автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение стойкости сверл малого диаметра из быстрорежущей стали за счет выбора рациональных режимов вакуумно-плазменной обработки

На правахрукописи

Черкасов Павел Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ СВЕРЛ МАЛОГО ДИАМЕТРА

ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ ЗА СЧЕТ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ

Специальности:

05.03.01 Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

05.02.01 Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» (ВТО) Государственного образовательного учреждения Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Григорьев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Султанов Тофик Аскерович. доктор технических наук, профессор Клыпин Анатолий Александрович.

Ведущее предприятие: ОАО «ВНИИинструмент»

Защита диссертации состоится Ж мая 2004 г. в на заседа-

нии диссертационного совета К 212.142.02 в Государственном образовательном учреждении Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127055, г. Москва, Вадковский пер., ЗА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ МГТУ «СТАНКИН».

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направить по указанному адресу.

Автореферат разослан апреля 2004г

Ученый секретарь диссертационного совета Ю.П. Поляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Диссертационная работа выполнялась в рамках приоритетного направления развития науки и техники Федерального уровня «Лазерные и электронно-ионно-плазменные технологии».

Высокие темпы развития машиностроения, широкое внедрение автоматических линий, станков с числовым программным управлением и гибких производственных систем выдвигают задачу наиболее полного обеспечения современного оборудования надежным и высокопроизводительным инструментом. Особое внимание следует уделять операциям обработки, которые требуют больших затрат времени, режущего инструмента, специальных приспособлений. В машиностроении одной из таких операций является операция сверления отверстий малого диаметра (менее 3 мм).

Несмотря на возрастающее с каждым годом потребление инструмента из твердых сплавов, режущей керамики и сверхтвердых материалов, объем быстрорежущих сталей, использующихся при изготовлении сверл малого диаметра, уменьшается несущественно. Это связано с тем, что такие сверла изготавливаются путем вышлифовывания из прутка, а наиболее подходящим материалом для этого является быстрорежущая сталь, обладающая повышенной прочностью, вязкостью и технологической пластичностью.

Однако, при изготовлении сверл малого диаметра из широко применяемой стали Р6М5 их твердость и теплостойкость оказываются понижен -ными по сравнению со сверлами диаметром более 3 мм. Это связано с многократными операциями холодной пластической деформации и промежуточными отжигами, которым подвергается инструмент в процессе изготовления. Именно поэтому сверла малого диаметра зачастую показывают пониженную стойкость. Наиболее перспективным и современным способом повышения стойкости инструмента такого типа является ионно-плазменная обработка, включающая азотирование и нанесение покрытий, которая с успехом уже применяется для инструмента

БИБЛИОТЕКА } С.Пстербу»г

оа

Применение такой обработки для сверл малого диаметра до настоящего времени не практиковалось. Для этого требуется выполнение комплекса исследований по изучению влияния технологических факторов ва-куумно-плазменной обработки на структуру поверхностного слоя, характер изнашивания и стойкость инструмента.

В связи с этим работа, посвященная проблеме повышения стойкости сверл малого диаметра из быстрорежущей стали за счет вакуумно-плазменной обработки, является весьма актуальной.

Цель работы

Повышение стойкости сверл малого диаметра из быстрорежущей стали путем выбора рациональных режимов вакуумно-плазменной обработки, включающей процессы азотирования и нанесения износостойкого покрытия.

Общая методика исследований

В работе использовались основные положения теории резания материалов, стандартные методики определения основных характеристик процесса резания, а также современные методы исследования структуры и свойств материалов. Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением методов математической статистики и теории вероятности.

Научная новизна работы заключается:

- в математических зависимостях, учитывающих влияние факторов времени, температуры, состава газовой среды при азотировании, времени последующего процесса осаждения покрытия на износ сверл малого диаметра из быстрорежущей стали.

Практическая ценность работы состоит:

- в рекомендациях по выбору режимов вакуумно-плазменной обработки инструмента, обеспечивающих минимальную интенсивность изнашивания сверл малого диаметра из быстрорежущей стали;

- в рекомендациях по назначению режимов эксплуатации сверл малого диаметра из быстрорежущей стали с вакуумно-плазменной обработкой, обеспечивающих максимальную производительность инструмента.

Апробация работы

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки ГОУ МГТУ «СТАНКИН» и 3 научно-технических конференциях.

