автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение работоспособности твердосплавного инструмента и качества обработанных поверхностей при сухом резании различных конструкционных материалов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН»

На правах рукописи

Хаустова Ольга Юрьевна

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА И КАЧЕСТВА ОБРАБОТАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ СУХОМ РЕЗАНИИ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Диссертация выполнена в Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН»

Научный руководитель

■ доктор технических наук, профессор Верещака Анатолий Степанович

Официальные оппоненты

• доктор технических наук, профессор Гречишников Владимир Андреевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Шеметов Михаил Григорьевич

Ведущая организация

- Ступинское машиностроительное производственное объединение СМПО

Защита состоится «18» марта 2004 г. в часов на заседании диссертационного совета К212.142.02 при Маковском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу 127055, Москва, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Московского государственного технологического университета «СТАНКИН»

Автореферат разослан "17" февр.2004

Ученый секретарь диссертационного совета

Поляков Ю.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

работы.

Развитие

современных

машиностроительных производств характеризуются созданием и внедрением новых обрабатываемых материалов, инновационных конструкций деталей и изделий, использованием систем автоматизированного проектирования, постоянным ростом требований к точности и качеству обработки, а также снижению техногенного воздействия на окружающую среду. В этой связи возникают все более серьезные требования по повышению эффективности операций обработки, отвечающих возникающим задачам производства. Обычно решение таких задач связывают с разработкой новых технологических процессов, основным средством повышения эффективности которых является рост производительности обработки в основном за счет роста скорости резания и применения смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) с учетом действия физических эффектов последних, направленных на снижение термомеханической напряженности, воздействующей на систему резания (режущий инструмент, обрабатываемую заготовку, узлы станка и т.д.). Между тем, разработка и использование новых технологических процессов с применением высоких и сверхвысоких скоростей резания характеризуется уменьшением проникающей способности смазочно-охлаждающих жидкостей даже при их обильной подаче в зону обработки и соответствующим снижением основных физических эффектов. В ряде случаев применение смазочно-охлаждающих жидкостей вообще не рекомендуется из-за высокой вероятности снижения физико-механических свойств ряда конструкционных материалов (титановые, магниевые, бериллиевые сплавы и т.п.) в связи с их высокой склонностью к поверхностному поглощению газов в процессе обработки. Кроме того, применение смазочно-охлаждающих жидкостей приводит к заметному росту издержек производства и возникновению отрицательных техногенных эффектов. В частности, в ряде случаев расходы на смазочно-охлаждающие жидкости могут превосходить соответствующие расходы на режущий инструмент, а загрязненность окружающей-среды, от процессов обработки может превосходить уровень загрязненности от двигателей внутреннего сгорания. Поэтому очевидной стратегией развития производственных процессов является создание технологий обработки без применения смазочно-охлаждающих жидкостей (сухое резание) с частичной или полной компенсацией их физических эффектов. Однако до настоящего времени практически не созданы системы резания без применения смазочно-охлаждающих жидкостей, обеспечивающие уровень термомеха

эффективность резания адекватную стандартным процессам с применением смазочно-охлаждающих жидкостей.

Об актуальности настоящей работы свидетельствует ее поддержка финансовыми средствами проектов, выполняемых в рамках научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»: проект 201.09.00.011 «Разработка систем экологически безопасной лезвийной формообразующей обработки», подпрограмма 201 «Производственные технологии», раздел 201.08 «Специальные технологии межотраслевого применения в машино- и приборостроении»; проект 201.10.01.049 «Создание научно-технологических основ производства методами порошковой металлургии композиционной керамики с многофункциональным покрытием для экологически чистой обработки резанием», подпрограмма 201 «Производственные технологии», раздел 201.09 «Технологии и технологические совмещенные модули для металлургического производства», а также проекта FKZ 1975A/0025 "Kombinierte lonenstrahl - und Beschichtungstechnologie", выполненного институтом IFQ Магдебургского университета за счет финансовых средств бюджета земли «Саксония-Анхальт», ФРГ.

В этой связи, разработка процессов сухого резания с эффективностью, соответствующей стандартным процессам с применением смазочно-охлаждающих жидкостей является актуальной научно-технической задачей машиностроительных производств.

Цель работы. Целью настоящей работы является повышение работоспособности инструмента и качества обработанных поверхностей при сухом резании различных конструкционных материалов.

Методы исследований. Для решения поставленных задач исследования использовали основные положения теории резания материалов, физики твердого тела, механики контактных взаимодействий, трибологии резания, применения исследовательских стендов, оснащенных интерфейсами и программным обеспечением, позволяющих обрабатывать получаемые экспериментальные данные в автоматическом режиме на ПЭВМ. Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных и производственных условиях с применением методик статистического анализа и оптимального планирования эксперимента, использования современных средств измерения и регистрации параметров функционирования системы резания и характеристик поверхности обработанных деталей.

Научная новизна работы состоит: Ф в применении последовательно расположенных на рабочих поверхностях инструмента износостойкого и трибоактивного слоев и слоя создающего твердую смазку под воздействием ионизированной воздушной среды;.

Ф в регрессионных зависимостях интенсивности изнашивания инструмента от параметров формирования многослойных покрытий.

Практическая ценность работы заключается в:

Ф рекомендациях по применению технологии сухого резания с компенсацией физических эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей для операций точении конструкционных сталей, жаропрочных никелевых и титановых сплавов взамен стандартных технологий с применением смазочно-охлаждающих жидкостей;

Ф рекомендациях по выбору составов и параметров многофункциональных покрытий для твердосплавного инструмента, применяемого в процессах сухого точения различных конструкционных материалов с компенсацией физических эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей;

ф технических условиях на использование ионизированного воздуха при сухом точении, включающих рекомендации по основным параметрам ионизации, системе подачи ионизированной газовой среды и нормам ее безопасности.

Достоверность результатов подтверждена широкими лабораторными и промышленными экспериментальными исследованиями параметров сухого точения с применением ионизированных газовых сред и многофункциональных покрытий, наносимых на твердосплавный инструмент, износостойкости и работоспособности инструмента, качеству поверхностного слоя, газосодержанию рабочей зоны и газонасыщению поверхностного слоя обработанных деталей и их усталостной прочности.

Реализация работы. Положения диссертации включены в методику «Разработка экологически безопасной технологии механической обработки (ЭБТМО) без использования жидких СОТС», разработанную научно-техническим центром ОАО НИИД ФГУП ММПП «САЛЮТ».

Апробация работы. Основные результаты исследовательской части диссертационной работы были доложены на: Международной конференции «Интерпартнер-1997. Высокие технологии в машиностроении: современные тенденции развития», Харьков.: ХГПУ, 1997; Научно-техническом симпозиуме «Двигатели и экология» в рамках 6-й международной выставки «Двигатели 2000», Москва 19-20 апреля

2000 г.; Международной конференции «Прогрессивная техника и технология - 2001», Севастополь 28.06 - 2. 07. 2001г.; Международной научно-практической конференции «Электротехника и энергетика Поволжья на рубеже тысячелетий, Чебоксары. 30 октября - 2 ноября

2001 г.; Научно-техническом симпозиуме «Двигатели и экология», Москва, 17-18 апреля 2002 г.; XII Международной конференции «Интерпартнер-2002. Высокие технологии: тенденции развития»,

Харьков, НТИУ «ХПИ», 2002 г.; Международной научно-практической конференции «Протек-2002. Производство. Технология. Экология», Москва, МГТУ «СТАНКИН» сентябрь 2002.; Всероссийской научно-технической конференции «НМТ-2002. Новые материалы и технологии», Москва, МАТИ, 2002 г.; Международной конференции «Интерпартнер-2003. Высокие технологии: тенденции развития», Харьков, НТИУ «ХПИ», 2003 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9-ти научных публикациях и изложены в 2-х научно-технических отчетах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений, содержит 172 страницы машинописного текста,111 рисунков,25 таблиц и список литературы из 122 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложено обоснование актуальности темы диссертационной работы, ее научная новизна и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор научных публикаций, относящихся к анализу физических, экологических и экономических аспектов процессов лезвийной обработки с применением смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), а также тенденций в создании технологий обработки со сниженным уровнем загрязняющего воздействия на окружающую среду

Проблеме резания с применением смазочно-охлаждающих жидкостей посвящены работы многих исследователей отечественных научных школ: Ю.М. Виноградова, М.Б. Гордона, Н.Н. Зорева, А.И. Исаева, М.И. Клушина, В.А. Кривоухова, В.Д. Кузнецова, В.Н. Латышева, Т.Н., Лоладзе, А.Н. Резникова, А.М. Розенберга, Л.В. Худобина, В.А. Годлевского, А.Г. Наумова, а также зарубежных исследователей: П. Бэрлоу, К. Бейли, Л. Де Шифре, Е.Д. Дойла, Б. Ивковича, М. Мерчанта, В. Кенига, Г. Роу, Д. Тейбора, Дж. Уильямса, Е. Усуи, Е. Хорна и др.

Анализ современных методов интенсификации процессов лезвийной обработки показал, что международные тенденции и стратегия технически развитых стран мира при проектировании новых производств связаны с полным или частичным отказом от применения смазочно-охлаждающих жидкостей из-за их сильного техногенного воздействия на окружающую среду и повышенных производственных расходов, невозможностью использования при высоких скоростях резания.

Проведенный аналитический обзор исследований, относящихся к разработкам высокоэффективных процессов сухого резания, позволяет отметить, что, несмотря на значительное количество проведенных

работ, в настоящее время не существует решений, которые бы в полной мере отвечали поставленной задаче.

Разработанные процессы обработки со сниженным техногенным воздействием на окружающую среду, например, путем замены токсичных элементов в составе смазочно-охлаждающих жидкостей на менее токсичные, но с теми же физическими эффектами или на твердые смазки на органической основе, не позволяют адекватно заменить процессы с применением стандартных СОТС.

Процессы, минимизирующие количество СОТС, подаваемых в зону обработки, характеризуются существенными затратами на изготовление и эксплуатацию систем ее подачи, также не могут в полной мере компенсировать физические эффекты СОТС, особенно охлаждающие.

Радикальным решением проблемы является отказ от применения смазочно-охлаждающих жидкостей особенно при обработке на повышенных скоростях резания, однако при этом можно уверено прогнозировать:

Т снижение теплоотдачи в окружающую среду и увеличение тепловой нагрузки на систему резания в целом из-за отсутствия конвективной роли охлаждающих жидкостей, как переносчика тепла; • трансформацию основных параметров процесса резания, и, прежде всего, увеличение работы трения, мощности фрикционных источников тепла, вследствие чего в контактных зонах инициируются адгезионные и химико-окислительные процессы, а при повышенных скоростях резания интенсифицируются интердиффузия; Т снижение стойкости инструмента, особенно изготовленного из инструментальных материалов с относительно низкой теплостойкостью; Т ухудшение процесса стружкообразования (формирование сложной для транспортировки из зоны резания сливной «путаной» стружки); ж увеличение тепловой нагрузки на режущий инструмент и область формирования поверхностного слоя обработанной детали и связанные с этим отрицательные изменения физико-механических свойств материалов инструмента и обрабатываемой заготовки; Т снижение точности обработки, формирование характеристик поверхностного слоя деталей, снижающих их эксплуатационные свойства (коррозионные свойства, прочность, предел усталости, износостойкость и др.).

