автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение режущих свойств инструментов из быстрорежущей стали на основе модификации их рабочих поверхностей методом электроакустического напыления-легирования

На правах рукописи

ии^054ЭЭЗ

^ 3 1ЧП1 ---

ИППОЛИТОВ Владимир Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ НА ОСНОВЕ МОДИФИКАЦИИ

ИХ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ-ЛЕГИРОВАНИЯ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2007

003054993

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Теория и технология механической обработки» филиала Уфимского государственного авиационного технического университета в городе Ишимбае

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Владимир Михайлович Кишуров

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Анферов Михаил Анисимович, кандидат технических наук, доцент Латьшов Рашид Рафгатович

Ведущее предприятие - ОАО «Салаватнефтемаш»

Защита состоится « 20 » апреля 2007 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212 288 04 при Уфимском государственном авиационном техническом университете 450000, Уфа-центр, ул К Маркса, 12, УГАТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета

Автореферат разослан «_

2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор(

Смыслов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Научно-технический прогресс на машиностроительных предприятиях во многом связан с созданием металлорежущих инструментов с более износостойкими рабочими поверхностями и их надежной эксплуатацией

Широкое применение металлорежущего оборудования с числовым программным управлением и автоматических линий, повышенные требования, предъявляемые к надежности технологического процесса, физико-механическим свойствам обрабатываемой поверхности, ее шероховатости и точности обработки, требует значительного повышения размерной стойкости инструмента

В ряде случаев задача повышения существующего ресурса быстрорежущего инструмента при обработке металлов резанием может быть решена в результате модификации (изменения) структурно-фазового состава во всем его объеме за счет использования дефицитных и дорогостоящих легирующих химических элементов, не прибегая к дополнительным методам упрочнения

Перспективные же направления развития ресурсосберегающих технологий поверхностно-упрочняющей обработки инструмента предполагают освоение и развитие следующих технологий лазерного упрочнения, ионно-плазменного осаждения покрытий, обработки импульсным магнитным полем, импульсным термоударом, электроискровым легированием, ионной имплантацией, эпиламированием, наплавкой, а также комбинированными методами упрочнения

Ряд указанных технологий позволяют получать износостойкие покрытия на основе карбидов и нитридов тугоплавких материалов, имеющих высокие показатели твердости и теплостойкости

При всем многообразии существующих методов упрочнения быстрорежущих инструментов, достаточно сложно обосновать выбор наиболее приемлемого метода нанесения упрочняющего покрытия, поскольку это сопряжено с тщательной проработкой всего технологического цикла изготовления инструмента и дальнейшей его эксплуатации

Несмотря на несомненные достоинства многих методов упрочнения быстрорежущего инструмента, приводящих к повышению его размерной стойкости, большинство указанных методов - это длительные и дорогостоящие процессы упрочнения Кроме того, им присущи некоторые ограничения, например, по габаритам, конфигурации и прочим параметрам упрочняемого режущего инструмента Практически такие ограничения не имеют места при упрочнении рабочих поверхностей инструмента электроакустическим напылением-легированием (ЭЛАН) Однако этот метод упрочнения режущих инструментов в настоящее время не достаточно изучен и внедрен в производство

Анализ результатов исследований различных авторов и рекомендации по эксплуатации упрочненную инструментов не всегд? удовлетворяет запросы

современного машиностроительного производства По ним, даже в первом приближении, в ряде случаев, невозможно прогнозировать размерную стойкость инструментов, точность обрабатываемой детали и физико-механические свойства обработанной поверхности

Отсутствие в нормативах научно-обоснованных рекомендаций по выбору оптимальных режимов резания инструментами с модифицированными рабочими поверхностями, часто приводит к тому, что значительные резервы повышения износостойкости металлообрабатывающих инструментов практически не используются и значительно сдерживают рост производительности на операциях механической обработки

Так как определение оптимальных режимов резания связано с проведением чрезвычайно трудоемких, металлоемких и дорогостоящих экспериментальных исследований, большой интерес представляют исследования, направленные на разработку расчетно-аналитических методов определения обрабатываемости металлов резанием

В связи с вышеизложенным, задача повышения износостойкости быстрорежущего инструмента при обработке конструкционных сталей и разработка расчетно-аналитических методов определения обрабатываемости металлов резанием, инструментами с модифицированными рабочими поверхностями, являются актуальными Цель работы

Повышение эффективности процесса механообработки конструкционных сталей за счет использования быстрорежущего инструмента с модифицированными рабочими поверхностями

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач

1 Исследовать влияние режимов электроакустического напыления (1,17, с, /у-.ф) на качество (шероховатость Яа, сплошность, толщину И и твердость) получаемого износостойкого покрытия Разработать математические модели (зависимости) определения рациональных характеристик износостойких покрытий

2 Провести комплексные исследования обрабатываемости конструкционных сталей инструментами, подвергнутыми упрочнению электроакустическим напылением-легированием (ЭЛАН) и конденсацией покрытий из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхностей инструмента (КИБ) Выполнить сравнительный анализ полученных результатов

3 Разработать математические модели (зависимости) определения оптимальной скорости резания и интенсивности износа инструмента при обработке конструкционных сталей быстрорежущими инструментами с модифицированными рабочими поверхностями, осуществить внедрение результатов исследования в производство и учебный процесс

Методы исследований

Для решения поставленных задач использовались основные положения теории резания металлов, трения и износа, методы упрочнения рабочих поверхностей инструмента и многофакторного планирования эксперимента

В экспериментальных исследованиях использованы как стандартные методики проведения стойкостных и температурных экспериментов, так и ускоренная методика определения оптимальной скорости резания на основе знания температурных зависимостей показателей пластичности 3 и у/ конструкционных сталей при их обработке инструментами с модифицированными рабочими поверхностями

При разработке математической модели расчета оптимальной скорости резания при обработке конструкционных материалов инструментами с износостойкими покрытиями, применен метод многофакторного планирования экспериментов

Применялась вычислительная техника с использованием стандартных и специальных программ обработки результатов экспериментов

Достоверность результатов исследований и выводов подтверждена проверкой адеквашости полученных зависимостей и результатами производственных испытаний

Научная новизна работы состоит в следующем

- установлено, что необходимая толщина, сплошность, твердость и шероховатость износостойкого покрытия и содержание основного упрочняющего элемента в нем обеспечивается оптимальным сочетанием исходной шероховатости упрочняемой поверхности и режимами упрочнения, режимы упрочнения классифицированы в зависимости от толщины и шероховатости покрытия, разработаны математические зависимости, позволяющие рассчитывать и прогнозировать необходимую толщину и шероховатость износостойкого покрытия,

- установлено соответствие оптимальной температуры резания (0О) при обработке конструкционных сталей инструментами из быстрорежущей стали с модифицированными рабочими поверхностями температуре охрупчивания (температуре провала пластичности ©пп) обрабатываемых материалов, что позволяет по результатам кратковременных испытаний образцов из обрабатываемых материалов в широком диапазоне температур определить ©„„, а по ней - оптимальную температуру резания,

- расширен диапазон использования методики ускоренного определения оптимальной скорости резания, разработанной А Д Макаровым, В С Мухиным, Ю М Кичко и В М Кишуровым, применительно к обработке конструкционных сталей быстрорежущими инструментами с модифицированными рабочими поверхностями,

- установлена взаимосвязь оптимальной скорости резания Го с действительным пределом прочности конструкционных сталей Б„ разработана математическая модель оптимальной скорости резания с использованием многофакторного планирования эксперимента, учитывающая влияние действительного предела прочности (при ©,,-;) обрабатываемых »»атериалов,

режимов резания, геометрии инструмента и параметрического критерия модификации Км, представляющего собой отношение величин прочности адгезионных связей на срез г„ неупрочненного индентора к модифицированному

Практическая ценность работы

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований

- предложены математические зависимости, позволяющие рассчитывать и прогнозировать толщину и шероховатость износостойких покрытий, наносимых методом электроакустического напыления-легирования (ЭЛАН),

- предложена ускоренная методика определения оптимальной скорости резания без проведения длительных и дорогостоящих стойкостных испытаний на основе знания параметров пластичности обрабатываемых материалов б = /(©), у/ - /(©) и кратковременных температурных испытаний при резании,

- на основе положения постоянства оптимальной температуры резания и использования математического планирования эксперимента разработана адекватная математическая модель определения оптимальной скорости резания для любых конструкционных сталей (с <х„ от 500 до 1000 Н/мм2) в широком диапазоне изменения элементов режима резания, геометрических параметров инструмента и параметрического критерия модификации,