Производственное внедрение результатов работы осуществлено в рамках контрактов на поставку технологии и оборудования для комбинированной ионно-плазменной обработки, заключенных МГТУ «СТАНКИН» с инструментальным производством ОАО «АВТОВАЗ» (2003г.), а также в ряде совместных исследований с Технологическим университетом г. Гуанчжоу, (Китай) и фирмой Strong Metal Technology (Китай).

Результаты работы были представлены на четвертом Московском Международном салоне инноваций и инвестиций (2004 г.) и были удостоены золотой медали.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дается ее общая характеристика, формулируется научная и практическая значимость, кратко раскрывается содержание разделов.

В первой главе приведен анализ работ различных исследователей, занимавшихся проблемами изнашивания и изучением причин отказа сверл малого диаметра, изготовленных из быстрорежущей стали. Из проведенного анализа следует, что зачастую отказ сверла малого диаметра происходит еще до наступления его полного затупления. Причиной этого могут служить отклонение от требуемых значений свойств инструментального материала - величины карбидной неоднородности, размера зерна и др., нерациональные режимы эксплуатации инструмента и станочное оборудование с пониженной жесткостью. Представлен обзор научно-технической информации, посвященной проблеме повышения работоспособности инструмента с ионным азотированием и с покрытием, формулируются цель и задачи работы.

Из всего многообразия видов поверхностной обработки, направленных на повышение стойкости инструмента, следует выделить метод комбинированной вакуумно-плазменной обработки, включающий ионное азотирование, в плазме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда и последующее нанесение износостойкого покрытия. Безусловным преимуществом этого метода с экономической и технологической точки зрения является возможность проведения обработки в одном технологическом цикле. Применение для ионного азотирования двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, позволяет управлять структурой и свойствами формируемого слоя.

В публикациях, посвященных комбинированной поверхностной обработке быстрорежущего инструмента, в основном отражены вопросы оптимизации режимов вакуумно-плазменной обработки инструмента стандартного типоразмера и совсем не затронуты проблемы получения оптимальных характеристик азотированного слоя и покрытия для мелкоразмерного инст-6

румента. В частности, для сверл малого диаметра практически отсутствуют данные о структуре и свойствах, которыми должен обладать азотированный слой перед нанесением на него износостойкого покрытия. Что касается характера износа сверл малого диаметра из быстрорежущей стали с азотированным слоем и покрытием, то в литературных источниках сведения об этом вообще отсутствуют.

На основе анализа научно-технической информации, формулируется цель исследований, для достижения которой необходимо решить следующие задачи:

- изучить влияние различных видов вакуумно-плазменной поверхностной обработки на расположение очагов и интенсивность износа сверл малого диаметра из быстрорежущей стали;

- исследовать влияние азотирования в азото-гелиевой среде на стойкость сверл малого диаметра из быстрорежущей стали с азотированием и покрытием;

- построить • математические зависимости, описывающие влияние факторов процесса вакуумно-плазменной обработки на износ сверл малого диаметра из быстрорежущей стали, на основе которых, разработать рекомендации по выбору оптимальных режимов обработки инструмента;

- разработать рекомендации по назначению режимов эксплуатации сверл малого диаметра из быстрорежущей стали, обеспечивающих максимальную производительность инструмента.

Во второй главе описаны методики экспериментальных исследований.

Приведены сведения об использованном станочном оборудовании, вспомогательном и режущем инструменте. Приведены данные об инструментальном и обрабатываемом материале.

Все этапы вакуумно-плазменной обработки спиральных сверл малого диаметра из быстрорежущей стали (прогрев, очистка, азотирование и пане-

сение покрытий) производились в многофункциональной установке, оснащенной устройством для генерации плазмы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, вакуумно-дуговыми испарителями, многоканальной системой напуска газа, системой бесконтактного контроля за температурой обрабатываемого инструмента, а также целым комплексом вспомогательного оборудования для измерения и контроля параметров процесса обработки.

Во время проведения исследований в широком диапазоне варьировались время и температура процесса ионного азотирования, концентрация азота в газовой смеси, а также длительность последующего нанесения покрытий.

Особое внимание было уделено методикам металлографических и ме-таллофизических исследований: измерению микротвердости, исследованию структуры азотированного слоя, измерению толщины азотированного слоя и покрытия, рентгеноструктурному анализу образцов и оценке адгезионной прочности сцепления покрытия с азотированной поверхностью.