Проведен обзор немногочисленных исследований, относящихся к разработкам сухого резания с частичной компенсацией физических эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей. В работах Ахметзянова И.Д., которому принадлежит приоритет в использовании ионизированного коронным разрядом воздуха для компенсации охлаждающего эффекта СОТС, приводятся данные по улучшению параметров сухого резания и изнашивания инструмента. Аналогичные исследования проведены В.Н. Подураевым В.Н.. В.Н. Латышевым, В.Н.,

A.Е. Солодихиным, А. К. Кирилловым и др. В работах А. С. Верещака,

B.П. Табакова, Ю.Н. Внукова и др. в качестве элемента, компенсирующего смазочные эффекты СОТС, использованы износостойкие покрытия, которые позволяют изменить контактные процессы, снизить мощность фрикционных источников тепла и несколько уменьшить термическую напряженность системы резания в целом.

Анализ проведенных работ по проблеме создания процессов высокоэффективного сухого резания показал, что разработанные решения лишь частично отвечают поставленной задаче из-за отсутствия комплексной компенсации физических эффектов СОТС. Не установлена физическая природа предлагаемых процессов, не изучено влияние условий сухой обработки на формирование характеристик поверхностного слоя (шероховатость, остаточные напряжения первого рода, степень наклепа и т.д.), а также влияние технологической наследственности поверхностного слоя на эксплуатационные характеристики деталей. Это не позволяет рекомендовать подобные процессы для операций чистовой и получистовой обработки взамен стандартных процессов с применением смазочно-охлаждающих жидкостей.

Таким образом, разработка процессов сухого резания с компенсацией влияния СОТС на параметры и тепловую напряженность системы резания путем интегрирования эффектов физического воздействия ионизированных газовых сред и многофункциональных покрытий на зону обработки является актуальной научно-практической задачей для современного

металлообрабатывающего производства. В этой связи целью исследований является повышение работоспособности инструмента и качества обработанных поверхностей при сухом резании различных конструкционных материалов с компенсацией эффектов СОТС путем применения последовательно расположенных на рабочих поверхностях инструмента износостойкого, трибоактивного слоев и слоя, создающего твердую смазку под воздействием ионизированной воздушной среды. Для реализации цели работы необходимо решение следующих задач:

1. Разработать систему резания с компенсацией основных физических эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей.

2. Провести сравнительные исследования параметров процессов резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей и стандартного резания при точении различных конструкционных материалов.

3. Изучить кинетику изнашивания и работоспособность твердосплавного инструмента для процессов резания с компенсацией

эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей при точении различных конструкционных материалов.

4. Исследовать качество поверхностного слоя, формируемого при точении различных конструкционных материалов для процессов резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей.

5. Изучить влияние технологической наследственности поверхностного слоя деталей из различных конструкционных материалов, полученной при использовании резания с компенсацией, на их эксплуатационные характеристики.

6. Разработать технологические рекомендации по применению резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей при точении различных конструкционных материалов.

Вторая глава посвящена разработке концепции системы сухого резания с компенсацией физических эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей, рабочих гипотез исследований, в ней излагается общая методика проведения исследований.

В постановочной части работы изложена методика разработки рабочих гипотез исследования, которая основывается на анализе причинно-следственных связей между механизмами транспортировки и проникновения смазочно-охлаждающих жидкостей на контактные площадки инструмента, физико-химическими процессами в контактных зонах, механизмами формирования и результатами действия (эффективностью) смазочных пленок. Показано, что при разработке экологически безопасных технологий сухой обработки необходимо решение целого комплекса возникающих проблем, связанных с частичной или полной компенсацией различных эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей. Для этого необходимо:

ф снизить тепловое воздействие на режущий инструмент посредством уменьшения мощности фрикционных источников тепла, а также повысить сопротивляемость инструмента тепловому разрушению за счет применения инструментальных материалов повышенной теплостойкости;

ф уменьшить тепловое воздействие на обрабатываемую поверхность заготовки путем снижения работы резания и интенсивность тепловых потоков в формируемую поверхность детали.

Решение задачи создания экологически дружественных процессов резания с компенсацией физических эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей может быть осуществлено на основе использования специальной системы резания, для разработки которой были использованы следующие рабочие гипотезы:

1. Для компенсации охлаждающего эффекта СОТС необходимо применение активной газовой среды, способной к проникновению в

контактные зоны и увеличению теплоотдачи системы резания в окружающую среду.

2. Для компенсации смазочных эффектов СОТС, необходимо применение многослойно-композиционных покрытий, содержащих в своей конструкции трибоактивные слои и слои с компонентами, способными взаимодействовать с активной газовой средой и формировать антифрикционные пленки, усиливающие эффекты трибоактивных слоев по снижению трения, тепловых нагрузок на режущий инструмент и формируемую поверхность детали.

3. Для повышения сопротивляемости режущего инструмента изнашиванию и разрушению при повышенных термомеханических напряжениях, возникающих при сухом резании, необходимо использование многослойно-композиционных покрытий с износостойкими слоями, состав и структура которых должны быть максимально адаптированы под условия повышенного термического воздействия.

На основе изложенных гипотез, а также анализа причинно-следственных связей физических эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей в процессе резания была разработана система сухого резания с компенсацией физических эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей, качественная модель которой представлена на рис. 1.

Рис.1. Модель (качественная) системы сухого резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей: 1 - коронный разряд; 2 - катод; 3 - источник питания системы возбуждения коронного разряда; 4 - корпус плазмотрона; 5 -режущий инструмент, 6 - обрабатываемый материал; 7 - поток газовой среды (ГС) через корону электрического газового разряда. И ГС -ионизированная газовая среда; М - молекулы потока И ГС; А - атомы потока И ГС; г - радикалы потока ИГС; Г - ионы потока ИГС с различной степенью зарядности; е -электроны потока ИГС; МФП - многофункциональное покрытие; а -износостойкий слой; Ь - трибоактивный слой; с -активный слой; d - адгезионный подслой.

В системе сухого резания предлагается использование двух основных элементов, компенсирующих физические эффекты смазочно-охлаждающих жидкостей: многофункциональные покрытия (МФП) и ионизированные газовые среды (ИГС).

Ключевым элементом предлагаемой системы сухого резания является многофункциональное покрытие МФП, наносимое на режущий инструмент.

МФП включает износостойкий (слой «а»), служебная роль которого состоит в повышении износостойкости инструментального материала (субстрата); трибоактивный слой «Ъ», функционально предназначенный для снижения трения и теплообразования в зонах действия основных фрикционных источников тепла (компенсация отсутствующего смазочного эффекта СОТС), активный слой «с», предназначенный для усиления антифрикционных эффекта слоя «Ъ» за счет формирования антифрикционных пленок (твердые смазки) в результате взаимодействия с ионизированной газовой средой и адгезионный подслой «d», предназначенный для обеспечения прочной адгезионной связи между МФП и твердосплавным субстратом.

Последовательное чередование слоев «а», «Ь», «с», «d» в супермногослойной конструкции покрытия позволяет поддерживать высокую эффективность многослойного покрытия за весь период его существования до момента полного разрушения. Конструкция многофункционального покрытия базируется на супермногослойной структуре с толщиной каждого слоя порядка 50-200 нм. Подобная конструкция позволяет не только заметно повысить сопротивляемость покрытия макро - и микроразрушению в условиях адгезионно-усталостных процессов и термоциклического нагружения инструмента, свойственных процессам резания, но и создать в объеме покрытия новую совокупность физико-механических свойств, резко повышающих его эффективность. В частности, подобные покрытия обладают чрезвычайно низкой теплопроводностью, что позволяет предположить снижение интенсивности тепловых потоков в режущий инструмент. Кроме того, возможно получение более благоприятного соотношения таких важных характеристик покрытия, как твердость и пластичность, а резкое уменьшения толщины каждого слоя покрытия существенно снижает вероятность появления опасных дефектов и позволяет прогнозировать реализацию прочностных свойств покрытия на уровне теоретических.

Для качественной оценки состава слоев многофункционального покрытия была использована методика, предложенная Верещака А.С.

В таблице 1. представлены предпочтительные составы слоев «а», «Ь», «с», «d», а также основные требования к ним.

Важным элементом разрабатываемой системы сухого резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей является активированные газовые среды. Введение активированных сред в зону резания обусловлено необходимостью компенсации охлаждающих, смазочных и пластифицирующих физических эффектов, возникающих в

процессе резания при использовании СОТС. Для увеличения проникающей способности газовой среды необходима их активация, например, путем ионизации с использованием электрических разрядов различных видов. В разработанном варианте системы резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей была использована система ионизации воздуха с помощью коронного разряда.

Табл.1.

Составы слоев МФП Износостойкий Адгезионный Трибоактивный Активный

и требования к ним слой «а» подслой «¿» слой - «Ъ» слой «С»

СгМ>СгС>СгВ> \/м>2гИ>гк> &в>та>пс> ТВ2>Н®2 Металлические подслои: 2г > Сг > V > П; р-С> МоЭг» ТьШ>А|-А1М>

Рекомендуемые составы Карбиды, нитриды, карбо-нитриды, бор иды СП.Сг) > (П,Мо) > (Т"|,А1) > (Т|,2г) > (2г,ЫЬ) > (П,МЬ,Сг) > (П,СгА1) > (Т|,2г,А1) Металлические композиты: гг-Сг >"П-Сг > П,У Соединения: г1^>{п,сг)м>та (Мо.П)^ Ме^03)у>А1^ П,А1-ГПЛЦМ> та-сп,А1)№» А1-(Т1 ДОМ- (Мо,Т|)Зх

Важнейшие требования 1. для пары ОМ-*а» 2. Ма 3. Мах. значения: НУ, <Ть,К,с 1. ДОт'сО для пар «&-ИМ, 2. <гЛ>-«с», 3. Необходимость соблюдения правила «Юм-Розери» для пар: «/»-ИМ", -«с» " 1. Л/г^Одля пар 2. ¿0Т°<-0 для пар «Ь»-«а»; *Ь»-«с»; 3. Необходимость соблюдения правила «Юм-Розери» для пар: «Ь»-«а», «Ь#- «с»" /Ют°<0 по отношению к активным элементам иэИГС (типа О*. Ы*, С*

• Примечание. AGT° - изобарный потенциал реакции при температуре эксплуатации режущего инструмента; Юм-Розери - правило растворимости двух элементов друг в друге (разница в их

атомных диаметрах не должна превышать 15%); Т1В2 > ННВ. >ТЮ >.....- предпочтительный

ряд соединений, пригодных для формирования слоев МФП (по мере возрастания).

Кинетическая энергия ионизированной газовой среду, определяющая ее проникающую способность, может быть оценена зависимостью:

Wi~m+eZ'Ue (1)

где И/( - исходная энергия элементов газового потока (является функцией давления среды и плотности потока); eZ - кратность зарядности иона элементов газовой среды; Ue - величина отрицательного потенциала катода при возбуждении коронного разряда.

Анализ формулы (1) позволяет отметить, что проникающая и реакционная способность ИГС, а, следовательно, возможность компенсации эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей, сильно зависит от степени зарядности, количества и энергии ионов.