- разработанные технология нанесения износостойкого покрытия методом ЭЛАН, методика ускоренного определения У0 и математическая модель оптимальной скорости резания позволяют решать задачи повышения производительности обработки резанием конструкционных сталей инструментами с модифицированными рабочими поверхностями и сокращения сроков и трудоемкости технологической подготовки производства

Практическая реализация работы

Результаты работы внедрены на машиностроительном предприятии ОАО «Витязь»

- в качестве технологической инструкции и технологии по нанесению износостойких покрытий на рабочие поверхности инструмента на ЭЛАН-3,

- в виде информационного обеспечения по режимам резания конструкционных сталей инструментами с модифицированными рабочими поверхностями

Научные и практические результаты данной работы вошли в методические указания, используемые в учебном процессе подготовки инженеров по специальностям «Технология машиностроения», «Мехатроника» и «Автоматизация технологических процессов»

На защиту выносятся результаты, полученные лично соискателем

1 Аналитические зависимости толщины и шероховатости износостойкого покрытия, наносимого методом ЭЛАН, позволяющие рассчитывать и прогнозировать параметры наносимого износостойкого покрытия, классификация режимов упрочнения рабочих поверхностей инструмента

2 Ускоренная методика определения оптимальной скорости резания при обработке конструкционных сталей инструментами из быстрорежущей стали на

основе установленного факта соответствия оптимальной температуры резания с температурой охрупчивания (0ПП) сталей и проведения кратковременных температурных испытаний

3 Математическая модель расчета оптимальной скорости резания при точении конструкционных сталей с учетом их действительного предела прочности, режимов резания, геометрии инструмента и параметрического критерия модификации

Апробация работы и публикации

Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе докладывались и обсуждались на

- научно-практической конференции Оренбургского областного правления ВНТО машиностроителей и Оренбургского почитехнического института «Пути повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ» - Оренбург, 1996,

- научно-технической конференции Уфимского государственного авиационного технического университета «Автоматизированные технологии и мехатронные системы в машиностроении» - Уфа, 1997,

- международной научно-технической конференции «Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы» - Уфа, 2004,

- заседании НТС факультета АТС УГАТУ - ноябрь, 2006

Материалы работы экспонировались и удостоены серебряной медали ВДНХ СССР в 1991 году

Основные резулыаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах

Структура и объем работы

Диссертация состоит из перечня основных терминов, сокращений, обозначений, символов, введения, пяти глав, списка литературы и приложения, содержит 186 страниц машинописного текста, 101 рисунок, 23 таблицы и 132 наименования использованной литературы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формируются цель и задачи исследования, обсуждается новизна и практическая значимость выносимых на защиту результатов

В первой главе приведен анализ различных способов модификации рабочих поверхностей инструментов из быстрорежущей стали Р6М5 с целью увеличения эксплуатационной надежности и долговечности инструментов Рассмотрены следующие способы модификации инструментов наплавки, импульсного термического удара, лазерного упрочнения, ионно-плазменного нанесения покрытий, электроискрового напыления-легирования, ионной имплантации, обработки импульсным магнитным полем, эпиламирования, комбинированный метод (КИБ+ионная имплантация)

При анализе методов модификации за основу были взяты работы псследоватстей МА Акферова, В А Белоуса, Ст Боровском, АС Бере-

щяки, С Н Григорьева, А Г Григорянца, А А Грудова, А П Гуляева, А Д Верхотурова, А С Зубенко, Ю В Инзарцева, Ю М Кичко, В М Кишу-рова, А В Коровина, И В Крагельского, В В Любимова, А Д Макарова, Б В Малыгина, Н В Матвеева, В М Мацевитого, В С Мухина, В Н Поду-раева, М С Поляка, Д М Поута, X Риссела, И Руге, Р Н Рыкалина, Ю Н Сараева, А М Смыслова, Н И Ташлицкого, И П Третьякова, Л Ш. Шус-тера, посвященные изучению физических явлений при модификации рабочих поверхностей деталей и инструментов, а также особенностей эксплуатации изделий и инструментов с модифицированными поверхностями

Установлено, что модифицированные поверхности изделий и инструментов обладают, как правило, повышенной прочностью, твердостью, теплостойкостью и износостойкостью

Также в первой главе представлены результаты исследований автора о влиянии упрочнения режущих инструментов импульсным термоударом, магнито-импульсной обработкой, наплавкой, эпиламированием, электроискровым напылением, ионной имплантацией на их износостойкость

Анализ литературных данных показал недостаточную изученность процесса ЭЛАН с точки зрения назначения рациональных режимов нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности инструментов, вида упрочняющего материала, отсутствие комплексных исследований обрабатываемости конструкционных сталей инструментами с упрочненными рабочими поверхностями Разработка вопросов оптимального резания металлов инструментами с упрочненными рабочими поверхностями удовлетворяет лишь небольшую часть потребностей машиностроительного производства

Это обусловило необходимость настоящего исследования, определило его основные направления, цель и задачи

Во второй главе обоснован выбор обрабатываемого и инструментального материалов, приведены методики экспериментальных исследований, установки, оборудование и аппаратура

Заготовки из конструкционных сталей с ств от 500 до 1000 Н/мм2, термообработанные по стандартной технологии, обрабатывались инструментами из быстрорежущей стали Р6М5 (резцы, сверла, метчики, концевые фрезы) на металлорежущих станках моделей ИЖ250ИТП, 1Б240-6К, 2Н125 и СТ276 Износ инструментов по задней поверхности h3 измерялся с помощью микроскопа МИР-1 с микрометрической насадкой

В качестве «упрочняющих» материалов при модификации рабочих поверхностей инструментов приняты твердые сплавы марок ВК8, Т5К10 ГОСТ 3884-74, вольфрам лантанированный (W 98%), Ti, Zr и реактивный газ азот

В качестве технологического оборудования для осуществления модификаций рабочих поверхностей инструментов применялись

- установка электроакустического напыления-легирования модели ЭЛАН-3,

- установка ионно-плазменного осаждения покрытий модели ВУ-1Б методом конденсации покрытий из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой (метод КИБ),

- вакуумная имплантационная установка модели ВИУ-1 для имплантации азота в инструментальные материалы

Исследование микроструктуры модифицированных поверхностей инструментов проводилось с помощью микроскопа ММР-4, химический состав модифицированного слоя определялся с помощью микроанализатора «ЖА-6400»

Исходная шероховатость и шероховатость модифицированных поверхностей режущих инструментов определялись с помощью профилометра завода «Калибр» модели 253Х-182 Микротвердость поверхностей измерялась микротвердомером модели ПМТ-3

Твердость режущего инструмента из стали Р6М5 определяли твердомером модели ТК-14-25О ГОСТ 13407-67

Исследования адгезионного взаимодействия модифицированного инструментального и обрабатываемого материалов проводили на адгезиометре с использованием методики разработанной проф Шустером Л Ш

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса формирования износостойкого покрытия электроакустическим напылением-легированием, включающих в себя отработку режимов нанесения покрытия, марки упрочняющего материала и получение зависимостей рациональных характеристик износостойкого покрытия - толщины к и шероховатости Яа

Установлено, что максимальная интенсивность искры, при наименьшем рабочем токе, достигается синхронизацией времени электроискрового разряда с положением упрочняющего электрода относительно обрабатываемой поверхности, вибрирующего с ультразвуковой частотой

Изменение временного смещения осуществляется сдвигом фаз с шагом 36° в диапазоне от 0 до 360°

Установлен рабочий диапазон изменения технологического тока I в зависимости от величины угла сдвига фазы <р для заданной ультразвуковой частоты / вибрации упрочняющего электрода, в котором обеспечивается получение необходимых толщины к, шероховатости Яа и сплошности покрытия

Исследования показали, что толщина к (рисунок 1) и шероховатость Яа (рисунок 2) износостойкого покрытия, нанесенного методом электроакустического напыления-легирования, находится в прямой зависимости от величины рабочего технологического тока и величины емкости разрядного контура

Установлено, что при больших значениях рабочего технологического тока I (до 5 А) и емкости с (до бОмкф) разрядного контура, при нанесении износостойких покрытий методом ЭЛАН, формируются большие по толщине А (до 35мкм) и шероховатости Яа (до 2,8мкм) напыленные слои

Исследование микроструктуры поверхностного слоя образца после нанесения покрытия при разных режимах (рисунок 3) показало, что общий напыленный слой состоит из «белого» верхнего слоя, состоящего из мелкодисперсных карбидов титана и вольфрама с размером зерна около 80 200 нм

И г

о-"-лг 7? ж и

2 3 /, А

10 20 30 40 50 60 с, мкф

Рисунок 1. Зависимость толщины напыленного слоя И от с» Л:

о - зависимость Л от с; (/'0,3 А, /т"22кГц), а - ¡ ■'■У*'./ 22кГц};

я*.