Подготовка металлографических шлифов осуществлялась на оборудовании фирмы Steuers (Дания), в состав которого входят универсальный отрезной станок, автоматический гидравлический пресс, станок для предварительного шлифования, станок для окончательного шлифования и полировки микрошлифов Abramatic.

Измерение микротвердости образцов осуществляли с помощью оптического микроскопа POLYVAR МЕТ фирмы Reichert-Jung (Австрия), оснащенного приставкой для измерения микротвердости MICRO-DUROMAT 4000.

Прочность адгезионной связи покрытия с быстрорежущей основой определялась двумя способами: методом вдавливания алмазного конуса и методом Вивера. Затем делались микрофотографии зоны отпечатка. Качество адгезии оценивалось при сравнении полученных микрофотографий с эталонными типами разрушения покрытий. В связи с большой трудностью определения адгезионной связи покрытия с основой на сверлах малого диа-

метра, при исследованиях использовались плоские образцы толщиной 2 мм из стали Р6М5, прошедшие аналогичную вакуумно-плазменную обработку и обладающие те ми же поверхностными свойствами.

Подробно описана методика стойкостных испытаний сверл малого диаметра из быстрорежущей стали с различными комбинациями вакуумно-плазменной обработки. Стойкостные испытания проводились на сверлильном станке модели 2Г106П оснащённом механической подачей. В качестве обрабатываемого материала использовалась сталь 40ХН.

Математическая обработка результатов испытаний производилась с использованием специальных программ обработки экспериментальных данных, разработанных на кафедре ВТО.

В третьей главе приведены результаты исследований влияния технологических факторов вакуумно-плазменной обработки, включающей ионное азотирование и нанесение износостойкого покрытия из нитрида циркония на характеристики формируемого слоя и интенсивность изнашивания сверл малого диаметра из быстрорежущей стали.

Как известно, решающее влияние на структуру поверхностного слоя быстрорежущей стали при азотировании, оказывает состав азотосодержа-щей атмосферы. Другие факторы процесса, такие как температура и время оказывают влияние, главным образом, на толщину и микротвердость азотированного слоя.

До настоящего времени все этапы вакуумно-плазменной обработки, как правило, проводились либо в атмосфере чистого азота, либо в смеси с аргоном, как на стадии процесса азотирования, так и последующего нанесения покрытия. При ионном азотировании в атмосфере чистого азота на поверхности образуется хрупкая нитридная зона с повышенным содержанием азота, которая ведет к выкрашиванию режущих кромок мелкоразмерного инструмента и не позволяет обеспечить достаточную адгезионную связь между покрытием и инструментальной матрицей, тем самым существенно ограничивая эффект от применения комбинированной обработки. В то же

время, регулируя составом газовой атмосферы путем разбавления азота инертным газом - аргоном, при необходимости можно подавить образование на поверхности инструмента хрупкой нитридной зоны. Однако применение смеси азота и аргона нежелательно для азотирования мелкоразмерного инструмента из быстрорежущей стали. Причиной этого является сильное растравливание поверхности инструмента, происходящее в результате ионной бомбардировки во время азотирования и прогрева инструмента. Этот процесс сопровождается образованием микропористой структуры и оголением зерен избыточных карбидов на поверхности инструмента. Дефекты в структуре поверхности в дальнейшем могут послужить очагами образования микротрещин на режущих кромках и рабочих поверхностях во время эксплуатации инструмента. Глубина образующихся при этом пор в среднем составляет 1 мкм, а толщины среза для инструмента такого типа колеблются в районе 8-12 мкм. Для решения этой проблемы было предложено в качестве газа-разбавителя использовать инертный газ, обладающий наименьшей атомной массой - гелий.

Важно также отметить, что процесс прогрева и азотирования в среде с аргоном идет весьма интенсивно, а это зачастую приводит к локальному перегреву и отпуску режущих кромок, что для инструмента является недопустимым. Тепловой эффект от бомбардировки ионами гелия меньше, чем от ионов аргона, поэтому прогрев инструмента происходит более плавно и перегрева кромок не происходит. Это является еще одним преимуществом применения в качестве газа-разбавителя гелия.