Существенное влияние на активность ионизированной среды оказывает адсорбция, что обусловлено проникновением, миграцией и локализацией ионов на химически чистых поверхностях ОМ и ИМ. Часть избыточной энергии ионов Wt расходуется на связывание частиц ионизированной среды, что ведет к уменьшению поверхностной энергии вновь образованных поверхностей, т.е. наблюдается адсорбция. Граничные адсорбционные слои на поверхности обладают большой механической прочностью и способны выдержать без разрушения высокие давления порядка 106 МПа.

Активированная газовая среда способствует интенсификации химических процессов, так как помимо чрезвычайно активных и подвижных ионов, содержит молекулы, атомы и радикалы, взаимодействующие с химически чистыми поверхностями инструментального и обрабатываемого материалов. Активированная среда наиболее благоприятна с точки зрения ускорения химических реакций и образования защитных пленок типа МехОу; MexNy, - МехСу; MexCflziMexOyN„ МехОуСг. Если в качестве газовой смеси использовать воздух, то в первую очередь адсорбирует кислород с температурой кипения около 90 К и только затем азот - с температурой кипения 77 К. Поэтому термодинамически первоначально наиболее вероятны реакции образования окислов, затем нитридов, карбидов и их смесей.

Показано, что кинетическая и потенциальная энергия элементов газовой среды (например, воздуха) при их активации коронным разрядом достигает величины (см. формулу 1), при которой ослабляются или разрываются связи в молекулах с образованием весьма активных атомов и радикалов, что приводит к эффектам «химического смазывания» при резании. Поэтому, активированную газовую среду при относительно невысокой степени ионизации, составляющей до 12 %, можно рассматривать как некий активированный комплекс с высокой проникающей способностью и возможностью формирования устойчивых химических и физических пленок,

адаптированных под уровень энергетического воздействия, соответствующий условиям процесса резания. В этом отношении

активированная газовая средаможет скомпенсировать смазочные эффекты

сота

Ионизированная газовая среда обладает весьма высокой конвекционной способностью. Прохождение под большим давлением воздушной массы непосредственно через зону резания увеличивает коэффициент массопередачи вследствие замены молекулярной диффузии на конвективную, что заметно повышает теплоотдачу системы резания в окружающую среду, приводит к ее охлаждению. Таким образом, ионизированная газовая среда способна частично компенсироватьохлаждающиеэффекты СО ТС.

В главе также подробно анализируются интегральные эффекты системы сухого резания с применением инструмента с многофункциональным покрытием и ИГС. В частности, показаны возможности управления контактными процессами, трением, стружкообразованием, направлением и интенсивностью тепловых потоков, износостойкостью инструмента в процессе «сухого» резания. В результате интегрирования нескольких процессов взаимодействия элементов внедрения ИГС (О, N, С), проникновение которых на контактные площадки инструмента с МФП стимулируется частичной ионизацией газовой среды, то высока вероятность возникновения нескольких физических эффектов, частично компенсирующих отсутствие смазочноохлаждающих жидкостей.

В главе рассмотрены методика проведения экспериментальных исследований по получению и контролю параметров многофункциональных покрытий на установке конструкции СТАНКИН -НПК «ЭКОТЕК» ВИТ-2, оснащенной фильтром (сепаратором) -ускорителем плазменного потока, системами динамического газосмешивания, подачи напряжения смещения на инструмент в импульсном режиме, контроля температуры и давления с автоматическим поддержанием на заданном уровне. Приведены данные экспериментальных исследований параметров функционирования системы сухого резания, режущих свойств инструмента, оптимального планирования и статистической обработки экспериментальных данных.

В третьей главе приводятся данные по разработке системы резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей. В частности, рассмотрена методика и результаты оптимизации условий получения многофункциональных покрытий на примере покрытия (П,А!)1М, а также результаты оптимизации условий точения конструкционных сталей с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей.

Даны теоретические предпосылки получения

многофункциональных покрытий на основе процессов вакуумно-дугового осаждения (КИБ).

Результаты теоретического анализа позволили установить, что содержание газа в соединении (нитриде) и соотношение «азот-металл» в формируемом слое многофункционального покрытия определяются давлением реакционного газа (азота) рс , энергией ионов которая является функцией напряжения смещения на субстрате ис и тока дуги при испарении металла катода 1А и, соответственно, температурой на поверхности субстрата. Из сказанного следует, что параметры процесса синтеза слоев «а», «Ь», «с» МФП могут оказать сильное влияние на его структуру, фазовый состав, параметры кристаллической решетки и ее микро- и макроискажения, структурные и геометрические дефекты, эксплуатационные свойства МФП с целом.

Математическое планирование эксперимента для определенного числа опытных точек и оптимального расположения их в отведенной для исследований области факторного пространства включало использование указанных факторов р„, и 1п вакуумно-дугового процесса КИБ для синтеза износостойкого, активного и трибоактивного слоев МФП на основе системы Т1-А1-М, каждый из которых варьировали на трех уровнях.

Диапазон варьирования факторов р№ ио 1п выбирали таким образом, чтобы идентифицированная модель была справедлива для всей области управления, а значения варьируемых факторов внутри выбранной области были практически реализуемы. Уровни варьируемых факторов р№ иа 1п (при постоянном значении тока дуги алюминиевого катода 1М-100А) представлены в таблице 2.

Табл.2.

Факторы Уровни варьируемых факторов

Нижний Средний Верхний

ЬьА 40 80 120

Ри,Па 5.10* МОГ1 3-Ю"1

и0в 20 110 200

Для разработки математических моделей второго порядка был построен план эксперимента, который включал 17 экспериментальных образцов, (пластины из сплава Т14К8), подвергнутых предварительной аттестации. Экспериментальные исследования различных свойств твердосплавных пластин Т14К8 в зависимости от условий синтеза МФП с наружным слоем на основе системы Т1-А1-М включал: Ф исследования химического состава (атомная и весовая концентрация элементов);

Ф исследования адгезии покрытия по отношению к субстрату, микротвердости, коэффициента КСС и шероховатости; Ф исследование интенсивности изнашивания пластин с покрытием. Результаты (фрагмент) исследований по оценке химического состава слоя (Ti.AI)N МФП, нанесенного на твердосплавные пластины Т14К8 представлены в таблице 3.

Табл.3.

№ образца в эксперименте Атомная концентрация (% ат.) Весовая концентрация (% вес)

Ti Al N Ti Al N

1 21,1 50,1 28,8 21,3 44,7 34,0

2 19,9 30,1 50,0 38,8 33,0 28,5

5 10,2 39,8 50,0 18,4 40,4 26,3

8 18,997 79,432 - 28,758 67,653 -

14 22,379 72,94 - 29,055 54,34 -

17 22,898 74,252 - 32,475 59,315 -

Микрорентгеноспектральный анализ верхнего слоя МФП произведен на микроанализаторе «КАМЕКА-Микробин» фирмы «Комебакс» (Франция), а также при использовании электронно-сканирующего микроскопа COM SCAN, оснащенного детектором LZ-5 с дисперсией по энергии и компьютером AN-10000 для обработки данных.

Установлено изменение как атомной, так и весовой концентрации элементов Ti и AI в верхнем слое МФП только за счет варьирования параметрами синтеза покрытия при неизменных составах катодов. Особенно сильное влияние оказывает ток дуги титанового катода.

Результаты исследований влияния условий синтеза верхнего слоя МФП на микротвердость Нм50 (характеризует износостойкость) и вязкость разрушения К1С (характеризует сопротивляемость материала хрупкому разрушению) образцов Т14К8 с МФП, представленные в таблице 4, показали, что основные свойства твердых сплавов с МФП также сильно зависят от параметров синтеза покрытий.

Табл. 4.

Характеристики Номв[ образца в эксперименте

1 3 5 6 8 11 12 14

ИМПа 2370 2446 2473 2666 2490 2068 1854 2320

Kjc, МПа • м1й 7.3 7,2 6.9 6.85 7.1 7,0 7,5 7.5

Для процедуры оптимизации параметров синтеза МФП была выбрана экспоненциально-степенная функция (методика Власова В.И.), характеризующая интенсивность изнашивания инструмента /: /=С'Г1П'р*2^и,зс'ехр(Ь1'1Т1 + Ьурн+Ьз'ид (2)

С учетом вида функции (2), каждый из выбранных параметров варьировали на трех уровнях. После вычисления коэффициентов функции на ПЭВМ была получена зависимость интенсивности изнашивания от параметров синтеза многофункционального покрытия [на примере (Н,А1)Ми:

/= 2,39'1п*'60'Р^9'и^°'33ехр(8,26'1(Т21„+13,7рм + 7,88-1(Г3и() (3) которая была использована для процедуры оптимизации (отыскания экстремума функции) параметров синтеза слоя (Л,А1)М. Производные функции (3) по Рл> 1?с позволили вычислить оптимальные значения параметров синтеза слоя СП,А1^ МФП: 1п= 104,1 А; рн = 0,24 Па; 11с=41,9 В.

Представленная процедура оптимизации условий синтеза применительно к МФП на основе (Т1.Д!)М была использована и для других типов покрытий, применяемых в экспериментальных исследованиях: (Т1,0г)М, (Т!^г)М, (Т1,0г,Д!)М и др. В дальнейшем при проведении экспериментов использовали инструменты, оснащенные пластинами из твердого сплава с МФП оптимального состава.

На рис. 2 показаны электронно-сканирующие снимки поверхности (а) и поперечное сечение покрытия (Т1,Д!)М, нанесенного на установке ВИТ-2 при использовании оптимальных значений параметров синтеза.

технология технология (Т1,А1)Ы (Т1,А1)М-А1

а. б.

В главе также проведены исследования по оптимизации условий резания без смазочно-охлаждающих жидкостей. Установлено, что ток, протекающий через зону резания 1р, и оказывающий положительное влияние на параметры резания, зависит не только от тока коронного разряда !К1 но и от скорости потока газовой среды (воздуха) УИгс, причем увеличение тока коронного разряда 1К свыше 100 мкА не приводит к положительному эффекту.

Показано, что оптимальная схема подвода ИГС в зону обработки соответствует схеме одновременного подвода ионизированной газовой среды со стороны передней и задней поверхностей инструмента. Однако подвод ИГС только со стороны задней поверхности лишь незначительно уступает схеме одновременной транспортировке ионизированной среды и может служить ее хорошей альтернативой.

Максимальное увеличение стойкости инструмента и повышение качества обработанных поверхностей получено при расположении плазматрона, подающего ИГС на расстоянии / =40 - 50 мм от зоны резания, значении тока коронного разряда h = 75 мкА, и давлении подаваемого воздуха рюх - 0,3 МПа.

В четвертой главе проведены аттестационные исследования разработанной системы сухого резания с компенсацией эффектов СОТС. Аттестацию проводили путем сравнения основных параметров резания (уровень пластического деформирования срезаемого слоя, силы резания, температуры, кинетика изнашивания инструмента) с соответствующими значениями параметров резания всухую, при подаче в зону обработки сжатого воздуха и смазочно-охлаждающей жидкости (эмульсия «Русоил-500»).

Уровень пластического деформирования срезаемого слоя оценивали по величинам коэффициента продольной деформации (усадки) стружки £и относительному сдвигу е.

Исследование параметров, характеризующих пластическое деформирование срезаемого слоя для процессов резания с компенсацией, позволил установить снижение на 15-20 % коэффициента £ и относительного сдвига е не только по сравнению с резанием всухую, но и резанием с применением эмульсии (на 5 %), стандартных износостойких покрытий (на 3-5 %) и сжатого воздуха (наЮ-15%).