1 /

л / г

И

у

12 3 4 5 6 ¿А

10 20 30 40 50 60 с.мкф

Рисунок 2. Зависимость шероховатости напыленной поверхносги Яа от с н I.

о-зависимость Я, от с </'50В,/г"--22кГа).

Под «белым» слоем располагается подслой состоящий из аустенитно-мартенеитной структуры с включением указанных мелкодисперсных карбидов.

Образование подслоя является следствием термического взаимодействия элементов упрочняющего электрода и материала основы. Высокая адгезия нанесенного покрытия объясняется как интенсивным перемешиванием материала упрочняющего электрода и материала основы инструмента в жидкой фазе с созданием общей микрованны, так я эффекта «проковки» поверхностного слоя инструмента за счет колебания электрода с определенной ультразвуковой частотой.

Рисунок 3. Микроструктура поверхностного слоя стали Р6М 5 после яакесения

износостойкого покрытия (электрод Т5К101 с различными режимами х500: о- (/=0,ЗА, 0130В, с=30мкф,Л=22,5кГц,, <л-Ж°), б-(/=5А, ЗОВ, с-бОмкф./^ЗОкГи, ^108°)

Установлено, что микротвердость модифицированного поверхностного слоя инструмента распределяется неравномерно по глубине (рисунок 4).

10 20 30 40 50 ео 70 ВО 90 100

Расстояние от поверхности, мкм Рисунок 4 Изменение микротвердости модифицированного поверхностного слоя

Наибольшую микротвердость имеет «белый» приповерхностный слой, в котором, как показал спектральный анализ, содержание вольфрама V/ и его химических соединений составляет от 28,5% до 48% в зависимости от режима нанесения покрытия

Анализ результатов исследований позволил выдечить и классифицировать 4 основные режима нанесения износостойкого покрытия (таблица 1): «мягкий», «средний», «грубый» и «черновой», оказывающих существенное влияние на параметры формируемого покрытия толщину, шероховатость и его сплошность

Таблица 1

Классификация режимов нанесения износостойких покрытий _методом ЭЛАН _

Емкость Шероховатость Толщина

№ Наименование Рабочий разрядного нанесенного нанесенного

п/п режима ток 1, А контура покрытия покрытия

с, мкф Д0, мкм /г„, мкм

1 мягкий 0,8 2 1,2 11,25

2 средний 1,5 12 2,2 15,67

3 грубый 2,1 30 2,47 16,21

4 черновой 5 60 3,32 32,0

Проведенные исследования влияния исходной шероховатости упрочняемой поверхности на шероховатость износостойкого покрытия показали, что чем выше исходная шероховатость упрочняемой поверхности, тем «грубее» требуются значения рабочих режимов протекания процесса упрочнения (1,и,с,/у,<р), при которых формируется качественное покрытие При меньшей исходной шероховатости поверхности требуются более «мягкие» режимы, при которых протекает сам процесс нанесения износостойкого покрытия с получением меньшей шероховатости и более высокой его сплошности

Математическая обработка экспериментальных данных влияния режимов процесса электроакустического напыления-легирования (технологического тока / от 0,3 до 5 А, напряжения С/ от 80 до 130 В, емкости разрядного контура с от 2 до 60 мкф; частоты ультразвуковых колебаний электрода/у от 20 до 22,5 кГц и угла сдвига фазы (р от 72 до 180°) на толщину к и шероховатость нанесенного покрытия Яа позволила получить зависимости (1,2), позволяющие прогнозировать последние в зависимости от режимов процесса упрочнения

/г = -10 57 + 3 29/-0 0235^ + 0 082625с + 0 973688/;, мкм, (1)

Л„=-1 38324 + 0 193128/+ 0 01616С/+0 0101с + 0 04899/^, мкм (2)

На основании исследований адгезионного взаимодействия контактирующих пар по определению нормальных напряжений Рп, прочности адгезионных связей на срез т„ и адгезионной составляющей сил трения /и при различных температурах контакта (до 450°С) выбирался материал электрода, обеспечивающий наиболее износостойкое покрытие

Установлено, что увеличение температуры контакта приводит, с одной стороны, к снижению нормальных напряжений Ргн, с другой, к увеличению адгезионной составляющей сил трения /м и росту прочности адгезионных связей на срез т„, играющей определяющую роль в формировании приконтактной зоны в процессе изнашивания Наименьшие значения прочности на срез адгезионных связей т„ и адгезионной составляющей коэффициента трения получены для контактирующей пары 40Х - Р6М5+\У То есть, при использовании в качестве упрочняющего материала, следует ожидать формирования более износостойкого покрытия на поверхности инструмента Критерием оценки эффективности модифицирующего материала может служить параметрический критерий модификации Км, определяемый выражением

где т„ и т™ - величины соответственно для неупрочненного и модифицированных инденторов

Заметим, что чем выше значение Кы, тем эффективнее модифицирующий материал

В четвертой главе приведены результаты комплексных исследований обрабатываемости конструкционных сталей инструментами с модифицированными рабочими поверхностями, предложен способ ускоренного определения оптимальной скорости резания Fo, технологические рекомендации по рациональным режимам обработки конструкционных сталей инструментами с упрочненными рабочими поверхностями

Стойкостные испытания проводили инструментами из стали Р6М5 упрочненными раз точными материалами и способами ЭЛАН - ВК8, Т5К10, W, КИБ - TiN, ггИ,КИБ+ионная имплантация (TiN+N, ZrN+N)

Анализ полученных данных показал, что зависимости кт =/(К) и / = /(V) носят четко выраженный экстремальный характер (рисунок 5, 6) с точкой перегиба в зоне оптимальных скоростей резания по интенсивности износа инструмента При этом, уровень оптимальных скоростей резания для инструментов с износостойкими покрытиями по сравнению со стандартными неупрочненными инструментами повышается от 1,15 до 1,5 раза Интенсивность износа упрочненного инструмента снижается от 1,1 до 1,8 раза, длина пути резания увеличивается более чем в 2 раза

Анализ результатов стойкостных испытаний инструментов с разными износостойкими покрытиями при точении стали 40Х и температурных зависимостей прочностных и пластических свойств последней показал, что оптимальная температура резания ©0 с одной стороны, практически совпадает с температурой охрупчивания (провала пластичности ©„л) обрабатываемого материала (рисунок 7), с другой, инвариантна к разным упрочняемым материалам, формирующим износостойкое покрытие (рисунок 5, 6)

мхы/1 Лм3

100

80 60

40

20 О

—

Л

Л,

У /L О у \

Ж V ^

i ч V

\ %

4 А /

3 V У 5

А £ Jj $

V 2

в.'С 300 200

I М

6000

5000

4000

3000 2000 1000

6>,°С

mkm/IOjCM

10 20 30 40 50

V, м/мин

10 20 30 40

50 60 V, м/мин

Рисунок 5 Влияние скорости резания на интенсивность износа, путь и температуру резания при чистовом точении стали 40Х резцами Р6М5с различными покрытиями (<=0,25 мм, j=0,125 мм/об, а=а1=10°, г~'0, qpq>1=45°, Л=0, г=0,5мм) 1 - о - стандартный резец, 2 - □ - напылен W, 3-л-напылен ВК8, 4 - о - напылен Т5К10, 5 - х — упрочнен методом КИБ (ZnN)

Рисунок 6 Влияние скорости резания на интенсивность износа, путь и температуру резания при чистовом точении стали 40Х резцами Р6М5с различными покрытиями и имплантацией рабочих поверхностей (Г=0,25мм , 5 = 0,1 мм/об, «=«1=10°, т0,

Я=0, г=0,5мм) 1 - о - стандартный резец, 2 - д - с покрытием Тй>1, 3 - о - с покрытием 4 - д - с покрытием 'ПЫ и имплантированных N. 5 - ■ - с покрытием и имплантированных N

/, м

6000

3000 5,% 30

20

10

\ 1

,1 к1 г > к 1-

N 1 \ 5 . 1 \

г ____с

' ч 5

М!к 100

50

0

у%

60 40

100 200 300 400 500 0,°С

Рисунок 7 Влияние средней температуры контакта на /, Иаз, 8, *|/ при точении стали 40Х резцом Р6М5 упрочненного вольфрамом