Проведенные исследования показали, что помимо концентрации азота в газовой смеси с гелием (К[), при азотировании наиболее важными факторами, оказывающими влияние на интенсивность изнашивания инструмента с комбинированной вакуумно-плазменной обработкой, являются: температура азотирования продолжительность процесса азотирования а также время последующего процесса нанесения износостойкого покрытия

ы. 10

Решение задачи оптимизации режимов вакуумно-плазменной обработки сверл малого диаметра из быстрорежущей стали Р6М5 при обработке стали 40ХН, включало следующие этапы: выбор вида математической модели, планирование эксперимента, проведение экспериментов и определение значения износа инструмента при различных условиях формирования износостойкого слоя, обработка опытных данных, определение оптимального режима вакуумно-плазменной обработки.

Предварительные исследования показали, что зависимость износа инструмента от режимов вакуумно-плазменной обработки имеет локальный экстремум. Поэтому для построения математических зависимостей, устанавливающих связь между режимами вакуумно-плазменной обработки и износом инструмента, была использована экспоненциально-степенная математическая модель вида:

Н К* # ** ехр^+ Ъ2К„ +Ь,тА +Ь,тп ] 0)

Информация о реализуемых в эксперименте факторах была представлена в виде греко-латинского плана. Значения уровней варьирования факторов при экспериментах приведены в таблице 1.

Таблица 1. Факторы процесса вакуумно-плазменной обработки и уровни их варьирования.

^"^^Уровнн Факторы"»«*^ V 2 3

в л, "С 400 500 580

0,01 0,02 0,4

гЛ, мин 10 20 30

г/;, мин 10 20 30

Для проведения лабораторных испытаний использовалась партия

сверл 0 1,5 мм из стали Р6М5 с различными вариантами вакуумно-

плазменной обработки. Эксперименты проводились при сверлении стали

40ХН на следующих режимах: глубина резания 3d (4,5 мм); скорость реза-

11

ния 19,5 м/мин, подача 0,016 мм/об, частота вращения 4100 мин"1. При проведении экспериментов измерялся износ по уголкам и поперечной режущей кромке.

В результате обработки опытных данных по программе «MODEL UNI», разработанной Власовым ВИ, были получены значения параметров математической модели зависимости изнашивания быстрорежущих сверл малого диаметра от режимов вакуумно-плазменной обработки.

Задача-определения оптимального режима комбинированной обработки, т.е. определения таких значений температуры {&/) и продолжительности процесса азотирования (г^), концентрации азота в газовой смеси с гелием а также времени процесса нанесения износостойкого покрытия (гп), которые обеспечивают минимальный износ сверл, решалась следующим образом.

Функция h = f^A>KN,XA,Xn') дифференцировалась в частных производных. Первые производные приравнивались к нулю, после чего были получены искомые оптимальные режимы вакуумно-плазменной обработки, значения которых, представлены в таблице 2.

Зависимость изнашивания быстрорежущих сверл от режимов вакуум-но-плазменной обработки имеет вид:

На основе проведенных металлографических исследований установлено, что износостойкий слой, формирующийся • при режимах вакуумно-плазменной обработки, обеспечивающих минимальную интенсивность изнашивания быстрорежущего сверл 1,5 мм при обработке стали 40ХН, соответствует следующим характеристикам:

Й =

7,347-Ю10 exp[l.069 Q -«.оюя.т-» к +0Д25Т, +-0Д1тл]

(2)

—эффективная толщина азотированного слоя Ьд ~ 10 мкм; —* микротвердость азотированного слоя Нозо ~ 1150 кгс/мм' —♦ толщина износостойкого покрытия hn=2 мкм.

.2

Таблица 2. Значения оптимальных режимов вакуумно-плазменной обработки сверл малого диаметра из стали P6MS.

Режим вакуумно-плазменной обработки Оптимальное значение

Температура азотирования 9Л "С 450

Атомарная доля азота в газовой смеси Кц 3%

Время азотирования г^ мин 15

Время нанесения покрытия хП, мин 14,7

В четвертой главе представлены исследования влияния вакуумно-плазменной обработки, включающей процессы азотирования и нанесения покрытия, на интенсивность и характер изнашивания сверл малого диаметра из быстрорежущей стали при обработке стали 40ХН.

Проведенные исследования показали, что интенсивность изнашивания спиральных сверл малого диаметра сильно зависит от вида поверхностной обработки, а характер изнашивания остается неизменным. Было установлено, что очаги износа развиваются преимущественно на главных задних поверхностях и по уголку сверла. Интенсивно изнашивается и поперечная режущая кромка - уменьшается ее длина. Передняя поверхность инструмента изнашивается незначительно и не оказывает влияния на стойкость сверл.

