М.: Мир, 1974. - 294 с.

29. Минкевич А.Н., Хахаров В.В. Получение карбидных покрытий методом КВТКА // Металловедение и термическая обработка металлов. 1979 . - №6. - с.36 - 40.

30. Некоторые особенности строения и свойств покрытий из карбида титана на сталях и твердых сплавах / Захаров Б.В., Минкевич А.Н., Тонэ Э.Р., Ковалев А.И. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1992 . - №5. -с.32 - 34.220

31. Kubel E. New CVD-Coatings for Carbid Inserts //Adv. Hard Mater. Prod.: Metal Powder Rept Conf., London,11-13 Apr. 1988.- Shrewsbury, 1988.-P.27/1 -27/9.

32. Eisenberg S. Plasma- CVD/ Materialniss. und Werustofftechn.-l 989.-20,-№ 12.-S.429-438.

33. Джеломанова JI.M. Прогрессивные методы нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент.- М.: НИИМАШ , 1979.- 45 с.

34. Исследование некоторых свойств конденсатов Ti-N, Zr-N, полученных осаждением плазменных потоков в вакууме (способ КИБ)/ Андреев А.А., Гаврилко И.В., Кунченко В.В. и др. // Физика.и химия обработки материалов. 1980.-№3.-С.64-67.

35. Гольдшмидт X. Дж.Сплавы внедрения: Пер. с англ.Т.1.-М.: Мир, 1971.- с. 28-33.

36. Андриевский Р.А., Спивак И.И. Прочность тугоплавких соединений и материалов на их основе: Справ, изд .- Челябинск, Металлургия , Челябинское отделение, 1989.- 368 с.

37. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент: Справочник// B.C. Самойлов, Э.Ф. Эйхманс, В.А. Фальковский и др.- М.: Машиностроение , 1988.-368 с.

38. Каталог металлорежущих инструментов фирмы "MKTC-Hertel", Москва, 1998

39. Каталог металлорежущих инструментов фирмы "Mitsubishi materials corporation", Japan, 199843 .Каталог металлорежущих инструментов фирмы "Sandvik Coromant", 1998

40. Kopplin D. Zwei Schneidstoffe in der Praxis//Werkzeuge.-1990.-S.59-60,62.

41. Kennametal КС 990 suits steel both and iron// Metalwork. Prod.-1989.-V.133, № 7.-P.12.

42. Burgin G.Cutting edge // Manuf. Eng.-1989.- V.68, №8.-P.26-27.

43. Hartmetall-Wendeschneidplatten mit verschiedenen Berchichtungen // Maschinen-markt.-1991.-V. 103, № 25.- S.91.221

44. Kubel E.,Smith D. Insert coatings keep their cool for untended milling// Tool, and Prod. 1989.-V.55, №5.- P.96-97.

45. Coated carbide mills with coolant // Metalwork. Prod.- 1991.- V.135, №12. -P.24.

46. Обработка резанием труднообрабатываемых материалов твердыми сплавами с износостойкими покрытиями / Верещака А.С., Фадеев B.C., Аникеев А.И., Аникин В.Н. // Вестник машиностроения. 1991 . - № 1. - с.31 - 33.

47. Табаков В.П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана.- Ульяновск: УлГТУ, 1998. 123с.

48. Кабалдин Ю.Г. Структура, прочность и износостойкость композиционных инструментальных материалов. Владивосток: Дальнаука, 1996. - 183 с.

49. Болотников Г.В. Повышение надежности твердосплавного инструмента при резании труднообрабатываемых материалов путем нанесения сложнолегиро-ванных покрытий и газостатической обработки: Дисс. . канд. техн. наук. -М., 1992.-210 с.

50. Cr-N-Harstoff ist temperaturfest // Fabrik 2000.-1992.-s.33.

51. Boron carbid tool coatings for non-F // Amer. Mach. and Autom. Manuf.-1990.-V.134, №2.- p.21.

52. Верещака A.C., Табаков В.П., Жогин Износ твердосплавных режущих инструментов с покрытием // Вестник машиностроения. 1981 . - № 4. - С. 4549.

53. Quinto D.T., Santhanam А.Т., Jindal P.C.Mechanical properties, structure and performance of CVD and PVD coated carbid tools // Inf. J. Refract. Metals and Hard Mater. -1989.- V.8,№ 2.-P. 95-101.