Применение системы резания с компенсацией эффектов СОТС обеспечивает снижение усилий резания на 5-20 % в сравнении с резанием всухую, использованием сжатого воздуха и эмульсии. Это обусловлено не только низкой адгезионной активностью и антифрикционными свойствами износостойких и трибоактивных слоев многофункционального покрытия, но и усилением указанных эффектов в результате формирования антифрикционных пленок (твердых смазок) при взаимодействии элементов активного слоя МФП (АГ, Ti+, Zr*. Сг+ и др.) и ионизированного воздуха.

Проведены исследования температур (использовали теоретические положения B.C. Кушнера) и их распределения по длине контактных областей передней и задней поверхностей инструмента с использованием программ расчета на ЭВМ. Установлены существенно меньшие значения максимальных и средних температур в контактных

зонах инструмента для резания с компенсацией эффектов СОТС не только в сравнении с резанием всухую и сжатым воздухом, но и резанием с использованием эмульсии «Русоил-500».

Данные расчета параметров контактных процессов (длины контакта по передней поверхности С) и температур (максимальной 7", средней Тер и в точке отрыва стружки Т) на передней поверхности инструмента при продольном точении стали 45 с V = 200 м/мин; 1 =1,0 мм; Б = 0,34 мм/об для различных условий обработки представлены в табл. 5.

Табл.5.

Условия обработки Расчетные значения

С, мм Тиах, °С То, °С Т , °С

Резание всухую 0,960 860 780 770

Резание со сжатым воздухом - 0,941 795 749 712

Резание с СОТС «Русоил-500» 0,929 765 736 699

ЭБР 0,883 767 730 678

Максимальное снижение температур по передней и задней поверхностях твердосплавного инструмента при точении стали обеспечивают процессы с использованием инструмента, оснащенного пластинами Т14К8 с многофункциональным покрытием (Т1,Сг,Д!)М, и подачей в зону обработки ионизированного воздуха, что связано со снижением трения и мощности фрикционных источников тепла.

В главе также проведены исследования кинетики и механизмов изнашивания твердосплавного инструмента при продольном точении конструкционных материалов номенклатуры ФГУП ММПП «САЛЮТ» в диапазоне изменения условий резания: v=30-350 м/мин; 1 = 0,5-2,0 мм; Б= 0,1-0,5 мм/об, т.е. для операций чистового и получистового резания (Р10-Р20).

Установлено, что для резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающей жидкости характерно существенно более интенсивное влияние трибоокислительных процессов на интенсивность изнашивания инструмента в сравнении с сухим резанием. При этом показана роль активных слоев многофункционального покрытия в формировании антифрикционных оксидных пленок (твердая смазка) при взаимодействии с ионами кислорода из ионизированного воздуха.

Установлено, что при использовании разработанной системы сухого резания стойкость инструмента возрастает до 2-5 раз при точении конструкционных сталей (на примере стали 45 НВ 200) и труднообрабатываемых материалов (на примерах хромоникелевого ХН77ТЮР) не только в сравнении со стойкостью инструмента при резании без СОТС, но стойкостью инструмента при резании с применением эмульсии за счет эффектов взаимодействия активных

слоев многофункциональных покрытий и. активных элементов ионизированного воздуха.

При обработке титановых сплавов ВТ20 применение эмульсии, сжатого воздуха и стандартных износостойких покрытий различного состава не позволяет заметно увеличить работоспособность режущего инструмента, так как повышение стойкости инструмента на 10-15 %, оснащенного пластинами ВК6 с покрытиями (Ti,Cr)N и (ДА1)^ не может быть признано статистически значимым. В то же время, использование разработанной системы резания позволяет повысить стойкость инструмента до 2 раз. Результаты экспериментальных исследований работоспособности твердосплавного инструмента при продольном точении стали 45 и хромоникелевого сплава ХН77ТЮР в различных условиях обработки представлены на рис. 3,4.

В пятой главе детально исследуются параметры, характеризующие качество поверхностного слоя и эксплуатационные характеристики деталей после резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающей жидкости.

Установлено, что при резании сталей и титановых сплавов в диапазоне скоростей до 100 м/мин инструментом с покрытием независимо от применяемой технологической среды (сжатый воздух, эмульсия, И ГС) шероховатость обработанной поверхности уменьшается с ростом скорости резания. Это связано со способностью покрытий снижать склонность инструментального материала к наростообразованию за счет пассивации адгезионной активности твердого сплава. Максимальное снижение шероховатости при обработке стали на скоростях резания свыше 100 м/мин отмечено для резания с компенсацией эффектом СОТС, а также резания с эмульсией, что связано с уменьшением трения и снижением начала порога интенсивного схватывания инструментального и обрабатываемого материалов.

В главе представлены данные исследований остаточных напряжений в образцах из стали 45 и титанового сплава ВТ9.

Измерения остаточных напряжений производили на призматических образцах, стандартный размер которых составляет (5070)'(2*4И1-*-2) мм, в предположении об одноосном напряженном состоянии. Определение численного значения остаточных напряжений, а также конфигурацию их распределения по глубине приповерхностных слоев обработанной поверхности заготовки с неравновесными деформациями производили на автоматизированном стенде ПОВКОН «Тензор». Особенностью комплекса ПОВКОН «Тензор» является полная автоматизация всех операций: управления процессом травления, регистрации деформации, компьютерной обработки результатов измерений, расчетов и построения эпюр остаточных напряжений. Специальный пакет программ обеспечивал расчет остаточных напряжений для призматических образцов при балочном или консольном закреплении в режиме реального времени.

Все образцы со сформированным в различных условиях обработки поверхностным слоем были подвергнуты испытаниям на усталость, кроме того образцы, обработанные с применением системы резания с компенсацией эффектов СОТС подвергали стандартной процедуре упрочняющей дробеструйной обработке шариками 0 = 0,2-0,3 мм в соответствии с производственной технологией ФГУП ММПП «САЛЮТ».

Исследования показали, что применение резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающей жидкости для обработки образцов из стали 45 [резцы из сплавов Т14К8 с многофункциональным покрытием (Т1.А!)М и подача в зону обработки ионизированного воздуха при р = 0,3 МПа.] обеспечивало формирование благоприятных остаточных напряжений сжатия на уровне 100 - 200 МПа, что вполне сравнимо с уровнем напряжений для резания с эмульсией и существенно превосходит показатели резания всухую и со сжатым воздухом. Аналогичные результаты были получены при обработке титанового

сплава ВТ9 с компенсацией эффектов СОТС. В частности установлено благоприятное изменение эпюры остаточных напряжений с формированием остаточных напряжений сжатия на уровне сто= 110-150 МПа.

В главе приведены результаты исследований газосодержания рабочей зоны и газонасыщения поверхностного слоя детали после обработки с применением системы с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающей жидкости. Обоснованность этих исследований связана с необходимостью всесторонней оценки изменений газосодержания непосредственно рабочей зоны резания в связи с их сильным влиянием на экологическую безопасность производства, а также в связи с влиянием газонасыщения поверхностного слоя на изменение физико-механических свойств материала и эксплуатационные характеристики изделий в целом.

Результаты проведенного анализа весового содержания кислорода и водорода в образцах из стали 45 и сплава ВТ9, полученных после обработки всухую и при использовании процессов с компенсацией эффектов СОТС показали, что количественное содержание указанных газов для обоих процессов принципиально не отличается и укладывается в допустимые нормы.

Испытания на усталость проводили в соответствии со стандартом 100870-77, который устанавливает методику испытаний и порядок ее проведения, подготовку образцов, способы обработки результатов испытаний. Стандарт предназначен для испытания лопаток ГТД, но применим и для сравнительных исследований образцов, обработанных при различных условиях резания.

Испытания проводили не менее чем при 3-х амплитудах напряжений цикла <г„ причем, в соответствии с рекомендациями стандарта, исследования начинали с наибольших амплитуд напряжений при а„ - 0,7<тд. Для испытаний на усталость использовали исследовательский комплекс, оснащенный вибратором конструкции ЦИАМ П-646. Результаты испытаний всех серий образцов из сплава ВТ9, подвергнутых обработке по вариантам, показанным в методике, представлены на рис.5.

Рис.5. Кривые усталости образцов из сплава ВТ9, обработанных в различных условиях: 1 - резание с доставкой микрокапсулированных СОТС; 2 - резание с компенсацией; 3 - резание всухую; 4 - резание с эмульсией; 5 - резание со сжатым воздухом при р = 0,3 МПа.; 6 - образца после обработки с компенсацией и последующим дробеструйным упрочнением.

Установлено, что резание всухую, с подачей в зону обработки сжатого воздуха или эмульсии, обеспечивает примерно одинаковый предел выносливости образцов из сплава ВТ9 на уровне а, = 650 МПа. Резание с введением в зону обработки ионизированного сжатого воздуха обеспечивает выносливость образцов на уровне до ат = 625 МПа, лишь незначительно снижая предел усталости примерно на 25 МПа. Процессы с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающей жидкости и последующим дробеструйным упрочнением обеспечили выносливость образцов ВТ9 на уровне а, ** 760 МПа, что свидетельствует о высокой эффективности упрочнения методом ППД образцов, обработанных с применением резания с компенсацией.

В главе также представлены технологические рекомендации по применению системы сухого резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающей жидкости для чистовых и получистовых операций токарной обработки различных конструкционных материалов применительно к производству ФГУП ММПП «САЛЮТ» взамен традиционных технологических процессов с применением смазочно-охлаждающей жидкости.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Взаимодействие элементов ионизированной воздушной среды и активных слоев многослойного покрытия, наносимого на режущий инструмент, приводит к образованию прочных антифрикционных пленок, которые выполняют роль твердой смазки и усиливают антифрикционные свойства износостойкого и трибоактивного слоев покрытия, в результате чего снижается трение, деформация, усилия резания, температура в контактных зонах, изнашивание инструмента и формируются высококачественные обработанные поверхности не только по сравнению с процессами резания всухую, но и резания со смазочно-охлаждающими жидкостями.

2. Точение с подачей ионизированного воздуха одновременно со стороны передней и задней поверхностей инструмента из Т14К8 с многослойным покрытием на основе системы Л-А1-М, формируемом при оптимальных параметрах с /п =100 А; 0,24 Па; ис = 41,9 В при расположении плазматронов системы ионизации на расстоянии / = 40 -50 мм от зоны резания, значении тока коронного разряда 1К = 75 мкА и давлении воздуха рщ-с = 0,3 МПа, обеспечивает снижение интенсивности изнашивания инструмента до 2 - 4 раз по сравнению с обработкой всухую и до 1,5 раз по сравнению с резанием со смазочно-охлаждающей жидкостью.

3. Мифорентгеноспектральные исследования очагов изнашивания, твердосплавного инструмента с покрытием, включающим последовательно повторяющиеся износостойкий, трибоактивный и

активный слои при резании с подачей в зону обработки ионизированной воздушной среды, позволили установить сильное влияние трибоокислительных .процессов на изнашивание инструмента в результате взаимодействия элементов активного слоя покрытия и ионов кислорода из ионизированной среды.

4. При точении конструкционной стали 45 НВ 200 и хромоникелевого сплава ХН77ТЮР с использованием сухого резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей, установлено повышение стойкости инструмента в 1,5-5 раз по сравнению со стойкостью инструмента при резании всухую или использования эмульсией типа Русоил-500.