Кинетика износа мелкоразмерных сверл с различными видами ваку-умно-плазменной обработки представлена на рис. 1. Анализ полученных результатов позволяет отметить следующее. Применение вакуумно-плазменной обработки не меняет характера износа мелкоразмерных сверл -также наибольшему износу подвержены главные задние поверхности по уголку и поперечная режущая кромка. Применение ионного азотирования позволяет снизить величину износа сверла по уголку в среднем в 1,7 раза по сравнению с неупрочненным. В месте с тем в 1,1 - 1,2 раза снижается величина износа сверла по поперечной режущей кромке.

•) г)

Puc 1.

Кинетика износа мелкоразмерных сверл сразличными видами вакуумно-плазменной обработки (схематично), а) без обработки б)-ионное азотирование в)—износостойкое покрытие г) - комбинированная обработка

Нанесение износостойкого покрытия снижает величину износа по уголку в 2,2 раза, при этом наблюдается снижение величины износа и по поперечной режущей кромке в 1,4 раза по сравнению с неупрочненным сверлом.

Комбинированная вакуумно-плазменная поверхностная обработка, сочетающая ионное азотирование и нанесение износостойкого покрытия, снижает величину износа по уголку до 3 раз, а по поперечной режущей кромке до 1,7 раза по сравнению с неупрочненным сверлом.

На рис. 2 представлена зависимость износа сверл малого диаметра 0 1,5 мм из стали Р6М5 с различными вариантами поверхностной обработкой от времени резания.

20

Рис 2.

Зависимость износа мелкоразмерных сверл 0 1,5мм из стали Р6М5 сразличными вариантами поверхностной обработкой от временирезания. 1 - Р6М5 без упрочнения 2 - Р6М5 + азотирование. 3 - Р6М5 + ZrN. 4— азотирование +ZrN

В пятой главе определяются оптимальные условия надежной эксплуатации мелкоразмерных сверл при сверлении стали 40ХН.

Задача оптимизации режима резания инструментом с вакуумно-плазменной обработкой была сформулирована следующим образом. При известных диаметре й=\,5 мм, и времени резания до смены инструмента Т=22мин, определить такие значения частоты вращения сверла л и подачи 8, которые в условиях ограничений износа А, < 0,2 мм, касательных напряжений в инструменте т < 0,84ГПа и мощности резания не более 400 Вт, обеспечивали бы максимальную эффективность резания.

Эффективность резания оценивалась производительностью инструмента, т.е. площадью поверхности изделия, образуемой за время работы инструмента до его смены:

П= п-п-Б-Т-й (3)

При экспериментах в качестве прототипа инструмента с азотированным слоем и покрытием ZrN использовался инструмент с однослойным покрытием ZrN.

Решение задачи оптимизации включало два этапа: .

1 - построение математической модели сверления;

2 - определение оптимальных значений управляющих факторов.

Математическая модель сверления представляет собой систему математических соотношений между параметрами сверления, на которые накладываются ограничения (износ, касательные напряжения, мощность резания и производительность инструмента) и неизвестными управляющими факторами (подача и частота вращения). Вид зависимости - степенная мультипликативная.

(4)

где Ж - параметры резания;

с - коэффициент;

а, а2 - показатели распределения.

В исследованиях был принят факторный план, в котором два фактора

п = 2 варьировались на двух уровнях п=2. Общее число опытов составило 4. 16

При проведении экспериментов износ h измерялся с помощью инструментального микроскопа, крутящий момент с помощью универсального динамометра УДМ - 100.

Параметры математической модели определялись с помощью программы, разработанной Власовым В.И.

На основании того, что целевая функция может быть сведена к линейной (5), а условия резания заданы ограничивающими неравенствами (6), то задача планирования представляет собой задачу линейного программирования и решается симплекс методом.

Рт(1п г) = тах ]=1...т (5)

(6)

В результате расчетов были получены искомые значения частоты вращения и подачи, значения которых представлены в таблице 4.

С помощью выражения (2), была рассчитана производительность инструмента с азотированием и покрытием ZrN и его прототипа (рис. 3).

Таблица 4. Значения оптимальных режимов эксплуатации инструмента с покрытием ZrN* и инструмента с азотированием в сочетании с покрытием ZrN.

Данные, полученные математическим моделированием, были подтверждены стойкостными испытаниями сверл.

Рис.3.

Производительность мелкоразмерных сверл из стали Р6М5 сразличными вариантами вакуумно-плазменной обработки.