На основе установленного совпадения оптимальной температуры резания ©0 с температурой провала пластичности стали 0П„ и положения о постоянстве оптимальной температуры резания (проф. АД Макаров), предложена методика ускоренного определения оптимальной скорости резания У0 при обработке конструкционных сталей инструментами из быстрорежущей стали на основе знания зависимостей б = /(©), у = /(в) и кратковременных температурных испытаний © = /(Г)

Установлена зависимость К0 о г действительного предела прочности (при ©пп) (рисунок 8) и подачи 5 (рисунок 9), при этом с повышением и 8 оптимальная скорость резания снижается

V,

м/мин

Г»

м/ман

50

40

30

20

-

■ N

ч

4 ч

600 В00 1000 ЗЛ/мм'

Рисунок 8 Влияние Б„ на У0 при точении стали 40Х резцом Р6М5 (Г=0,25мм, г=0,5мм,

125мм/об) д - расчетные, а - экспериментальные

50

40

30

20

ч

\

ч 1

0,05 0,10 0,15 5 мм/об

Рисунок 9 Влияние подачи ж на Г0 при точении стали 40Х резцом Р6М5 (г=0,25мм, г=0,5мм, £„=1015Н/мм2) о - расчетные, • - экспериментальные

Для получения математической зависимости = которая

бы позволяла определять оптимальную скорость резания для широкого диапазона конструкционных сталей и широкого изменения внешних условий резания, был проведен полный факторный эксперимент 25

В качестве независимых переменных были взяты действительный предел прочности подача глубина резания г, радиус резца при вершине г и критерий модификации Км

Реализация плана (ПФЭ) позволила получить адекватную модель вида

i3

у = 1ёуа =1,761281-ОД2915к, -0,16675 8х2 -0,015127х3 + 0,05983Ьс4 + 0,072982х5 (3) или в виде степенной зависимости для натуральных величин

гг щ4,032057 с-1 069379 „-0 699017 .-0 050231 „0 2508 ^0,998879 , ...

К0 = 10 5 ? г Л„ , м/мин (4)

Данная зависимость справедлива при изменении независимых переменных в следующих пределах ,£<,=500-1 ООО Н/мм2, 5=0,05-0,15 мм/об, t=0,25-1,0мм, Км= 1-1,4 (при толщине напыленного слоя /г=25-30 мкм, сплошности не менее 75% и шероховатости слоя Ra не более 2мкм)

Экспериментальная проверка показала хорошую сходимость опытных и расчетных значений Ко (рисунок 8, 9), что подтверждает адекватность построенной модели и применимость формул (3) и (4) для практических расчетов

Анализ результатов исследований адгезионного взаимодействия контактирующих пар и стойкостных экспериментов позволил установить определенную взаимосвязь параметров т„ и fM с величиной h010,с увеличением прочности адгезионных связей на срез т„ и адгезионной составляющей коэффициента трения /и интенсивность износа инструмента hOJO возрастает (рисунок 10)

"ОХИ мкмЮ'сы2

30

20

0,15

0,20

0,25 /м

150 200 250 г„, Па

Рисунок 10 Зависимости h030 = (/м ) и hmo = (г„ )

Анализ результатов производственных испытаний износостойкости инструментов изготовленных по стандартной технологии - зуборезных резцов и осевого инструмента (сверл, метчиков и концевых фрез) и того же инструмента с модифицированными рабочими поверхностями показал увеличение износостойкости последних- зуборезных резцов от 1,21 до 1,93, метчиков от 2,24 до 2,74, сверл от 1,2 до 1,54 и концевых фрез до 1,7 раза (рисунок 11)

Расчеты экономической эффективности от внедрения инструментов с модифицированными рабочими поверхностями показали, что внедрение инструмента с модифицированными рабочими поверхностями позволит увеличить ресурс работы инструмента, снизить его нормы расхода, повысить производительность и снизить себестоимость обработки изделий.

3; яг?

«

8 и

I "

| к

1 № и

1 Ш

| & Р

£ •

Ш

I--3 с }ЛЛН

I [| [II Нх/щряуюЮфыпм

Л

27

в В

г

Тип

Рисунок 11, Результаты стой костных испытаний инструментов из Р6М5: а - автоматный резец Р6М5 - 40Х Ом/мин); б — сверло спиральное 014 Р6М5 -40Х (К • 15м<'мин); в - метчик N116x2 Р6М5 - 08X17Т (V =6м/мин); Щ. резцы зуборезные Р6М5 - 12Х113А (1/=35м/мин): 0 - фреза концевая 050 Р6М5 - 45 <Т=32м/мин)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. На основе проведенных исследований по упрочнению рабочих поверхностей инструментов электроакустическим напылением-легированием установлено, что качество покрытия: толщина, твердость, сплошность и шероховатость, а также содержание основного упрочняющего элемента -вольфрама и его химических соединений в нем обеспечивается оптимальным сочетанием исходной шероховатости упрочняемой поверхности и режимами упрочнения, при этом с уменьшением исходной шероховатости упрочняемой Поверхности происходит увеличение количества упрочняющего элемента в покрытии, снижение шероховатости и увеличение его сплошности; выполнена классификация режимов упрочнения в зависимости от толщины и шероховатости покрытия; разработаны математические зависимости позволяющие рассчитывать и прогнозировать необходимую толщину и шероховатость износостойкого покрытия.

2. Исследования прочностных И пластических свойств конструкционных сталей в широком диапазоне температур, а также их обрабатываемости инструментами из быстрорежущей стали с модифицированными рабочими поверхностями позволили установить, что оптимальная температура резания практически соответствует температуре охрупчивания (температуре провала пластичности 0ПП) обрабатываемых материалов. Эта закономерность позволяет на основе знания зависимостей 6 -/(©), у/ = /(О) определить значение оптимальной температуры резания 0О; проведение кратковременных температурных испытаний при резании 0 = /(К) и знание ©о позволяет определять одну из характеристик обрабатываемости - оптимальную скорость резания У0.

3 Установлена взаимосвязь оптимальной скорости резания К0 с действительным пределом прочности конструкционных сталей Яд, разработана математическая модель оптимальной скорости резания с использованием многофакторного планирования эксперимента, учитывающая влияние действительного предела прочности (при 0ПП) обрабатываемых материалов, режимов резания, геометрии инструмента и параметрического критерия модификации Км, представляющего собой отношение величин прочности адгезионных связей на срез г„ неупрочненного индентора к модифицированному

4 Сопоставление расчетных значений Ко с экспериментальными показало их хорошую сходимость и возможность существенного сокращения трудоемких стойкостных исследований при применении методов математического планирования эксперимента

5 Анализ результатов стойкостных испытаний показал на незначительное расхождение значений оптимальных скоростей рения К0 и интенсивности износа кто при точении конструкционных сталей инструментами, модифицированными методами КИБ и ЭЛАН Поэтому для внедрения в производство рекомендован метод ЭЛАН, как менее трудоемкий и более экономичный

6 Результаты исследований внедрены в производство ОАО «Витязь» с суммарным экономическим эффектом более 700 тыс. руб в год, в том числе за счет оптимизации процесса механической обработки - 206 тыс руб

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Ипполитов В Н, Кишуров В М, Мугафаров М Ф Определение оптимальных скоростей резания при точении конструкционных сталей инструментами с модифицированными рабочими поверхностями // Вестник УГАТУ -Уфа -2006 -Т 7, №1(14) -С 199-202

2 Доброрез А П, Ипполитов В Н Повышение стойкости режущего инструмента методом электроакустического напыления // Пути повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ Материалы научно-практической конференции — Оренбург Оренбургский политехнический институт, 1996 - с 38-39

3 Ипполитов В Н К вопросу повышения стойкости режущего инструмента// Автоматизированные технологические и мехатронные системы в машиностроении: Сборник научных трудов -Уфа, 1997 -с 142-143

4 Ипполитов В Н, Кишуров В М Обработка режущего инструмента импульсным магнитным полем // Авиационно-технические системы Межвузовский сборник научных трудов - Уфа, 2004 - с 207-213

5 Ипполитов В Н , Кишуров В М Упрочнение ржущего инструмента методом импульсного термоудара // Авиационно-технические системы Межвузовский сборник научных трудов - Уфа, 2004 -с 219-225

6 Ипполитов В Н, Кишуров В М Эпиламирование и износостойкость режущего инструмента // Авиационно-технические системы Межвузовский сборник научных трудов - Уфа, 2004 - с 233-235

7 Ипполитов В Н, Кишуров В М К вопросу повышения стойкости инструментов из быстрорежущей стали Р6М5 с износостойкими покрытиями и подвергнутых ионной имплантации // Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы Сборник трудов международной научно-технической конференции - Уфа, 2004 -с 21-26

Диссертант

Ипполитов В Н

ИППОЛИТОВ Владимир Николаевич

Повышение режущих свойств инструментов из быстрорежущей стали на основе модификации их рабочих поверхностей методом электроакустического напыления-легирования

Специальность 05 03 01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 13 03 07 Формат 60x84 1/16

Бумага офсетная Печать плоская Уел печ л 1,0 Уел кр-отг 1,0 Уч-изд л 0,9 Тираж 100 экз Заказ № 76

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул К Маркса, 12

Перечень основных терминов и сокращений.