54. Study on the coated carbide for high-efficiency steel milling / Jamagata K., Nomura Т., Tobioka M., Kawai C.//Adv. Hard Mater. Prod.: Metal Powder Rept Conf., London,! 1-13 Apr.1988.- Shrewsbury,1988.-P.21/1-21/5.222

55. Maushart J. Fur das Fräsen geschaffen // Werkstatt und Betr.- 1997.-V.130, №7.-S.334-336.

56. Kammermeier D. Dunne Schichten- starke Leistungen // Ind.-Anz.-1990.-V.l 12, №73.- S.76-78.

57. Андреев Г.С. Удар при прерывистом резании // Вестник машиностроения. -1971. № З.-с.66-68.

58. Повышение прочности и износостойкости твердосплавного инструмента/ Под ред. Шабашова С.П. М.: Машиностроение, 1968. - 140 с.

59. Ильченко Н.Я. Исследование прочности режущей части торцовых твердосплавных фрез в условиях тяжелого машиностроения и станкостроения: Дисс. канд. техн. наук. Горький, 1969. - 150 с.

60. Хает Г.Л. Прочность режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1975. -168 с.

61. Кабалдин Ю.Г. Исследование прочности сцепления стружки инструментом при прерывистом резании // Станки и инструмент. 1973. - № 4.-C.36-37.

62. Кабалдин Ю.Г. Исследование температуры и адгезии при непрерывном и прерывистом резании // Станки и инструмент. 1980. - № 4.-С.27-29.223

63. Бердников JI.H. Влияние температурного перепада на хрупкое разрушение зубьев твердосплавных фрез// Станки и инструмент . 1982 . - №5. - с. 23 -24.

64. Кабалдин Ю.Г. Исследование разрушения режущей части твердосплавного инструмента при фрезеровании// Вестник машиностроения. 1981 . - № 8. -с.52 - 54.

65. Верещака A.C., Деревлев П.С. Повышение производительности процесса фрезерования конструкционных сталей твердосплавным инструментом с покрытием /В сб.: Высокопроизводительные конструкции режущего инстру-мента.-М.: МДНТП, 1976, с. 10-14.

66. Деревлев П.С. Исследование работоспособности металлорежущего инструмента с тонкими покрытиями в условиях прерывистого резания.- Дисс. .канд. техн. наук,.- М., 1978.-320с.

67. Кабалдин Ю.Г., Киле A.A., Тараев С.П. Разрушение твердосплавного инструмента с покрытием при прерывистом резании// Вестник машиностроения. 1991 .- №7. - с.32 - 35.

68. Кабалдин Ю.Г., Изотов С.А. Анализ разрушения тонких покрытий на твердом сплаве при прерывистом резании // Сверхтвердые материалы. 1987 . -№1.-с.31 -36.

69. Киле A.A., Лазовский М.Р. Оптимизация состава и толщины покрытия для прерывистого резания // Повышение эффективности использования автоматизированных комплексов на предприятиях Дальнего Востока: Тез. докл.-Комсомольск- на -Амуре, 1989.-е.69-71.

70. Влияние толщины покрытия на работоспособность твердосплавного инструмента в условиях прерывистого резания/Солодков В.А., Быков Ю.М., Аникин В.Н. и др.// Физические процессы при резании металлов.- Волгоград: ВПИ, 1987-е.47-57.224

71. Солодков В.А. Закономерности процесса прерывистого резания стали и пути повышения работоспособности твердосплавного инструмента при фрезеровании." Дисс. .канд. техн. наук,.- Волгоград, 1988.-220с.

72. Фадеев В.К., Аникин В.Н., Палладии Н.М. Разрушение твердосплавного инструмента с износостойкими покрытиями при прерывистом резании // Станки и инструмент . 1987 . - № 6. - С. 21 - 23 .

73. Паладин Н.М. Создание композиционных инструментальных материалов на основе исследования микромеханизмов разрушения твердых сплавов с покрытиями: автореферат дисс. канд. техн. наук.- М., 1990.-27 с.

74. Влияние азота на структуру и свойства упрочняющих поверхностных покрытий на основе титана/ Моисеев В.Ф., Фукс- Рабинович Г.С., Досбаева и др.// Физика и химия обработки материалов 1991. - №2.-С.57- 59.

75. Мрочек Ж.А., Лойко В.А. Исследование физико- механических свойств ва-куумно-плазменных покрытий // Вестник АН БССР.- 1982 № 4.- с.49-52.