Полученные результаты показывают, что применение азотирования перед нанесением покрытия ZrN позволяет повысить производительность инструмента в 1,75 раза.

Общие выводы по работе

1. В результате стойкостных испытаний было установлено, что комбинированная вакуумно-плазменная обработка, включающая ионное азотирование в плазме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда в среде с газом-разбавителем гелием и последующее нанесение износостойкого покрытия ZrN позволяет повысить стойкость спиральных сверл малого диаметра из быстрорежущей стали Р6М5 при сверлении стали марки 40ХН до 3 раз.

2. Экспериментально установлено, что азотирование и прогрев инструмента малого диаметра в плазме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда в среде, содержащей гелий, является наиболее эффективным по сравнению с использованием других газовых сред.

3. Проведенными исследованиями показано, что при азотировании в среде, содержащей гелий, не происходит сильного искажения поверхности обрабатываемого инструмента и изменения геометрии его режущей части. Это объясняется менее интенсивной ионной бомбардировкой и наря-18

ду с другими факторами приводит к увеличению стойкости мелкоразмерных сверл после комбинированной вакуумно-плазменной обработки до 3 раз.

4. Экспериментально установлено, что содержание гелия в составе газовой среды при азотировании равное 97 % ат. ед. обеспечивает минимальный изное сверл малого диаметра из стали Р6М5 с комбинированной обработкой.

5. На основе обработки результатов стойкостных и металлографических исследований установлено, что износостойкий слой, обеспечивающий минимальную интенсивность изнашивания мелкоразмерных сверл из стали Р6М5 обработке стали 40ХН, соответствует следующим характеристикам: эффективная толщина азотированного слоя Ьд = 10 мкм с микротвердостью Ншзо ~ 1140 - 1160 кгс/мм2 при толщине нитридоциркониевого покрытия

= 2 мкм

6. На основе проведенных экспериментов определены режимы эксплуатации сверл малого диаметра из быстрорежущей стали с вакуумно-плазменной обработкой, включающей ионное азотирование и нанесение покрытия ZrN, обеспечивающие максимальную производительность инструмента при сверлении стали 40ХН. Установлено повышение производительности сверл малого диаметра с вакуумно-плазменной обработкой до 1,7 раз по сравнению с инструментом с покрытием.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях

1. Григорьев С.Н., Черкасов П.М., Шеин А.А. Разработка технологии нанесения износостойких покрытий на инструмент для холодного деформирования металлов // Производство. Технология. Экология: Сборник трудов конференции. Т.1. Москва: МГТУ «СТАНКИН», 2002. С. 182-184.

2. Григорьев С.Н., Горовой А.П., Черкасов П.М. и др. Разработка

и производство многофункциональной РУО-установки, ее промышленное

19

применение // Отчет по научно-исследовательской работе по Гос. контракту с Минпромнауки России. 2002. - 35 с.

3. Горовой А.П., Черкасов П.М. Особенности ионного азотирования быстрорежущих сталей в условиях двухступенчатого вакуумно-дугового разряда // Производство. Технология. Экология: Сборник трудов конференции. Москва: МГТУ«СТАНКИН», 2003. С. 471-472.

4. Черкасов П.М. Особенности вакуумно-плазменной обработки быстрорежущих сталей в плазме вакуумно-дугового разряда // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении. Материалы Ш Всероссийской научно-практической конференции 2003 г. Алтайский гос. техн. ун-т, БТИ. Бийск. 2003. С. 23-26.

5. С.Н. Григорьев, П.М. Черкасов, Р.В. Сгибнев. Технологические особенности вакуумно-плазменной обработки осевого мелкоразмерного инструмента // Материалы Всероссийской научно-практической конференции и выставки «Технологии и оборудование для нанесения износостойких, твердых и коррозионностойких покрытий». Москва: РХТУ, 2004. С. 54-55.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Черкасов Павел Михайлович

Повышение стойкости сверл малого диаметра из быстрорежущей стали за счет выбора рациональных режимов вакуумно-плазменной обработки

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 21.04.2004. Формат 60х90у16 Угизд. л. 1,25. Тираж 50 экз. Заказ № 94

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

Р-8 9 6 2

ВВЕДЕНИЕ.

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ.

ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Условия работы и особенности геометрии спиральных сверл малого диаметра.

1.2. Материалы, применяемые для изготовления сверл малого диаметра.

1.3. Повышение работоспособности сверл малого диаметра за счет химико-термической обработки.