5. При обработке титановых сплавов ВТ20 применение жидких эмульсий, сжатого воздуха и стандартных износостойких покрытий различного состава не позволяет заметно увеличить работоспособность режущего инструмента, в то время как использование сухого резания с компенсаций физических эффектов смазочно-охлаждающей жидкости позволяет повысить стойкость инструмента до 2 раз.

6. Максимальное снижение шероховатости при обработке стали на скоростях резания свыше 100 м/мин отмечено для процессов с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающей жидкости, а также резания инструментом с подачей эмульсии, что связано с уменьшением трения и снижением начала порога интенсивного схватывания инструментального и обрабатываемого материалов.

7. Разработанная система резания обеспечивает формирование благоприятных остаточных напряжений сжатия на уровне ст0 =100 -200 МПа и Сто= 110-150 МПа соответственно для заготовок из стали 45 и ВТ9, что превосходит эти показатели для резания с эмульсией.

8. Результаты проведенного анализа весового содержания кислорода и водорода в образцах из стали 45 и сплава ВТ9, полученных после обработки всухую и при резании с компенсацией показали, что количественное содержание кислорода и водорода для обоих процессов принципиально не отличается и укладывается в допустимые нормы.

9. Разработанная система резания обеспечивает выносливость образцов из сплава ВТ9 на уровне до <тт = 625 МПа, а последующее дробеструйное упрочнение повышает выносливость образцов до ах = 760 МПа.

10. Процессы резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающей жидкости могут быть рекомендованы для применения при точении конструкционных сталей, хромоникелевых и титановых жаропрочных сплавов на чистовых и получистовых операциях обработки взамен стандартных процессов с применением смазочно-охлаждающих жидкостей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Верещака А.С., Ахметзянов И.Д., Кириллов А.К., Хаустова О.Ю. Высокоэффективное резание с применением экологически чистых ионизированных сред. Сб. «Резание и инструмент в технологических системах». №51 Харьков ХГПУ, 1997 г. С. 18-36.

2. Поклад В.А., Горелов В.А., Полоскин Ю.В., Верещака А.С., Хаустова О.Ю., Ахметзянов И. Д. Экологически безопасная технология резания. Шестая международная выставка «Двигатели 2000». Труды научно-технического симпозиум «Двигатели и экология» Москва 2000 г. С. 2331.

3. Верещака А.С., Кириллов А.К., Хаустова О.Ю., Поляков С.Н. Системы экологически безопасного резания. Тезисы докладов международной конференции «Прогрессивная техника и технология - 2001». Севастополь НТУ «КПИ», 2001.С. 39-41.

4. Азметзянов И.Д., Хаустова О.Ю., Меркулова Н.С., Полоскин Ю.В. Исследование влияния сухого электростатического охлаждения на поверхностные остаточные напряжения. Труды Поволжской научно-практической конференции «Электротехника и энергетика Поволжья на рубеже тысячелетий» Чебоксары, 2001.С.57-64.

5. Азметзянов И.Д., Верещака А.С., Гришков С.А., Пират Ф., Хаустова

0.Ю., Полоскин Ю.В. Труды Академии электротехнических наук Чувашской республики, №2 г. Чебоксары, 2001. С. 128-136.

6. Верещака А.С., Кириллов А.К., Хаустова О.Ю., Полоскин Ю.В. Анализ проблемы использования экологически безопасного сухого резания. Материалы X!! международного научно-технического семинара «Высокие технологии: тенденции развития». Харьков-Алушта: НТУ «ХПИ», 2002 г.С.9-16.

7. Верещака А.С., Кириллов А.К., Хаустова О.Ю. Основные аспекты проблемы применения экологически безопасного сухого резания. Труды международной научно-практической конференции «Протек-2002. Производство. Технология. Экология. М. МГТУ «СТАНКИН» том

1. Изд-во Янис-К. 2002. С. 112-126.

8. Верещака А.С., Хаустова О.Ю., Полоскин Ю.В. Сухое» резание и долговечность деталей из титанового сплава ВТ9. Новые материалы и технологии Труды Всероссийской научно-технической конференции НМТ-2002.М.: МАТИ, 2002. С. 89-96.

9. Верещака А.С., Горелов ВА, Петухов А.Н., Поклад ВА, Полоскин Ю.В., Хаустова О.Ю. Влияние условий экологически безопасного резания с охлаждением ионизированной газовой средой на качество поверхностного слоя и долговечность деталей. Труды научно-технический симпозиум «Двигатели и экология». М.: 2002.С.25-32.

Ю.Азметзянов И.Д., Верещака А.С., Горелов ВА, Хаустова О.Ю., Харитонов В.Н. Разработка экологически безопасной технологии механической обработки (ЭБТМО) без использования жидких СОТС. Методика НТЦ Технология ОАО НИИД - ФНЦП ММПО «Салют». Москва, 2001. (Рукопись). 11.Верещака А.С., Хаустова О.Ю., Горелов ВА, Полоскин Ю.В., Харитонов В.Н. Разработка экологически безопасной технологии механической обработки (ЭБТМО) без использования жидких СОТС. Отчет по НИР НТЦ Технология ФГУП ММПП «Салют». Москва, 2002. (Рукопись).

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Хаустова Ольга Юрьевна

Повышение работоспособности твердосплавного инструмента и качества обработанных поверхностей при сухом резании различных конструкционных материалов

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 12.02.2004. Формат 60x90^ Уч.изд. л. 1,75. Тираж 80 экз. Заказ № 27

Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИН» 103055, Москва, Вадковский пер., д.3а

»- 3569

Введение.

Глава 1. Анализ состояния вопроса, цели и задачи исследований.

1.1. Анализ экологических и экономических аспектов процессов лезвийной обработки резанием с использованием СОТС.

1.2. Применение ионизированных газовых сред для повышения эффективности сухого резания.

1.3. Повышение эффективности сухого резания применением инструмента с износостойкими покрытиями.

1.3.1. Роль инструментального материала.

1.3.2. Роль износостойких покрытий, наносимых на рабочие поверхности режущего инструмента в технологиях экологически безопасного сухого резания.

1.4. Анализ данных литературного обзора, постановка цели и задач исследования.

Глава 2. Разработка методологии сухого резания с компенсацией функций и эффектов СОТС.

2.1. Разработка рабочих гипотез и методологических принципов резания с компенсацией функций СОТС.

2.1.1. Анализ основных функций СОТС в системе резания и оценка возможных путей компенсации ее физических эффектов.

2.1.2. Рабочие гипотезы исследований.

2.2. Разработка физической модели системы резания с компенсацией эффектов СОТС.

2.2.1. Многофункциональное покрытие.

2.2.2. Ионизированная газовая среда (ИГС).

2.2.3. Интегральные эффекты системы резания с компенсацией эффектов СОТС.

2.3. Методика проведения исследований.

2.3.1. Методика получение многофункциональных покрытий.

2.3.1.1. Оборудование.

2.3.1.2. Технологии нанесения покрытий.

2.3.1.3. Контроль качества покрытий.

2.3.2. Методика применения ИГС в системе экологически безопасного резания.

2.3.3. Методика проведения исследований процесса экологически безопасного резания.

2.3.3.1. Инструмент.

2.3.3.2. Оборудование, обрабатываемый материал.

2.3.4. Методика обработки экспериментальных данных.

2.3.4.1. Статистическая обработка экспериментальных данных.

2.3.4.2. Исключение резко выделяющихся результатов.

2.3.4.3. Оценка работоспособности режущего инструмента.

2.3.5. Статистический анализ результатов сравнительных испытаний.

Глава 3. Разработка и исследование системы сухого резания с компенсацией эффектов СОТС.

3.1. Исследование условий получения многофункциональных покрытий.

3.1.1. Теоретические предпосылки проведения исследований.

3.1.2. Исследование условий получения МФП.

3.1.3. Исследование влияния параметров процессов синтеза износостойкого слоя МФП, наносимого на твердосплавные пластины, на их состав и свойства.

3.1.3.1. Исследование химического состава.

3.1.3.2. Исследование влияния параметров синтеза покрытия на его основные свойства.

3.2. Оптимизация параметров системы резания с компенсацией эффектов СОТС.

3.2.1. Оптимизация параметров синтеза покрытия (Ti,Al)N.

3.2.2. Исследование условий подачи ионизированной газовой среды в зону обработки.

Выводы по главе.

Глава 4. Исследование параметров сухого резания с компенсацией эффектов СОТС.

4.1. Исследование параметров, характеризующих уровень деформирования срезаемого слоя.

4.1.1. Теоретические предпосылки.

4.1.2. Методика экспериментальной оценки параметров, характеризующих уровень пластического деформирования срезаемого слоя.

4.1.3. Результаты исследований.

4.2. Исследование сил резания.

4.2.1. Теоретические предпосылки и методика проведения экспериментов.

4.2.2. Результаты экспериментальных исследований.

4.3. Исследование тепловых явлений.

4.3.1. Теоретические предпосылки.

4.3.2. Исследование теплового состояния задней поверхности инструмента для различных условий обработки.

4.4. Исследование работоспособности инструмента.

4.4.1. Исследование кинетики изнашивания режущего инструмента.

4.4.1.1. Методика исследований.

4.4.1.2. Исследование кинетики изнашивания при обработки стали.

4.4.1.3. Исследование изнашивания инструмента при резании труднообрабатываемых материалов.

4.4.2. Исследование работоспособности инструмента.

Выводы по главе.

Глава 5. Исследование параметров качества поверхностного слоя и эксплуатационных характеристик деталей после обработки с применением процессов сухого резания с компенсацией физических эффектов СОТС.

5.1. Исследования шероховатости поверхности.

5.1.1. Теоретические предпосылки.

5.1.2. Методика исследований.

5.1.3. Результаты исследований.

5.2. Исследование остаточных напряжений.

5.2.1. Теоретические предпосылки.

5.2.2. Методика исследований.

5.2.3. Результаты исследований.

5.3. Исследование газосодержания рабочей зоны резания и газонасыщения поверхностного слоя деталей, формируемого при применении процессов резания с компенсацией эффектов СОТС.

5.3.1. Исследование газосодержания зоны резания.

5.3.2. Исследование газонасыщения поверхностного слоя обработанных деталей.

5.3.2.1. Теоретические предпосылки.

5.3.2.2. Методика исследований.

5.3.2.3. Результаты экспериментов.

5.4. Исследования усталостной прочности деталей, обработанных с применением сухого резания с компенсацией эффектов СОТС.

5.4.1. Теоретические предпосылки.

5.4.2. Методика исследований.

5.4.3. Результаты исследований.

5.5. Разработка технологических рекомендаций по использованию системы сухого резания с компенсацией эффектов СОТС взамен стандартных процессов резания с применением смазочно-охлаждающих жидкостей.

Выводы по главе.

За последние десятилетия машиностроительные производства достигли значительного прогресса. Современные производства вплотную приблизились к возможности обеспечения предельного (нанометрического) диапазона точности обработанных изделий. Создается новое станочное оборудование и инструментальные системы, позволяющее вести процессы обработки на высоких и сверхвысоких скоростях резания без применения смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС). Реализуется концепция экологически безопасной обработки при обеспечении высокого уровня функциональных, эстетических и экологических свойств изделий. Отмечается все большая ориентация производственной технологической среды на требования рынка, причем эти требования определяют не только качественные характеристики конечного продукта, но и диктуют условия производству на всех этапах конструкторских разработок, технологической проработки, освоения, непосредственного производства и т.д.