Указатель основных обозначений и символов.

Введение.

Глава I. ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАЦИИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ НА ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (ПО ДАННЫМ РАЗЛИЧНЫХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ).

1.1. Назначение технологических методов модификации рабочих поверхностей режущих инструментов при их изготовлении и эксплуатации.

1.2. Совместимость конструктивных факторов режущих инструментов с методами модификации рабочих поверхностей.

1.3. Анализ методов модификации рабочих поверхностей инструментов по данным различных исследователей).

Актуальность. Научно-технический прогресс в большей степени связан с созданием новых металлообрабатывающих инструментов и сроков их надежной эксплуатации.

Широкое применение металлорежущего оборудования с числовым программным управлением и автоматических линий, предъявляемые повышенные требования к надежности технологического процесса механической обработки, к физико-механическим свойствам обрабатываемой поверхности, ее шероховатости и точности обработки, требует значительного повышения размерной и технологической стойкости инструмента, его эксплуатационной надежности и долговечности. Использование в промышленности все большего количества современных высокопрочных и труднообрабатываемых материалов предполагает при технологической подготовке производства оперативно принимать оптимальные решения, учитывающие сложный комплекс вопросов связанных с назначением режимов резания, производительностью, точностью обработки резанием, свойствами обрабатываемой поверхности, влияющих в конечном итоге на себестоимость изготовления и надежность изделий в процессе эксплуатации.

Работами профессоров Макарова А.Д., Мухина B.C., Шустера Л.Ш. и других исследователей [68, 69, 71, 92] установлено, что условия работы металлорежущего инструмента во многих случаях характеризуются наличием в сопряженном пространстве больших давлений, высоких скоростей деформаций, повышенной температуры. При этом создаются благоприятные условия для развития адгезии, взаимной диффузии, окисления и наводораживания поверхностей, изменение их структурно-фазового состава, генерирования электродвижущей силы, которые приводят к потере работоспособности металлорежущих инструментов при их эксплуатации.

Основным направлением при решении задачи подъема технического уровня и улучшения качества металлорежущего инструмента член-корреспондент Международной и Российской инженерных академий М.С. Поляк видит в создании и внедрении материалосберегающих технологий, которые обуславливают необходимость разработки новых инструментальных материалов, использования методов упрочнения или нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности инструментов с целью увеличения их износостойкости.

Однако, одной модификацией инструментального материала, например, его объемным легированием, невозможно в полной мере решить задачи современного машиностроения, хотя это и приводит к улучшению эксплуатационных характеристик инструментальных сталей и сплавов; дело в том, что такой путь развития машиностроения ориентирован на использование значительных количеств крайне дефицитных материалов, таких как хром, кобальт, молибден, ванадий, вольфрам.

В идеальном случае задача повышения существующего ресурса металлообрабатывающего инструмента при механической обработке металлов резанием зачастую предусматривает качественную модификацию структурно-фазового состава используемого материала во всем его объеме режущей части (за счет использования сквозных методов упрочнения инструментальных материалов), позволяющих использовать весь ресурс инструментов при эксплуатации с учетом переточек не прибегая к дополнительным методам упрочнения [40,41, 83].

Перспективные направления развития технологий поверхностно-упрочняющей обработки разработанные докторами технических наук, профессорами: А.С. Верещакой, И.П. Третьяковым, В.М. Мацевитым, В.А. Белоусом, С.Н. Григорьевым [12, 16, 25, 67] предполагают освоение и развитие новых методов создания износостойких покрытий с использованием в основном тугоплавких материалов, т.е. покрытий на основе металлоподобных и неметаллических соединений в виде карбидов и нитридов. Для таких материалов характерны высокие показатели твердости, износостойкости и теплостойкости.

Модификация рабочих поверхностей металлорежущего инструмента имеет свою, особую специфику, которая отражается в наименовании следующих технологий: метод наплавки; метод импульсного термического удара; метод лазерного упрочнения; метод ионно-плазменного нанесения покрытия; метод электроакустического напыления-легирования; метод ионной имплантации; метод обработки импульсным магнитным полем; метод эпиламирования рабочих поверхностей; комбинированные методы модификации рабочих поверхностей.

Работами члена корреспондента Международной и Российской инженерных академий М.С. Поляка установлено, что образование упрочняющих покрытий из разнородных конструкционных материалов приводит не только к модификации материала поверхностного слоя, повышающей эксплуатационные характеристики подвергнутого обработке режущего инструмента, но и к образованию в ряде случаев принципиально нового износостойкого материала поверхностного слоя, обладающего как высокой прочностью и достаточной пластичностью, так и повышенной износостойкостью. Такие покрытия отвечают практически всей совокупности требований эксплуатационного и технологического характера в части твердости, износостойкости, теплостойкости, плотности, сплошности, прочности сцепления нанесенного поверхностного слоя с материалом основы. Известны несколько вариантов таких износостойких покрытий, различающихся химическим составом компонентов, числом и толщиной промежуточных слоев, типом переходов модифицированных зон к основе, технологией и механизмом формообразования слоев упрочнения.

Вместе с тем на выбор того или иного метода упрочнения или нанесения износостойкого покрытия металлообрабатывающего инструмента влияет его очередность в составе всей технологической цепочки производства инструмента, т.е. влиянием предыдущей технологической операции на результативность нанесения упрочняющего покрытия или, наоборот, влиянием особенностей технологии выполнения упрочняющего покрытия на результативность предыдущих.

При всем многообразии существующих методов упрочнения режущих инструментов, достаточно сложно обосновать и остановить свой выбор на наиболее приемлемом методе нанесения упрочняющего покрытия, поскольку это сопряжено с тщательной проработкой всего технологического цикла изготовления инструмента.

Несмотря на известность и несомненные эксплуатационные достоинства многих методов повышения размерной стойкости I металлообрабатывающих инструментов, вопросы, связанные с проблемой замедления или предотвращения процессов изнашивания инструментов, с организацией технологии их упрочнения, особенно, комплексными методами, отражены в научно-технической литературе еще не достаточно полно. Способы эксплуатации подвергнутых упрочнению и нанесению износостойких покрытий инструментов изучены так же недостаточно и их потенциальные возможности используются далеко не полностью. Опубликованные в научно-технической литературе результаты исследований и рекомендации по эксплуатации упрочненных инструментов не всегда удовлетворяют запросы современного машиностроительного производства. В ряде случаев, по ним даже в первом приближении невозможно прогнозировать размерную стойкость инструментов, точность обрабатываемой поверхности и физико-механические свойства обработанной поверхности.

Отсутствие в нормативах научно-обоснованных рекомендаций по выбору оптимальных режимов резания инструментами с модифицированными поверхностями режущих элементов, часто приводят к тому, что значительные резервы повышения износостойкости металлообрабатывающих инструментов практически не используются и этим сдерживают повышение производительности на операциях механической обработки.

В этой связи, несомненно актуальными являются выполненные автором исследования, направленные на решение вопроса повышения износостойкости режущего инструмента при обработке конструкционных сталей за счет модификации рабочих поверхностей инструментов методом электроакустического напыления-легирования.