1.4. Ионное азотирование инструмента из быстрорежущей стали.

1.5. Методы повышения надежности инструмента из быстрорежущей стали путем нанесения износостойких покрытий и комбинированной ионно-плазменной поверхностной обработки.

1.6. Анализ данных литературного обзора. Постановка цели и задач исследований.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Методика определения режущих свойств инструмента.>.

2.1.1. Обрабатываемые материалы.

2.1.2. Станки и приспособления.

2.1.3. Режущий инструмент.

2.1.4. Методика стойкостных испытании.

2.2. Методика вакуумно-плазменной поверхностной обработки инструмента.

2.3. Методика металлографических и металлофизических исследовании.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРО-ВАНИЯ И СВОЙСТВ ИЗНОСОСТОЙКОГО СЛОЯ ПРИ ОБРА-БОТКЕ ИНСТРУМЕНТА В ПЛАЗМЕ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА.

3.1. Физические принципы и особенности двухступенчатого вакуумно-дугового разряда.

3.2. Формирование азотированного слоя при обработке инструмента в плазме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда.

3.2.1. Исследование влияния состава азотосодержащей атмосферы на структуру азотированного слоя быстрорежущей стали.

3.2.2. Исследование влияния технологических режимов на микротвердость и глубину азотированного слоя быстрорежущей стали.

3.3. Оптимизация процесса комбинированной вакуумно-плазменной обработки быстрорежущего инструмента.

4 . ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ИЗНАШИВАНИЯ СВЕРЛ МАЛОГО ДИАМЕТРА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ

С ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ.

4.1 Износ сверла и критерий его затупления.

4.2 Назначение режимов резания для сверл малого диаметра из быстрорежущей стали.

4.3. Исследования кинетики изнашивания сверл малого диаметра. ^

5. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ БЫСТРОРЕЖУЩИМ ИНСТРУМЕНТОМ С ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКОЙ И ОЦЕНКА ЕГО

ЭФФЕКТИВНОСТИ.

5.1. Критерии эффективности процесса резания инструментом с вакуумно-плазменной обработкой.

5.2. Выбор вида математической модели для описания процесса резания.

5.3 Построение математической модели процесса сверления отверстий малого диаметра.

5.4. Определение оптимального режима эксплуатации инструмента с вакуумно-плазменной обработкой.

5.5. Эффективность, достигаемая в результате применения инструмента с вакуумно-плазменной поверхностной обработкой.

Диссертационная работа выполнялась в рамках приоритетного направления развития науки и техники Федерального уровня «Лазерные и электронно-ионно-плазменные технологии».

Высокие темпы развития машиностроения, широкое внедрение автоматических линий, станков с числовым программным управлением и гибких производственных систем выдвигают задачу наиболее полного обеспечения современного оборудования надежным и высокопроизводительным инструментом. Особое внимание следует уделять операциям обработки, которые требуют больших затрат времени, режущего инструмента, специальных приспособлений. В машиностроении одной из таких операций является операция сверления отверстий малого диаметра (менее 3 мм).

Несмотря на возрастающее с каждым годом потребление инструмента из твердых сплавов, режущей керамики и сверхтвердых материалов, объем быстрорежущих сталей, использующихся при изготовлении сверл малого диаметра, уменьшается несущественно. Это связано с тем, что такие сверла изготавливаются путем вышлифовывания из прутка, а наиболее подходящим материалом для этого является быстрорежущая сталь, обладающая повышенной прочностью, вязкостью и технологической пластичностью.

Однако, при изготовлении сверл малого диаметра из широко применяемой стали Р6М5 их твердость и теплостойкость оказываются пониженными по сравнению со сверлами диаметром более 3 мм. Это связано с многократными операциями холодной пластической деформации и промежуточными отжигами, которым подвергается инструмент в процессе изготовления. Именно поэтому сверла малого диаметра зачастую показывают пониженную стойкость. Наиболее перспективным и современным способом повышения стойкости инструмента такого типа является ионно-плазменная обработка, включающая азотирование и нанесение покрытий, которая с успехом уже применяется для инструмента большего размера.

Применение такой обработки для сверл малого диаметра до настоящего времени не практиковалось. Для этого требуется выполнение комплекса исследований по изучению влияния технологических факторов вакуумно-плазменной обработки на структуру поверхностного слоя, характер изнашивания и стойкость инструмента.