В современных машиностроительных производствах значительную долю трудоемкости при изготовлении деталей составляет традиционная обработка металлов резанием, которая характеризуются созданием и внедрением новых обрабатываемых материалов, инновационных конструкций деталей и изделий, использованием систем автоматизированного проектирования, постоянным ростом требований к точности и качеству обработки, а также снижению техногенного воздействия на окружающую среду. В этой связи возникают все более серьезные требования по повышению эффективности операций обработки, отвечающих возникающим задачам производства. Обычно решение таких задач связывают с разработкой новых высокопроизводительных технологических процессов, основным средством повышения эффективности которых является применение новых типов высокопроизводительных инструментальных материалов, различных по структуре, составу и архитектуре износостойких покрытий, автоматизации технологических процессов, различных типов смазочно-охлаждающих технологических сред с учетом действия физических эффектов последних, направленных на снижение термомеханической напряженности, воздействующей на систему резания (режущий инструмент, обрабатываемую заготовку, узлы станка и т.д.). Причем СОТС отводится решающая роль при решении задачи повышения эффективности технологических процессов механической обработки.

Между тем, разработка и использование новых технологических процессов с применением высоких и сверхвысоких скоростей резания характеризуется уменьшением проникающей способности смазочно-охлаждающих жидкостей даже при их обильной подаче в зону обработки и соответствующим снижением основных физических эффектов. В ряде случаев применение смазочно-охлаждающих жидкостей вообще не рекомендуется из-за высокой вероятности снижения физико-механических свойств ряда конструкционных материалов (титановые, магниевые, бериллиевые сплавы и т.д.) в связи с их высокой склонностью к поверхностному поглощению газов в процессе обработки. Кроме того, применение смазочно-охлаждающих жидкостей приводит к заметному росту издержек производства и возникновению отрицательных техногенных эффектов. В ряде случаев загрязненность окружающей среды от процессов обработки может превосходить уровень загрязненности от двигателей внутреннего сгорания, а издержки на смазочно-охлаждающие жидкости могут быть выше соответствующих расходов на режущий инструмент. В частности, такие операции, как приготовление, транспортировка, регенерация и утилизация СОТС, а также необходимость обезжиривания стружки и обработанных деталей при их дальнейшем использовании сильно влияют на стоимостные показатели производственных процессов изготовления. В некоторых случаях затраты на СОТС с учетом непрямых издержек, связанных с эффектами ее вредного влияния на окружающую среду и здоровье персонала, а также утилизацию, составляет до 30% общих производственных затрат. Осознание того, что в структуре затрат на изготовление деталей доля издержек на СОТС может намного превосходить затраты на режущий и вспомогательный инструмент и занимать все большую долю издержек производства, является побудительной причиной к пересмотру технологической политики производства. Логическим следствием указанного является разработка новых решений, направленных на создание ресурсосберегающих и экологически чистых технологий обработки резанием.

Поэтому очевидной стратегией развития производственных процессов является создание технологий обработки без применения смазочно-охлаждающих жидкостей (сухое резание) с частичной или полной компенсацией их физических эффектов. В настоящее время все большее число предприятий вынуждены уделять повышенное внимание экологической безопасности производства. Этому способствует не только осознание обществом экологических проблем, но и повышенные финансовые расходы, особенно связанные с утилизацией производственных отходов, и, прежде всего, отработанных СОТС. Практика показывает, что производственные расходы предприятий с оптимизированным циклом технологических операций обработки с учетом высоких издержек на СОТС по сравнению с традиционными технологиями позволяет им существенно сократить эти расходы.

На фоне проблем, связанных с использованием СОТС, сухая обработка представляет наиболее кардинальное решение, которое может обеспечить оптимальный баланс между экономическими и экологическими задачами производства. Однако, реализовать целесообразную и экономически оправданную сухую обработку только за счет отказа от применения СОТС и ее физических эффектов практически невозможно. Эта проблема требует сложного и всестороннего кропотливого изучения, а также глубокого понимания сложных взаимодействий материалов детали и инструмента, технологической оснастки и станка, реализуемых при резании с использованием СОТС.

Таким образом, создание высокоэффективных технологий обработки резанием, оказывающих минимальный ущерб окружающей среде, является одной из самых актуальных проблем современных машиностроительных производств.

Анализ проведенных работ по проблеме создания процессов высокоэффективного сухого резания (без применения СОТС) показал, что разработанные решения лишь частично отвечают поставленной задаче из-за отсутствия комплексной компенсации физических эффектов СОТС. Не установлена физическая природа предлагаемых процессов, не изучено влияние условий сухой обработки на формирование характеристик поверхностного слоя (шероховатость, остаточные напряжения первого рода, степень наклепа и т.д.), а также влияние технологической наследственности поверхностного слоя на эксплуатационные характеристики деталей. Это не позволяет рекомендовать подобные процессы для операций чистовой и получистовой обработки взамен стандартных процессов с применением смазочно-охлаждающих жидкостей.

Настоящая работа посвящена повышению работоспособности инструмента и качества обработанных поверхностей деталей при резании различных конструкционных материалов, включая материалы с низкими технологическими свойствами по обрабатываемости, обычно называемые труднообрабатываемыми материалами. Задача решается на основе полного отказа от применения смазочно-охлаждающих жидкостей при компенсации их основных физических эффектов путем использования специальной системы резания, которая включает два основных элемента - режущий инструмент с износостойким, трибоактивным и активным слоями, последовательное чередование которых образует многофункциональное покрытие и активированную воздушную среду, состоящую из ионов, радикалов, атомов и молекул. Взаимодействие элементов ионизированного воздуха и активных слоев многофункционального покрытия в разработанной системе резания приводит к образованию прочных антифрикционных пленок, которые выполняют роль твердой смазки и усиливают антифрикционные свойства износостойкого и трибоактивного слоев. В результате отмеченного снижается трение, деформация, усилия резания, температура в контактных зонах, изнашивание инструмента, что позволяет сформировать высококачественные обработанные поверхности не только по сравнению с процессами резания всухую, но резания со смазочно-охлаждающими жидкостями.

В постановочной части работы рассмотрена методика разработки рабочих гипотез исследования, которая основывается на анализе причинно-следственном связей между механизмами транспортировки и проникновения смазочно-охлаждающих жидкостей на контактные площадки инструмента, физико-химическими процессами в контактных зонах, механизмами формирования и результатами действия (эффективностью) смазочных пленок. Показано, что при разработке экологически безопасных технологий сухой обработки необходимо решение целого комплекса возникающих проблем, связанных с частичной или полной компенсацией различных эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей. Для этого необходимо:

Ф снизить тепловое воздействие на режущий инструмент посредством уменьшения мощности фрикционных источников тепла, а также повысить сопротивляемость инструмента тепловому разрушению за счет применения инструментальных материалов повышенной теплостойкости;

Ф уменьшить тепловое воздействие на обрабатываемую поверхность заготовки путем снижения работы резания и интенсивность тепловых потоков в формируемую поверхность детали.

На основе проведенного анализа были сформулированы рабочие гипотезы исследований по созданию процесса сухого резания с компенсацией эффектов СОТС.

Одна из задач, которая решалась при выполнении диссертационной работы, была связана с разработкой ключевого элемента разрабатываемой системы резания с компенсацией эффектов СОТС - многофункционального покрытия. Износостойкий, трибоактивный, активный и адгезионный слои многофункционального покрытия формировали на основе систем Ti-N, Ti-AI-N, Ti-Cr-AI-N, Ti-Zr-N, структура и свойства которых хорошо адаптированы к взаимодействию с активными элементов внедрения из активированной воздушной среды, включающий такие элементы внедрения, как О, N. Использовали методику многофакторного планирования эксперимента для установления основных параметров синтеза, оказывающих наибольшее влияние на износостойкость инструмента. Процедура оптимизации позволила выявить оптимальные значения этих параметров.

Большое внимание в работе уделено исследованию условий подачи активированной газовой среды непосредственно в зону обработки при использовании коронного разряда для активации (ионизации) воздушной среды. Эти исследования позволили установить такие важные параметры среды как расстояние источника (плазмотрона) от зоны резания, схему подвода, величину тока дуги возбуждения коронного разряда и т.д.

Одной из важнейших задач исследований была аттестация разработанной % системы резания посредством сравнения ее основных показателей с соответствующими показателями стандартного резания с применением смазочно-охлаждающих жидкостей. Сравнение производили по критериям, характеризующим состояние системы резания. Критерии включали такие параметры системы резания как деформации, силы, температуры, изнашивание инструмента и ее выходные параметры - работоспособность инструмента, качественные показатели обработанных поверхностей (шероховатость, остаточные напряжения, газонасыщение обработанной поверхности), усталостная прочность обработанных деталей.

Исследованиями установлено существенное снижение коэффициентов усадки стружки, сил резания, тепловой нагрузки на систему резания и обрабатываемую поверхность, уменьшение интенсивности изнашивания контактных площадок инструмента по сравнению не только с «сухим резанием», но и резанием с применением смазочно-охлаждающих жидкостей.

Большое внимание в работе было уделено изучения качества поверхностного слоя деталей и их основным эксплуатационным свойствам (усталостная прочность) после обработки с применением системы сухого резания с компенсацией эффектов СОТС в сравнении со стандартным резанием со смазочно-охлаждающими жидкостями, а также резанием всухую и со сжатым воздухом. Эти исследования подтвердили возможность применения разработанной системы резания для операций чистового и получистового точения конструкционных сталей, хромоникелевых и титановых сплавов. В частотности, установлено, что формирование остаточных напряжений при использовании предлагаемой системы резания протекает в более благоприятных термических условиях по сравнению с условиями, характерными для резания * всухую и с СОТС. Поэтому при использовании системы сухого резания с компенсацией эффектов СОТС эпюра растягивающих остаточных напряжений растяжения трансформируется в поверхностном слое деталей из стали 45 и сплава ВТ9 в эпюру остаточных напряжений сжатия, что, в свою очередь, после операции дробеструйного упрочнения приводит к более высокому уровню их усталостной прочности.

В работе проведены исследования газонасыщения поверхностного слоя детали после обработки с поверхностного слоя активированными газами (кислород, азот) на физико-механические свойства некоторых материалов (например, титановых сплавов) и эксплуатационные характеристики изделий в целом. Результаты проведенного анализа весового содержания кислорода и водорода в образцах из стали 45 и сплава ВТ9, полученных после обработки всухую и при использовании процессов с компенсацией эффектов СОТС показали, что количественное содержание указанных газов для обоих процессов принципиально не отличается и укладывается в допустимые нормы.

На защиту выносится:

- система сухого резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей, включающая в себя ионизированную воздушную среду и режущий инструмент с многофункциональным покрытием, содержащим последовательно повторяющиеся износостойкий, трибоаткивный и активный слои на основе систем Ti-N, Ti-AI-N, Ti-Cr-AI-N, Ti-Zr-N; методика и результаты оптимизации параметров синтеза Р многофункциональных покрытий [на примере (Ti,AI)N] и схемы подачи ионизированной воздушной среды при точении различных конструкционных материалов;

- результаты исследований параметров системы сухого точения с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей конструкционных сталей и труднообрабатываемых материалов, применяемых в авиационном двигателестроении;

- механизм взаимодействия ионизированной воздушной среды с элементами многофункциональных покрытий, устанавливающий превалирующие влияние трибоокислительных процессов на изнашивание инструмента;

- результаты экспериментальных исследований влияния параметров процесса резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей на качественные характеристики поверхностного слоя деталей из стали 45 и сплава ВТ9 и их усталостную прочность после дробеструйного упрочнения.