Актуальность работы подтверждается и тем, что результаты исследований внедрены на машиностроительном предприятии ОАО «Витязь», исходя из его потребностей производства.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлено, что необходимая толщина, сплошность, твердость и шероховатость износостойкого покрытия и содержание основного упрочняющего элемента в нем обеспечивается оптимальным сочетанием исходной шероховатости упрочняемой поверхности и режимами упрочнения; режимы упрочнения классифицированы в зависимости от толщины и шероховатости покрытия; разработаны математические зависимости, позволяющие рассчитывать и прогнозировать необходимую толщину и шероховатость износостойкого покрытия;

- установлено ^совпадение оптимальных температур резания (0О) при обработке конструкционных сталей инструментами из быстрорежущей стали с модифицированными рабочими поверхностями с температурами охрупчивания обрабатываемых материалов (0ПП), то есть температурой, при которой характеристики их пластичности д и у/ минимальны. Эта закономерность позволила на основе знания зависимостей параметров пластичности сталей от температуры 8 = /(0), у/ = /(0) определять значения оптимальной температуры резания;

-18- разработана ускоренная методика определения оптимальной (по интенсивности износа инструмента) скорости резания при обработке конструкционных сталей инструментами с модифицированными рабочими поверхностями на основе знания значения температуры охрупчивания стали 0ПП и проведения кратковременных температурных испытаний при резании 0 = /(Г);

- установлена взаимосвязь оптимальной скорости резания Vq с действительным пределом прочности конструкционных сталей Se; разработана математическая модель оптимальной скорости резания с использованием многофакторного планирования эксперимента, учитывающая влияние действительного предела прочности Se (при 0ПП) обрабатываемых материалов, режимов резания, геометрии инструмента и параметрического критерия модификации Км, представляющего собой отношение величин прочности адгезионных связей на срез г„ неупрочненного индентора к модифицированному.

Практическая ценность работы

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований:

- предложены математические зависимости, позволяющие рассчитывать и прогнозировать толщину и шероховатость износостойких покрытий, наносимых методом электроакустического напыления-легирования (ЭЛАН);

- предложена ускоренная методика определения оптимальной скорости резания без проведения длительных и дорогостоящих стойкостных испытаний на основе знания параметров пластичности обрабатываемых материалов б = /(©), у/= /(©) и кратковременных температурных испытаний при резании;

- на основе положения постоянства оптимальной температуры резания и использования математического планирования эксперимента разработана адекватная математическая модель определения оптимальной скорости резания для любых конструкционных сталей (с ав от 500 до 1000 Н/мм ) в

Апробация работы и публикации

Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе докладывались и обсуждались на:

- научно-практической конференции Оренбургского областного правления ВНТО машиностроителей и Оренбургского политехнического института «Пути повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ». - Оренбург, 1996;

- научно-технической конференции Уфимского государственного авиационного технического университета «Автоматизированные технологии и мехатронные системы в машиностроении». - Уфа, 1997;

- международной научно-технической конференции «Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы». - Уфа, 2004;

- заседании НТС факультета АТС УГАТУ - ноябрь, 2006.

Материалы работы экспонировались и удостоены серебряной медали

ВДНХ СССР в 1991 году.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах.

Публикации

Основные положения выполненных экспериментальных и теоретических исследований опубликованы:

1. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М., Мугафаров М.Ф. Определение оптимальных скоростей резания при точении конструкционных сталей инструментами с модифицированными рабочими поверхностями // Вестник УГАТУ. -Уфа. - 2006. - Т.7, №1(14). - С.199-202.

2. Доброрез А.П., Ипполитов В.Н. Повышение стойкости режущего инструмента методом электроакустического напыления // Пути повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ: Тезисы докладов научно-практической конференции. - Оренбург: Оренбургский политехнический институт, 1996. - с.38-39.

-203. Ипполитов В.Н. К вопросу повышения стойкости режущего инструмента // Автоматизированные технологические и мехатронные системы в машиностроении: Сборник научных трудов. - Уфа, 1997. - с.142-143.

4. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М. Обработка режущего инструмента импульсным магнитным полем // Авиационно-технические системы: Межвузовский сборник научных трудов. - Уфа, 2004. - с.207-213.

5. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М. Упрочнение ржущего инструмента методом импульсного термоудара // Авиационно-технические системы: Межвузовский сборник научных трудов. - Уфа, 2004. - с.219-225.

6. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М. Эпиламирование и износостойкость режущего инструмента // Авиационно-технические системы: Межвузовский сборник научных трудов. - Уфа, 2004. - с.233-235.

7. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М. К вопросу повышения стойкости инструментов из быстрорежущей стали Р6М5 с износостойкими покрытиями и подвергнутых ионной имплантации // Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы: Сборник трудов международной научно-технической конференции. - Уфа, 2004. - с.21-26.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из перечня основных терминов, сокращений, обозначений, символов, введения, пяти глав, списка литературы и приложения, содержит 186 страниц машинописного текста, 101 рисунок, 23 таблицы и 132 наименования использованной литературы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. На основе проведенных исследований по упрочнению рабочих поверхностей инструментов электроакустическим напылением-легированием установлено, что качество покрытия: толщина, твердость, сплошность и шероховатость, а также содержание основного упрочняющего элемента -вольфрама и его химических соединений в нем обеспечивается оптимальным сочетанием исходной шероховатости упрочняемой поверхности и режимами упрочнения, при этом с уменьшением исходной шероховатости упрочняемой поверхности происходит увеличение количества упрочняющего элемента в покрытии, снижение шероховатости и увеличение его сплошности; выполнена классификация режимов упрочнения в зависимости от толщины и шероховатости покрытия; разработаны математические зависимости позволяющие рассчитывать и прогнозировать необходимую толщину и шероховатость износостойкого покрытия.

2. Исследования прочностных и пластических свойств конструкционных сталей в широком диапазоне температур, а также их обрабатываемости инструментами из быстрорежущей стали с модифицированными рабочими поверхностями позволили установить, что оптимальная температура резания практически соответствует температуре охрупчивания (температуре провала пластичности 0ПП) обрабатываемых материалов. Эта закономерность позволяет на основе знания зависимостей S = f(@), ц/ = /(0) определить значение оптимальной температуры резания ©о; проведение кратковременных температурных испытаний при резании @ = /(F) и знание 0О позволяет определять одну из характеристик обрабатываемости - оптимальную скорость резания V0.

3. Установлена взаимосвязь оптимальной скорости резания Vq с действительным пределом прочности конструкционных сталей Se; разработана математическая модель оптимальной скорости резания с использованием многофакторного планирования эксперимента, учитывающая влияние действительного предела прочности S„ (при 0ПП) обрабатываемых материалов, режимов резания, геометрии инструмента и параметрического критерия модификации Км, представляющего собой отношение величин прочности адгезионных связей на срез г„ неупрочненного индентора к модифицированному.

4. Сопоставление расчетных значений Vq с экспериментальными показало их хорошую сходимость и возможность существенного сокращения трудоемких стойкостных исследований при применении методов математического планирования эксперимента.

5. Анализ результатов стойкостных испытаний показал на незначительное расхождение значений оптимальных скоростей рения Vq и интенсивности износа h030 при точении конструкционных сталей инструментами, модифицированными методами КИБ и ЭЛАН. Поэтому для внедрения в производство рекомендован метод ЭЛАН, как менее трудоемкий и более экономичный.

6. Результаты исследований внедрены в производство ОАО «Витязь» с суммарным экономическим эффектом более 700 тыс. руб. в год, в том числе за счет оптимизации процесса механической обработки - 206 тыс. руб.

1. Андреев А.А., Кунченко В.В., Саблев Л.П., Шулаев В.М. Дуплексная обработка инструментальных сталей в вакууме // ОТТОМ-2. - 2001. - 4.1. - С. 48-56.

2. Аксенов И.И., Хорошин В.М. Потоки частиц и массоперенос в вакуумной дуге // Обзор. -М.: ЦНИИатаминформ. 1984. - С.13.

3. Алимов В.И., Крымов В.Н. Химико-термическое упрочнение сплавов'с использованием дугового разряда // Технология машиностроения. 2005. -№1,-С. 50-53.

4. Алимов В.И., Егоров Т.Н., Крымов В.Н. К вопросу об анализе процессов при упрочнении дугоразрядной плазмой // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Донецк: Дон ГТУ. - 2001-выпЛб.-С. 26-29.

5. Алимов В.И., Крымов В.Н. Поверхностное упрочнение сталей дуговой плазмой // Металлургия. Донецк: Дон ДТУ. - 1999, вып. 14. -С. 137-143.

6. Анцупов А.А., Хасанов С.М. Влияние намагничивания режущего инструмента на его износ при резании титановых сплавов // Труды Ташкентского политехнического института. 1974. - вып. 133. -С. 17-19.

7. Брюхов В.В. Повышение стойкости инструмента методом ионной имплантации. Томск: Изд-во НТЛ. - 2003. - 120с.

8. Барон Ю.М., Сенчило И.А. Изменение эксплуатационных характеристик поверхностей инструментов из быстрорежущих сталей в результате их перемагничивания // труды Ленинградского политехнического института. 1980. - вып. 109. - С. 177-181.