76. Синопальников В.А., Гурин В.Д. Тепловые условия работы быстрорежущего инструмента с покрытием из нитрида титана // Станки и инструмент. 1983 . -№ 1.-С.14- 16.

77. Барвинок В.А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий.-М.: Машиностроение , 1990 . 384 с.

78. Этингат A.A. Исследование влияния технологических параметров процесса конденсации вещества в вакууме с ионной бомбардировкой (КИБ) на работоспособность режущих инструментов: автореферат дисс. . канд.техн. наук.- М., 1981.-21 с.

79. Касьянов С.В Исследование режущих свойств и разработка путей дальнейшего развития инструментов с износостойкими покрытиями: Дисс. .канд. техн. наук, М.,1979.-249с.

80. Бякова A.B. Влияние структурного состояния покрытий из нитрида титана на их прочность // Сверхтвердые материалы. 1992 . - № 5. - с.30 - 37.225

81. Дыбенко Ю.М., Мельников С.А., Будилов В.В. Исследование влияния параметров процесса осаждения нитрида титана на физико- механические свойства покрытий // Оптимизация технологических процессов по критериям прочности. Уфа,1985.- с.72-78.

82. Бойко В.Ф., Белова Е.К., Алексеева O.A. О механизме возникновения внутренних напряжений в вакуумно- плазменных конденсатах // Физика.и химия обработки материалов. -1991. №2 . - С. 118-121.

83. Лавро В.Н., Пугачева Т.М., Якубович Е.А. Разработка комплексной технологии упрочнения инструмента износостойкими покрытиями // Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей машин: Тез. докл.-М.:М,1990.-с.8.

84. Шайдулин A.M. Морфолого- структурные аспекты подготовки поверхности перед нанесением износостойких покрытий // Износостойкие и антифрикционные покрытия: Матер. семин.-М.: МДНТП,- с. 106-112.

85. Извеков Т.Н., Поляков С.А., Добринская Т.С. Подготовка поверхности и микротвердость покрытия // Опыт производства и перспективы развития инструмента с износостойкими покрытиями.-М.: ВНИИинструмент,1988.-с.73-74.

86. Износостойкие многокомпонентные карбидные покрытия на твердых сплавах / Ворошнин ГТ.Г., Борисенок Г.В., Побережный C.B. и др.// Металловедение и термическая обработка металлов. 1987. - №3 - с.45-49.

87. Швейкин Г.П. Физико химические свойства твердых растворов на основе фаз внедрения. - В кн.: Вопросы химии твердого тела. Тр. ин-та химии УНЦ АН СССР. Вып 36. - Свердловск, 1978. - С. 67-75.

88. Мацевитый В.М. Покрытия для режущих инструментов. X.: Вища шк. Изд - во при Харьк. ун-те , 1987 . -128 с.

89. ЮО.Куванов М. Повышение эффективности инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов нанесением многослойно-композиционных износостойких покрытий: автореферат дисс. канд. техн. наук.- М.,1993.-23 с.

90. Марков Г.В., Миневич A.A. Оптимизация структуры износостойких двухслойных покрытий TiC-TiN// Высокоэффективное оборудование и технологические процессы упрочнения режущего инструмента и деталей машин: Тез докл.- Минск. 1990.-е.94.

91. Григорьев С.Г. Повышение надежности режущего инструмента путем комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки: автореферат дисс. . докт. техн. наук.- М.,1995.-54 с.

92. ЮЗ.Хворостухин A.JL, Белых Л.И., Куксенова А.И. Исследование структурных изменений в покрытии нитрида титана при алмазном выглаживании // Физи-ка.и химия обработки материалов. 1986. - №5-6 . - С. 111-114.

93. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я.С. Уманский и др. М. : Металлургия , 1982 . - 632 с.

94. Гинье А. Рентгенография кристаллов . М. : Физматгиз , 1961. - 604 с. Юб.Васильев Д.М. Современное состояние рентгеновского способа измерениямакронапряжений // Заводская лаборатория. 1984 . - №7. - с.20.227

95. Иванов С. А. Неразрушающий рентгеновский анализ приповерхностных напряжений // Физика и технология упрочнения металлов . Д.: ФТИ , 1985 .- с. 8-24.