Работа выполнена на кафедрах ТФО и «Технология машиностроения» Московского государственного университета «СТАНКИН», а также в лаборатории резания института IFQ Магбедургского университета (ФРГ) и ФГУП ММПП «Салют».

Автор работы считает своим долгом поблагодарить сотрудников кафедр «Высокоэффективные технологии обработки» и «Технологии машиностроения» МГТУ «СТАНКИН», д.т.н. профессора ЦИАМ Петухова Анатолия Николаевича и сотрудников ВИЛС.

Особую признательность автор выражает работникам НТЦ «НИИД» и других подразделений ФГУП ММПП «Салют» за помощь в проведении исследований и изготовлении образцов и оснастки.

Особая благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Верещака Анатолию Степановичу, а также к.т.н., доценту Кириллову Андрею Кирилловичу за помощь и добрые советы при выполнении работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Взаимодействие элементов ионизированной воздушной среды и активных слоев многослойного покрытия, наносимого на режущий инструмент, приводит к образованию прочных антифрикционных пленок, которые выполняют роль твердой смазки и усиливают антифрикционные свойства износостойкого и трибоактивного слоев покрытия, в результате чего снижается трение, деформация, усилия резания, температура в контактных зонах, изнашивание инструмента и формируются высококачественные обработанные поверхности не только по сравнению с процессами резания всухую, но и резания со смазочно-охлаждающими жидкостями.

2. Точение с подачей ионизированного воздуха одновременно со стороны передней и задней поверхностей инструмента из Т14К8 с многослойным покрытием на основе системы Ti-AI-N, формируемом при оптимальных параметрах с ITl =100 Л; р^орГ 0,24 Па; Uc = 41,9 В при расположении плазматронов системы ионизации на расстоянии / = 40 - 50 мм от зоны резания, значении тока коронного разряда 1К = 75 мкА и давлении воздуха рИгс = 0,3 МПа, обеспечивает снижение интенсивности изнашивания инструмента до 2 - 4 раз по сравнению с обработкой всухую и до 1,5 раз по сравнению с резанием со смазочно-охлаждающей жидкостью.

3. Микрорентгеноспектральные исследования очагов изнашивания, твердосплавного инструмента с покрытием, включающим последовательно повторяющиеся износостойкий, трибоактивный и активный слои при резании с подачей в зону обработки ионизированной воздушной среды, позволили установить сильное влияние трибоокислительных процессов на изнашивание инструмента в результате взаимодействия элементов активного слоя покрытия и ионов кислорода из ионизированной среды.

4. При точении конструкционной стали 45 НВ 200 и хромоникелевого сплава ХН77ТЮР с использованием сухого резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей, установлено повышение стойкости инструмента в 1,5 - 5 раз по сравнению со стойкостью инструмента при резании всухую или использования эмульсией типа Русоил-500.

5. При обработке титановых сплавов ВТ20 применение жидких эмульсий, сжатого воздуха и стандартных износостойких покрытий различного состава не позволяет заметно увеличить работоспособность режущего инструмента, в то время как использование сухого резания с компенсаций физических эффектов смазочно-охлаждающей жидкости позволяет повысить стойкость инструмента до 2 раз.

6. Максимальное снижение шероховатости при обработке стали на скоростях резания свыше 100 м/мин отмечено для процессов с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающей жидкости, а также резания инструментом с подачей эмульсии, что связано с уменьшением трения и снижением начала порога интенсивного схватывания инструментального и обрабатываемого материалов.

7. Разработанная система резания обеспечивает формирование благоприятных остаточных напряжений сжатия на уровне о0 = 100 - 200 МПа и ст0 = 110-150 МПа соответственно для заготовок из стали 45 и ВТ9, что превосходит эти показатели для резания с эмульсией.

8. Результаты проведенного анализа весового содержания кислорода и водорода в образцах из стали 45 и сплава ВТ9, полученных после обработки всухую и при резании с компенсацией показали, что количественное содержание кислорода и водорода для обоих процессов принципиально не отличается и укладывается в допустимые нормы.

9. Разработанная система резания обеспечивает выносливость образцов из сплава ВТ9 на уровне до ст = 625 МПа, а последующее дробеструйное упрочнение повышает выносливость образцов до стг=760МПа.

10. Процессы резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающей жидкости могут быть рекомендованы для применения при точении конструкционных сталей, хромоникелевых и титановых жаропрочных сплавов на чистовых и получистовых операциях обработки взамен стандартных процессов с применением смазочно-охлаждающих жидкостей.

1. Развитие науки о резании металлов. Колл. Авт. - М.Машиностроение, 1967.

2. Jagard F. Metal working fluids management programm //Mod. Mach. shop. 1993. V. 66. N 1. - P. 81-85

3. Клуш и н М.И. Возможные механизмы влияния СОТС на структуру и функционирование системы резания //Физико-химические механизмы контактного взаимодействия в процессе резания металлов. Чебоксары, ЧувГУ 1984. - С. 3 -10.

4. Технологические свойства новых СОЖ для обработки резанием /Под ред. М.И. Клушина. М.: Машиностроение, 1979. - 192 с.

5. Латышев В.Н. Повышение эффективности СОЖ. -М.,Машиностроение, 1985. 65 с.

6. Годлевский В.А. Повышение эффективности и качества обработки материалов резанием путем управления смазочным действием СОТС. Дис. на соискание ученой степени д.т.н. Иваново. ИвГУ, 1995. 556 с.

7. Наумов А.Г. Повышение эффективности лезвийной обработки быстрорежущим инструментом при использовании экологически чистых СОТС. Дис. на соискание ученой степени д.т.н. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1999. 378 с.

8. Гордон М.Б., Федоров В.М., Мишин В.А. К вопросу о механизме смазочного действия СОЖ при резании металлов //В сб. «Смазочно-охлаждающие жидкости в процессах абразивной обработки». Саратов. 1983. С. 12-16.

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

10. Дробышева О.А., Латышев В.Н. О взаимодействии твердого сплаваи смазочно-охлаждающих жидкостей // Физико-химическая механика металлов. 1972, № 3. С. 38-40.

11. В.Н. Латышев Трибология резания металлов. Часть 1. Иваново, ИвГУ, 2000. -65 с.

12. Матвиевский P.M., Повышение экологической чистоты смазочных масел //Трение и износ.1994.Т 15. №5. С.843 - 848.

13. Экологически чистые СОТС // Латышев В.Н., Наумов А.Г., Бушуев А.Е.,

14. Верещака А.С. Вестник машиностроения. 1999. N 7. С. 32 - 35.

15. De Chiffre, L.: Mechanics of metal cutting and cutting fluid action. Int. J. Mach. Tool Des. Res., 17 (1977) P. 225 234.

16. Рабочие процессы высоких технологий в машиностроении: Учебное пособие /Под редакцией А.И. Грабченко. Харьков, ХГПУ, 1999 г. -436 с.

17. Кириллов А.К., Верещака А.С., Дюбнер Л.Г. Разработка системы экологически безопасной формообразующейобработки резанием. Межд. Науч.-техн. Сборник. «Резание иинструмент в технологических системах». - Харьков: ХГТУ,2001 Вып. 60, 2001. - С.96 - 102.

18. Клокке Ф. Гершвилер К. Сухая обработка основы, границы, перспективы. Сообщение VDI 1240 «На пути к сухой обработке - технологический вызов». Изд-во VDI, Дюссельдорф, 1996. - С. 1-39.

19. Ахметзянов И.Д., Ильин В.И., Кирии В.Г. Влияние униполярного коронного разряда на процесс обработки резанием. Научные труды ЧувГУ. Чебоксары. Изд. ЧувГУ, 1987. С. 133-139.

20. Повышение эффективности механообработки на основе применения сильных электрических полей //Ахметзянов И.Д., Бедункевич В.В., Верещагин И.П., Ильин В.И. Электронная обработка металлов, 1990, № 3. С.10-13.

21. Подураев В.Н., Татаринов А.С., Петрова В.Д. Механическая обработка охлажденным ионизированным воздухом //Вестник машиностроения. 1991. № 11. С. 37-42.

22. Ахметзянов И.Д. Бедункевич В.В., Ильин В.И. Возможности и условия применения метода сухого электростатического охлаждения при резании металлов //Электронная обработка материалов, 1991, № 5. С. 71-74.

23. Ахметзянов И. Д., Бедункевич В. В., Ильин В. И., Ляпунов С. И.

24. Возможности и условия применения метода СЭО при резании металлов // Приборы и системы управления . 1991. № 5. С. 40 - 41.

25. Экологически безопасная технология резания. // Поклад В. А., Горелов В. А., Полоскин Ю. В., Ахметзянов И.Д., Верещака А. С., Хаустова О.В.Тез. докл. научно-технического симпозиума «Двигатели и экология». М.: ВВДХ. 2000. С. 47 -54.

26. Верещака А.С., Сладкое Д.В., Щелкунова И.Ю. Разработка экологически безопасной технологии сухого резания. Сб. трудов конференции. Москва, МГТУ «СТАНКИН». 1998. С. 123-129.

27. Верещака А.С., Кириллов А.К., Ноздрина С.О. Разработка экологически безопасного сухого резания. В кн. "Высокие технологии в машиностроении: Современные тенденции развития". Харьков, 1988. ХГТУ. С. 28-29.

28. Верещака А.С. Анализ проблемы экологически безопасного резания. Труды IV международного конгресса «Конструкторско-технологическая информатика 2000. М. МГТУ «СТАНКИН», 2000. С. 112-115.

29. Система экологически безопасного резания // Верещака А.С., Кириллов А.К., Хаустова О.Ю., Поляков С.Н. Тезисы докладов II международной конференции «Прогрессивная техника и технология 2001». НТУУ«КПИ»,- Киев, 2001. - С. 3941.

30. Солодихин А.Е. Влияние электрического состояния воздушной среды на процесс точения стали //Электронная обработка металлов. 1972. № 3. С. 15-19.

31. Yamaga et al. Cooling Method by Use of Corona Discharge. US Patent 3,938,345. Feb. 17, 1976.

32. Кулешова И.В., Берман З.К. Повышение эффективности обработки резанием труднообрабатываемых материалов: Обзор. М., 1981. 68 с.

33. Apparaturs for machining materials by cutting. UK Patent 2 243 319 B. 28.05.1990.

34. Anording for spanskarande bearbetning infattande en koronaur laddningsta istrande elektrode for jonisering av luftfloden. Sverige Patent 9101683-2. 26. 08. 1993.

35. Republik Ostereich Patentschift AT 398 398 B. 25.11.1994.

36. Болога М.К., Гроссу Ф.П., Кожухарь И.А. Электроконвекция и теплообмен. Кишенев: Штиница, 1977. 320 с

37. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер B.C. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. Учеб. Для техн. Вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 448 с.

38. Vereshchaka A.S., Lee W.Y. High Precision / High Speed Machining Technologies. Edition of Korea University of Technology and Education, HRDI. S.Korea. Cheonan.2002. 393 p.

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

40. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. - 336 с.