9. Бороухин Б.А. О стойкостных зависимостях сверл подвергнутых магнитной обработке // Труды Горьковского политехнического института. -1977.-вып. 39.-С. 36-39.

10. Бобров В.Ф., Грановский Г.И., Зорев Н.Н. Развитие науки о резании металлов. М.: Машиностроение. - 1967. - 416с.-15211. Боровский С.М. Повышение эксплуатационных свойств режущего инструмента методом ионной имплантации. Тальятти. - 1998. -245с.

11. Белоус В.А., Носов Г.Н. Ионное азотирование сталей в дуговом разряде низкого давления // Технология машиностроения. 2004. - №3. -С. 35-39.

12. Бурумкулов Ф.Х., Латыпов Р.А., Лельчук л.М. Восстановление и упрочнение деталей машин электроискровым методом // Сварочное производство. 1998. - №2. - С. 37-39.

13. Бурумкулов Ф.Х., Лезин П.П., Сенин П.В. Электроискровые технологии восстановления и упрочнения деталей машин и инструментов (теория и практика). Саранск: Тип.»Красный Окт.». - 2003. - 504с.

14. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. М.: Машиностроение. - 1987. - 305с.

15. Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойким покрытием. М.: Машиностроение. - 1986. - 190с.

16. Верещака А.С., Касьянов С.В. Работоспособность и эксплуатационная надежность быстрорежущего инструмента при нанесении износостойких покрытий. В сб. Обработка материалов резанием // Материалы семинара. М. - 1977.

17. Векрещака А.С. Исследование режущих свойств инструментальных материалов с покрытием. В сб. Перспективы развития режущего инструмента и повышение эффективности его применения в машиностроении // Тезисы докладов. М. - 1978.

18. Верхотуров А.Д., Муха И.М. Технология электроискрового легирования металлических поверхностей. Киев: Техника. - 1982. - 181с.

19. Гордон М.Б. Исследование трения и смазки при резании металлов. -Чебоксары. 1972. - С. 7-138.

20. Трудов А.А., Погонялин Ю.А., Славнов Н.В. Металлорежущий инструмент. -М.: НИИМаш. 1971. -ч.З.- 475с.

21. Гуляев А.П. Термическая обработка стали. М.: Машиностроение. -1960.-240с.

22. Григорьев С.Н. Современное вакуумно-плазменное оборудование и технологии комбинированного упрочнения инструмента и деталей машин // Технология машиностроения 2004. - №3. - С. 20-26.

23. Григорьев С.Н. Технология и оборудование для комплексной ионно-плазменной обработки режущего инструмента // СТИН. 2000. - №12. -С.12-16.

24. Григорьев С.Н. Повышение производительности обработки резанием путем применения инструмента с комплексной ионно-плазменной обработкой // Чистовая обработка материалов. М.: МДНТП. - 1990. - С. 109-113.

25. Григорянц А.Г., Сафонов А.Н. Методы поверхностной лазерной обработки. М.: Высшая школа. - 1987. - 191с.

26. Грановский В.А. Электрический ток в газе. М.: Наука. 1971. - 421с.

27. Гитлевич А.Е., Михайлов В.В., Парканский Н.Я. Электроискровое легирование металлических поверхностей. Кишинев: Штиинца. - 1985. -196с.

28. Галей М.Т., Ахметшин B.C. Изучение влияния магнитного поля на стойкость быстрорежущего инструмента // Станки и инструмент. 1981. -№6.-С. 31-34.

29. Доброрез А.П., Ипполитов В.Н. Повышение стойкости режущего инструмента методом электроакустического напыления // Пути повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ. Оренбург: Оренбургский политехнический институт. - 1996. - С. 36.

30. Дыхне Д.М. Взаимодействие излучения плазменных и электронных потоков с веществом. -М.: Издательство ИАЭ им. И.В. Курчатова. 1990. -164с.

31. Жуков А.А., Шилина Е.П., Брон Д.И. Плазменное оплавление поверхностного слоя чугуна после электроискрового легирования // Электронная обработка материалов. 1978. - №3. - С. 25-28.

32. Зорев Н.Н., Грановский Г.И., Ларин М.Н., Лоладзе Т.Н., Третьяков И.П. Развитие науки о резании металлов. М.: Машиностроение. - 1967. -416с.

33. Зубенко А.С. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд. переработанное и дополненное. -М.: Машиностроение-1. -2003. 782с.

34. Ипполитов В.Н. К вопросу повышения стойкости режущего инструмента // Автоматизированные технологические и мехатронные системы в машиностроении // Сборник научных трудов. Уфа. - 1997. - С. 142-143.

35. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М. Обработка режущего инструмента импульсным магнитным полем // Авиационно-технические системы: Межвузовский сборник научных трудов. Уфа. - 2004. - С.207-213.

36. Иноземцев Г.Г. Проектирование металлорежущих инструментов. -М.: Машиностроение. 1984. -271с.

37. Инзарцев Ю.В. Повышение эксплуатационных характеристик инструмента методом ионной имплантации азота. Тула: ГулГУ. - 2001. -245с.

38. Иванов В.И., Коваль Н.П. Опыт применения электроискрового легирования для упрочнения инструментов и восстановление деталей машин // Станки и инструмент. 1977. - №4. - С. 41-45.

39. Искандерова З.А., Раджабов Т.Д., Рахимова Г.Р. О природе упрочнения поврехности металлов и сталей в результате ионной обработки // ВАНТ Сер.ФРП и РМ. 1991. - вып. 3 (37). - С. 79-86.

40. Ковш С.В., Клшко В.А., Полоцкий И.Г. Действие ультразвука на дислокационную структуру и механические свойства молибдена. Ф.М.М. -1973. - Т.35. - №6. - С. 1199-1205.

41. Коровин А.В., Усачев Г.А., Кравченко С.С. Прогрессивная технология нанесения износостойких покрытий на инструмент и его эксплуатация. Тольятти: филиал НИИИАП. - 1985. - 75с.

42. Крагельский И.В., Добыгин М.Н. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение. - 1977. - 526с.

43. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение. - 1968. -480с.-15652. Крагельский И.В. и др. Трение изнашивание и смазка. Справочник в 2-х томах. Т.1. - М.: Машиностроение. - 1978. - 400с.

44. Крагельский И.В. и др. Трение изнашивание и смазка. Справочник в 2-х томах. Т.2. - М.: Машиностроение. - 1978. - 400с.

45. Кишуров В.М. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфа. - 1973.

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

47. Кичко Ю.М. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфа. - 1971.

48. Ковальченко М.С. Электроискровое легирование стали вольфрамовыми твердыми сплавами // Порошковая металлургия. 1984. -№6. -С. 47-50.

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

50. Любимов В.В., Иванов А.В. Имплантация азотом // Технология машиностроения. 2004. - №2. - С. 17-20.

51. Любимов В.В., Инзарцев Ю.В., Гаврилин В.И. Исследование зависимости микротвердости образцов из стали Р6М5 от технологических режимов имплантации азота // Современная электротехнология в промышленности центра России. Тула: Тул.ГУ. - 2001. - С. 81-84.

52. Лившиц А.С., Гринбург А.С., Каркумелин Э.Г. Основы легирования наплавленного металла. -М.: Машиностроение. 1969. - 180с.

53. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение. - 1990. - 528с.

54. Локтев Д.Н. Основные виды износостойких покрытий. Зарубежный опыт // Стружка. 2004. май.

55. Логинов Н.Ю., Логинов Б.Н., Худякова О.Ю. К вопросу моделирования электроконтактного легирования // Металлообработка. -2004.-№6.-С. 13-14.

56. Мацивитый В.М. покрытия для режущих инструментов. Харьков: Издательство объединения «Вица школа». - 1987. - С. 127.

57. Макаров А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов. М.: Машиностроение. - 1966. - С. 264.

58. Макаров А.Д. Роль трения в износе режущих инструментов // Труды УАИ. №69. - Уфа. - 1974. - С. 104.

59. Матвеев Н.В. Служебные и физикомеханические свойства несплошного нитридтитанового покрытия // Технология машиностроения. -2004.-№2.-С. 29-34.

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

61. Макаров А.Д., Кривошей В.М., Никитин Ю.В. Применение математического планирования экспериментов при исследовании основных параметров процесса резания металлов. Учебное пособие. Изд. УАИ им. С.Орджоникидзе. Уфа. - 1976. - 116с.