96. Макаров В.В. , Колотов А.З. Вклад упругой и пластической анизотропии в рентгеновское измерение напряжений при наличии текстуры // Физика и технология упрочнения металлов . Л.: ФТИ , 1985 . - с. 86-90.

97. Ю9.Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов.-М.: Мир,1968. 241 с.

98. Ю.Резников А.Н. Теплофизика резания.-М.: Машиностроение , 1969 . 288 с.111 .Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента.-М.: Машиностроение , 1968. 241с.

99. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений.-М.: Наука,1965.- 528 с.

100. ПЗ.Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. -М.: Наука, 1976. 280 с.

101. Беккер М.С. Повышение работоспособности режущего инструмента на основе анализа механизма диффузионно-усталостного разрушения инструментального материала: автореферат дисс. . докт. техн. наук.- Тбилиси, 1989.-40 с.

102. Талантов Н.В., Быков Ю.М. Исследование влияния тугоплавких покрытий на износостойкость твердосплавного инструмента// Физические процессы при резании металлов.- Волгоград: ВПИД980-С.23-29.

103. Пб.Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов.-М.: Машиностроение , 1964 . 275 с.

104. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента.- М.: Машиностроение, 1992. 240с.

105. Анализ теплового режима рабочей поверхности однослойного инструмента из СТМ методом конечных элементов/ Шило А.Е., Кущ В.И., Дутка В.А. и др.// Сверхтвердые материалы. 1989 . - №5. - с.38-41.

106. Dépôt métallique Balzers Balinit В (TiCN)// Mach.-outil Prod.-1990-1991.-55, Hors ser.: Fiches techn/ T. 1- c.105

107. Основы теплопередачи в авиационной и космической технике / Под. ред. Кашкина В.К.-М.: Машиностроение , 1975 . 630 с.

108. Синопальников В.А., Турин В.Д. Температурное поле в режущем клине инструмента при прерывистой работе // Вестник машиностроения. 1980 . - № 4. С.44 - 47.

109. Табаков В.П. Исследование влияния твердого покрытия на качественные характеристики инструментального материала: Дисс. .канд. техн. наук, М.,1975.-239с.

110. Жогин A.C. Исследование фрикционного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов и методы их регулирования: Дисс. .канд. техн. наук, М., 1976.-237с.

111. Дзельтен Г.П. Определение напряженного состояния и прочности режущей части инструмента с целью выбора ее рациональных параметров: автореферат дисс. . канд.техн. наук.- Санкт-Петербург, 1996.-15 с.

112. Усов A.M. Повышение эффективности процесса бездефектного шлифования материалов и сплавов, предрасположенных к трещинообразованию: Дисс. . докт. техн. наук.- М.:1986.- 363 с.

113. Ludwig H.R.Werkzeugschneiden beim Stirnplanfräsen Grundlagen einer FEM-Beanspruchungsanalyse// Werkstattstechnick . 1990 . -80, № 7. - c.353 - 356.229

114. Analysis of stresses during exit in interrupted cutting with chamfered tools/Dokainish M.A., Elbestawi M.A., Polat V., Tole В.//Inf. J. Mach. Tools and Manuf/-1989.-29, № 4.-p. 519-534.

115. Креймер Г.С. Прочность твердых сплавов.-М.: Металлургия , 1971. 247 с.

116. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения.-М.: Металлургия , 1977. 360 с.

117. Гольдштейн М.И., Литвинов B.C., Бронфин Б.М. Металлофизика высокопрочных сплавов.-М.: Металлургия , 1986. 312 с.

118. Новик Ф.С. Планирование эксперимента на симплексе при изучении металлических систем.- М.: Металлургия , 1985. 256 с.

119. Ильинский А.И. Структура и просность слоистых и дисперсноупрочнен-ных пленок.- М.: Металлургия , 1986. 142 с.

120. Формирование структуры и микротвердость многослойных дуговых конденсатов на основе нитридов Ti, Zr, Nb, Cr / Андриевский P.A., Анисимова И.А., Анисимов В.П.// Физика.и химия обработки материалов. 1992. - №2-с.118-121.

121. Расчет среднеотраслевых затрат при нанесении износостойких покрытий на режущий инструмент, приведенных к одному часу работы установок типа "Булат ЗТ".- М.: ВНИИинструмент, 1982.- 9 с.

122. Верещака A.C. Повышение работоспособности режущих инструментов нанесением износостойких покрытий: Дисс. . докт. техн. наук.- М.-.1986.- 601 с.