41. Верещака А.С. Основные аспекты применения и совершенствования режущих инструментов с износостойкими покрытиями //СТИН, № 9. 2000. С. 33-40.

42. Верещака А.С. Анализ проблемы экологически безопасного резания. Труды IV международного конгресса «Конструкторско-технологическая информатика 2000. М. МГТУ «СТАНКИН», 2000. С.112-115.

43. Sluhan Clyde A. Selection the Right Cutting and Grinding Fluids // Tool and Prod. 1994. №2. 3. 40-50.

44. Lubrication: I'assurer sans poplluer, un realite // Mach. prod. 1993. № 597. P.72 -73.

45. Harris S., Vlasveld A., C., Doule T.,D. Dry machining commercialviability through filtered arc vapour deposited coatings. Surface and Coatings Technology 133-134 (2000) 381-388.(ln English)

46. Kalidas S., De Vor R., E., Kapoor G. Experimental investigation of the effect of drill coatings on hole quality under dry and wet drilling conditions. Surface and Coatings Technology 148 (2001) 117- 128. .(In English).

47. El-Bialy B.H., Redford A.N., Milles B. Processes wear mechanism for titaniun nitride high speed steel /Surface eng. 1986, 2, N 1. P. 29-34.

48. Keller K., Koch F. CVD-Beschichtung von Fliesswerrkzeugen. VDI-Z 131 (1989), Nr.10. P. 42-48.

49. Kamachi K., Ito Т., Yamomoto T. A comparison of residual stresses in cemented carbide cutting tips coated with tin by the CVD and PVD processes and their effect of failure resistance /Surface j. int., 1986, 1, N 3. P. 82-86.

50. Fatigue failure machanisms multi- and monolayer physically vapour-deposited coatings in interrupted cutting processes //K.-D. Bouzakis, N. Vigakis, G Erkens and others. Surface and Coating Technology 108-109 (1998). P.526-534.

51. Kolaska H. Moderne maschinen erfordern moderne Schneidstoffe / Techn. J., 1986, N 5-6. P. 221-241.

52. Верещака A.C., Волин Э.М., Вахид X. Режущие инструменты с композиционными покрытиями для обработки различных конструкционных материалов // Вестник машиностроения. 1984. № 8. С.32-35.

53. Верещака А.С., Болотников Г.В. Анализ тенденций развития и областей применения инструментов для труднообрабатываемых материалов. М.: Изд-во ВИЛС, 1989.-63 с.

54. Табаков В.П. Повышение эффективности режущего инструмента путем направленного изменения параметров структуры и свойств материала износостойкого покрытия. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н., М. МГТУ «СТАНКИН» 1992. 532 с.

55. Режущий инструмент. Авт. свид. СССР № 959344, 1979 МКИ В23В 27/14// А.А.Андреев, А.С. Верещака и др.

56. Режущий инструмент с износостойким покрытием: Авт. свид. СССР № 1128617, 08.08. 1984, неопубл., МКИ С23С, 13/00 //А.А. Афанасьев, А.С. Верещака, Э.М. Волин и др.

57. Многослойное износостойкое покрытие. Патент РФ № 2061090, 27.05.1996 // А.С.Верещака, А.К. Кириллов

58. Способ получения покрытий на изделиях из твердых сплавов. Патент РФ № 2090312, 20.09.1997 //Г.В. Болотников, А.С. Верещака, А.К. Кириллов и др.

59. Многослойное композиционное покрытие на режущий и штамповый инструмент. Патент РФ № 20965518, 20 11. 1997 // А.С.Верещака, Болотников Г.В., А.К. Кириллов и др.

60. Касьянов С.В. Исследование режущих свойств и разработка путей дальнейшего развития инструментов с износостойкими покрытиями. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук М: МГТУ «СТАНКИН», 1979. 248 с.

61. Деревлев П. С. Исследование работоспособности металлорежущего инструмента с тонким покрытием в условиях прерывистого резания. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук М: МГТУ «СТАНКИН», 1978. 303 с.

62. Ступин Б. А. Повышение эффективности чистовой обработки деталей вакуумных приборов применением инструмента с износостойкими покрытиями. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук М: МГТУ «СТАНКИН», 1992. 234 с.

63. Кириллов А.К. Повышение работоспособности протяжного инструмента из быстрорежущей стали путем комплексной поверхностной обработки. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук М: МГТУ «СТАНКИН», 1989. 212 с.

64. Оганян Г.В. Повышение надежности твердосплавных инструментов путем ионного азотирования и нанесения износостойкого покрытия. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук М: МГГУ «СТАНКИН», 1994. 222 с.

65. Григорьев С.Н. Повышение надежности РИ путем комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук М: МГТУ «СТАНКИН», 1995. 486 с.

66. Die folgenden Angaben sind den von Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen. Deutsches Patent, DE 197 33517 А1 C23C14/22, 04.02.1999 // Lietath, Friedhelm; Vereschaka, Anatolii S., Dubner, Limara and others.

67. Multicomponent Ti-Zr and Ti-Nb-N coating deposited by vacuum arc //Grimberg I., Zhitomirsky V.N., Boxman R.L., and others. Surface and coating Technology 108-109 (1998). P. 154-159.

68. Application of a Novel Vacuum-arc Nechnology for the Design of Advaced Wear Resistant Coatings // Panckow A.N., Steffenhagen J., Weneger B. and others. Surface and Coating Technology 110 (2001). P. 877-882.

69. Moll E., Bergman E. Hard Coating by Plasma-assisted PVD Technologies-Industrial Practice.Surface and Coating Technology, 37 (1989). P. 483 509.

70. Loffler F. Wear and cutting performance of coated microdrills. Surface and Coating Technology 107 (1998). P. 191-196.

71. Талантов В.Н. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента.- М.: Машиностроение, 1992. 196 с.

72. Ребиндер П.А., Щукин Е.Д. Поверхностные явления в твердых телах в процессах их деформации и разрушения //ДАН СССР. 1972. Т.108, вып. 8.

73. Трент Е.М. Резание материалов. Пер. с анг. Г.И. Айзенштока. -М.:Мишиностроение, 1980. 286 с.

74. Трение, износ и смазка деталей машин. Справочник. Киев.: Наукова Думка, 1979.-198 с.

75. Вейлер С.Я., Корбут В.М., Бартеньев Г.М. О методах исследования проникающей способности смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) при резании металлов. Физика и химия обработки металлов, 1981, №5.-С. 119-123.

76. Перцов Н.В., Сердюк В.М. Миграция поверхностно-активных веществ по свежеобразованной поверхности //Коллоидный журнал. 1988. Т. 42. Вып. 5. С. 991994.

77. Williamson D.L., Wei R., Wilbur P.J. Effect of Rapid Highdose Elevated Temperature Ion Implantation on the Micristracture and Tribology of Ferrous Surfaces //Nuclear Instrum. Meth. Phys. Res. 1991. P. 625-629.

78. Lubrication. Г assurer sans polluer, un realite // Mach. Prod.-1993 N 597. -P. 72 -73.

79. Можин Н.А., Латышев В.Н. О регулировании химической активности СОЖ //Вопросы обработки металлов резанием. Иваново, 1975. С.26-31.

80. Мерчант М.Е. Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей на износ инструмента // Межд.конф. по трению и износу. Сб. трудов. Пер. с анг. М.: Машгиз, 1956. - С.37-42.

81. Williams J.A. The role of the chip-tool interface in machining // Bulleten du cercle d'etude des metaux. 1980. V. 14. N 11. P. 235-241.

82. Д. Тейбор. Трение как диссипативный процесс //Трение и износ, 1994. Т. 15. -С. 296-315.

83. Doyle Е. D., Home J. G Adhesion in metal cutting: anjmalies associated with oxygen //Wear, 1980. V. 60. P.383-391.

84. Перцов Н.В. Механизм действия поверхностно-активных веществ при разрушении материалов //Физико-химическая механика и лиофильность дисперсных систем. Киев, 1986. С. 5-11.

85. Barlow P.L. Influence of free surface environment on the shear zone in metal cutting //Proc. Inst. Mech. Engrs., 1966-1967 V. 181. Part 1. P. 687-705.

86. Зорев H.H. Вопросы механики резания металлов,- М.: Машгиз, 1956. 238 с.

87. Rowe G.W. Lubrication in metal cutting ang grinding //Philosophical magazine F, 1981. V.43 N 3. P. 576-585.

88. Худобин Л.В., Жданов В.Ф. О возможности активации СОЖ импульсными электрическими полями //Чистовая обработка деталей машин,- Саратов:СПИ,1980,-С. 49-53.

89. Макаров А.Д. Оптимизация процесса резания. М.: Машинотсроение, 1976. -256 с.

90. Роберте М., Макки Ч. Химия поверхности раздела металла газ. М.: Мир.1981,- 539 с.

91. Фролов В.В. Химия. М.: Машиностроение. 1986. 543 с.

92. Лошак М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. Киев. Наукова Думка. 1984. 328 с.

93. Старков В.К.Технологические методы повышения надежности обработки на станках с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1984.-119 с.

94. Барвинок. В.А. Управление напряженным состоянием и свойствами плазменных покрытий. М.: Машиностроение, 1990.- 340 с.

95. Кушнер B.C. Термомеханическая теория процесса непрерывного резания пластических материалов,- Иркутск: Изд-во ИГУ, 1982. 205 с.

96. Развитие науки о резании материалов. Колл. авт. М.: Машиностроение, 1967.

97. Кушнер B.C., Распутин Ю.П. Теория эксперимента: Учеб. Пособие.-Новосибирск: Изд-во НИСИ, 1976. 182 с.

98. Куликов М.Ю. Разработка способов повышение работоспособности режущего инструмента на основе анализа механизма его микро- и субмикроразрушения. Диссертация на соискание степени доктора технических наук. МГТУ «СТАНКИН», Москва, 1998. С. 357.

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

100. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. М.: Машиностроение. 1976. 270 с.

101. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин/ A.M. Сулима, В.А. Шулов, Ю.Д. Ягодин. М.: Машиностроение. 1988.-204 с.

102. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. М.: Машиностроение. 1989. 296 с.

103. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз. 1963. 232 с.-472114. Кравченко Б.А. Силы, остаточные напряжения и трение при резании металлов. Куйбышев. 1962. 180 с.

104. Маталин А.А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин. Киев. Техника. 1971. 122 с.

105. Гольдшмидт М.Г. Деформация и напряжения при резании металлов. -Томск. SNN, 2001.-180 с.

106. Технологические остаточные напряжения /Под редакцией А.В. Подзея- М.: Машиностроение. 1973, 256 с.

107. Рахмарова М.С., Мирер Я.Г. Влияние технологических факторов на надежность лопаток газовых турбин. М.: Машиностроение, 1966. 234 с.

108. Меркулова Н.С. Контроль остаточных напряжений в металлах и покрытиях путем электромеханического травления на установках ПОВКОН «Тензор». М.: Межотраслевой науч. техн. сб. «Научно-технические достижения», № 5,1995. С.27-35.

109. Овсеенко А.Н., Гаек М.М. Серебряков В.И. Формирование состояния поверхностного слоя деталей машин технологическими методами. Ополе: Politechnika Opolska, 2001

110. Механические свойства титана и его сплавов / Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, А.А. Буханова. М.: Металлургия, 1974. 544 с.

111. Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТБ. М.Машиностроение, 1993.-240 с.