62. Матвеев Н.В., Юдин П.В., Краснов А.Н., Милосердов И.В. Стойкость сверл. Упрочненных износостойкими покрытиями // Вопросы авиационной науки и техники. Сер. Авиационная технология. М.: НИАТ. - 1987. - №1. -С. 91-95.

63. Матвеев Н.В., Милосердов И.В., Цигулев О.В., Сидоренко Е.В. Влияние износостойкости покрытий на стойкость проходных резцов и динамические характеристики стали 45 // Сборник научных трудов. М.: НИАТ.-1988.-С. 24-29.

64. Матвеев Н.В., Изволенский Е.Г., Краснов А.Н. Влияние покрытий или химической (электрохимической) обработки на прочностные характеристики сталей // Проблемы точности. 1984. - №10. - С. 38-41.

65. Матвеев Н.В., Цыгулев О.В., Лященко Б.А., Юр А.Г. Исследование свойств дискретных покрытий при растяжении // Специальная электрометаллургия. 1987. - №63. - С.52-55.

66. Малыгин Б.В. Повышение стойкости инструмента и оснастки магнитной обработкой // Металлург. 1987. - №10. - С. 46-47.

67. Малыгин Б.В., Мендельсон С.А., Николаева Ю.Н. Повышение надежности инструментов, приспособлений и деталей машин с помощью магнитно-импульсной обработки // Ленское хозяйство. 1987. - №7. - С. 63.

68. Малыгин Б.В., Мендельсон С.А., Селезнева Е.Ф. Эффективность внедрения магнитной обработки инструмента и деталей машин // Технология и организация производства. 1988. -№1. - С. 7-9.

69. Мухин B.C., Шустер Л.Ш. Износ инструмента, качество и долговечность деталей из авиационных материалов. Уфимский ордена Ленина авиационный институт им. Серго Орджоникидзе. - 1987. - 215с.

70. Малыгин Б.В. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин. М.: Машиностроение. - 1989. - 112с.

71. Ординарцев И.А., Филиппов Г.В., Шевченко JI.M., Онишко JI.B., Сергеев А.К. Справочник инструментальщика. Ленинград: Машиностроение. - 1997. - 842с.

72. Постников С.Н., Черников А.А. Влияние импульсных полей на усталость быстрорежущей стали // Электронная обработка материалов. №4. -1981.-С. 65-68.

73. Полевой С.Н., Евдокимов В.Д. Упрочнение металлов / Справочник -М.: Машиностроение. 1986. -319с.

74. Попилов П.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка металлов. М.: Машиностроение. - 1986. - 400с.

75. Паустовский А.В., Куриная Т.В., Риденко И.А. Повышение износостойкости инструментальных сталей электроискровым легированием //Станки и инструмент. 1988. - №2. - С. 29-30

76. Поут Д.М. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. М.: Машиностроение. - 1987. - 424с.

77. Постнов В.В., Шарипов Б.Р., Шустер Л.Ш. Процессы на контактных поврехностях, износ режущего инструмента и свойства обработанной поврехности. Свердловск: Издательство Уральского университета. - 188. -221с.

78. Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов. М.: Высшая школа. 1974. 590с.

79. Поляк М.С. Технология упрочнения. Т.2. - М.: Машиностроение «Л.В.М.-СКРИПТ». - 1995. - 685с.

80. Резников А.Н. Теплофизика резания. М.: Машиностроение. - 1969. -228с.

81. Риссел X., Руге И. Ионная имплантация. Перевод с немецкого Климова В.В., Пальянова В.Н. / Под ред. Гусевой И.М. Наука. - 1983. -360с.

82. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение. - 1982. - 279с.

83. Руденко И.А., Орлик Н.В. Повышение износостойкости режущего иснтрумента и деталей машин // Станки и инструмент. 1988. - №2. - С. 2829.

84. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев В.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка металлов. М.: Машиностроение. - 1985. -496с.

85. Самотугин С.С. Плазменная обработка инструментальных сталей // Сварочное производство. №9. - 1997. - С. 8-11.

86. Самотугин С.С., Пуйко А.В., Соляник Н.Х., Локшина Е.Б. Эксплуатационные свойства инструментальных сталей после комплексного объемно-поверхностного упрочнения и термическая обработка металлов. -№5.- 1997.-С. 2-6.

87. Самотугин С.С., Солянин Н.Х., Пуйко А.В. Свойства инструментальных сталей при плазменном упрочнении с оплавлением поверхности // Сварочное производство. -№11.- 1994. С. 20-24.

88. Самсонов Г.В., Прядко И.Ф. электронная локализация в твердом теле. -М.: Наука. -1976. -339с.

89. Семенов А.П. Трение и адгезионное взаимодействие тугоплавких материалов при высоких температурах. М.: Наука. - 1972. - 160с.

90. Сараев Ю.Н. Импульсные технологические процессы сварки и наплавки. Новосибирск: Наука. - 1994. - 108с.

91. Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения / Справочник. М.: Металлургия. - 1976. - 560с.

92. Саблев Л.П., Андреев А.А., Кунченко В.В. Плазменное азотирование режущего инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 // Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении. -Харьков. 2000. - С. 133-137.

93. Смоленцев В.П. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2-х томах. Т1. - М.: Высшая школа. - 1983. -248с.

94. Самсонов Г.В, Верхотуров А.Д. Электроискровое легирование металлических поверхностей. Киев: Наукова думка. - 1986. - 50с.

95. Тополянский П.А. Опыт нанесения электроискровых покрытий на режущий инструмент и штамповую оснастку // Металлообработка. №6. -2004.-С. 37-40.

96. Талантов Н.В., Тананин А.И. Исследование кинематики процесса пластического деформирования контактных слоев стружки. Ижевск. -1969. -С. 4-22.

97. Ташлицкий Н.И. Методы приближенного определения скоростей точения жаропрочных сталей и сплавов // Вестник машиностроения. 1956. -№10. -С.13-16.-162117. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. М.: Высшая школа. -1988.-559с.

98. Хасун А., Мориган О. Наплавка и напыление. М.: Машиностроение. -1985.-240с.

99. Чугурин Н.В. Литвиненко А.Т. Электроискровое упрочнение холодновысадочного инструмента // Технология и организация производства. -№3.- 1986.-С. 45-46.

100. Шемего В.И., Жук М.В. Электроискровое легирование лезвийного инструмента // Машиностроитель. №9 . - 1989. - С. 21-22.

101. Шмаков П.С., Албутов А.А., Ларионов Н.И. Автоматизация упрочнения штампов // Технология и организация производства. №3. -1987.-С. 29-30.

102. Шустер Л.Ш. Адгезионное взаимодействие режущего инструмента с обрабатываемым материалом. М.: Машиностроение. 1988. - 50с.

103. Якунин Г.И., Молчанова Н.Г. Электрические явления при трении и резании металлов. М.: Наука. - 1969. - 280с.

104. Belous V.A., Nosov G.I. Ion nitriding of steels in system with a thermoionic gasplasma source // Proceedings of the 6-th Int. Symp. on Trends and

105. New Applications of Thin Films (TATF-98). Regensburg. 1998. P. 307-310.

106. Arc-PVD Coating of metallic and Dielectric Substrates Using Neutral Molecular Beam Source. Surface Treatments of Non-Conventional Substrates / A. Cakir., A. Metel, M. Urgen, S. Grigoriev // Proceedings of the east-forum. 1999. P.36-44.

107. Chambers D.L., Carmichael D.C., Wan C.T. Deposition of metal and alloy coating by electron-beam ion plating "Proc. Conf. on Sputtering and Ion Plating", Cleveland, Ohio, 1972,P. 89-114.

108. Use of High Temperature Pulsed Plasma Fluxes in Modification of Metal Materials / B.A. Kalin, V.L. Yakushin, V.I. Vasiliev, S.S. Tserevitinov // Surface Coating and Technology. 1997. Vol. 96 №1. P. 110-116.

109. Mattox D.M. Fundamental of ion plating "I of Vac. Sci. Technology", V. 10, №l, 1973, P. 47-52.

110. Vacuum-Arc Evaporator of Metals with ion Extended Planet Cathode / L.P. Sablev, A. A. Andreev, V.V. Kunchenko, S.H. Grigoriev // Proc. Of the TATF'98 Regensburg. 1988. P. 323-326.

111. Pesidual stresses induced by iocalised laser hardening treatments on steels and cast iron / A. Solina, M. de Sanctis, L. Poganini, P. Coppa //journal of heat treating. 1986. Vol. 4. №3. P. 272-280.