В связи с этим работа, посвященная проблеме повышения стойкости сверл малого диаметра из быстрорежущей стали за счет вакуумно-плазменной обработки, является весьма актуальной.

Основная данной цель работы заключается в повышении стойкости сверл малого диаметра из быстрорежущей стали за счет выбора рациональных режимов вакуумно-плазменной поверхностной обработки, включающей процессы ионного азотирования и нанесения износостойкого покрытия.

Научная новизна работы заключается:

- в математических зависимостях, учитывающих влияние факторов времени, температуры, состава газовой среды при азотировании, времени последующего процесса осаждения покрытия на износ сверл малого диаметра из быстрорежущей стали.

Практическая ценность работы состоит:

- в рекомендациях по выбору режимов вакуумно-плазменной обработки инструмента, обеспечивающих минимальную интенсивность изнашивания сверл малого диаметра из быстрорежущей стали;

- в рекомендациях по назначению режимов эксплуатации сверл малого диаметра из быстрорежущей стали с вакуумно-плазменной обработкой, обеспечивающих максимальную производительность инструмента.

Апробация работы

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки ГОУ МГТУ «СТАНКИН» и 3 научно-технических конференциях.

Производственное внедрение результатов работы осуществлено в рамках контрактов на поставку технологии и оборудования для комбинированной ионно-плазменной обработки, заключенных МГТУ «СТАНКИН» с инструментальным производством ОАО «АВТОВАЗ» (2003г.), а также в ряде совместных исследований с Технологическим университетом г. Гуанчжоу, (Китай) и фирмой Strong Metal Technology (Китай).

Результаты работы были представлены на четвертом Московском Международном салоне инноваций и инвестиций (2004 г.) и были удостоены золотой медали.

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы зав. кафедрой «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н. С.Н. Григорьеву, а также коллективу ЦФТИ, преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» за помощь, оказанную при выполнении работы.

Общие выводы по работе

1. В результате стойкостных испытаний было установлено, что комбинированная вакуумно-плазменная обработка, включающая ионное азотирование в плазме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда в среде с газом-разбавителем гелием и последующее нанесение износостойкого покрытия ZrN позволяет повысить стойкость спиральных сверл малого диаметра из быстрорежущей стали Р6М5 при сверлении стали марки 40ХН до 3 раз.

2. Экспериментально установлено, что азотирование и прогрев инструмента малого диаметра в плазме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда в среде, содержащей гелий, является наиболее эффективным по сравнению с использованием других газовых сред.

3. Проведенными исследованиями показано, что при азотировании в среде, содержащей гелий, не происходит сильного искажения поверхности обрабатываемого инструмента и изменения геометрии его режущей части. Это объясняется менее интенсивной ионной бомбардировкой и наряду с другими факторами приводит к увеличению стойкости мелкоразмерных сверл после комбинированной вакуумно-плазменной обработки до 3 раз.

4. Экспериментально установлено, что содержание гелия в составе газовой среды при азотировании равное 97 % ат. ед. обеспечивает минимальный износ сверл малого диаметра из стали Р6М5 с комбинированной обработкой.

5. На основе обработки результатов стойкостных и металлографических исследований установлено, что износостойкий слой, обеспечивающий минимальную интенсивность изнашивания мелкоразмерных сверл из стали Р6М5 обработке стали 40ХН, соответствует следующим характеристикам: эффективная толщина азотированного слоя hA ~ 10 мкм с микротвердостью Нп30 ~ 1140 - 1160

-у кгс/мм при толщине нитридоциркониевого покрытия hn = 2 мкм

6. На основе проведенных экспериментов определены режимы эксплуатации сверл малого диаметра из быстрорежущей стали с вакуумно-плазменной обработкой, включающей ионное азотирование и нанесение покрытия ZrN, обеспечивающие максимальную производительность инструмента при сверлении стали 40ХН. Установлено повышение производительности сверл малого диаметра с вакуумно-плазменной обработкой до 1,7 раз по сравнению с инструментом с покрытием.

1. Беляев Н.М. Сопротивление материалов, М., 1956,383 с.

2. Гарина Т.И. Исследование эксплуатационных свойств мелкоразмерных сверл при обработке конструкционной стали. Диссертация на соискание степени кандидат технических наук. М. Станкин, 1972, 136 с.

3. Казойкатис В.Ф. Анализ некоторых параметров мелкоразмерных цельнотвердосплавных спиральных сверл. Сб. «Прогрессивные конструкции сверл и их рациональная эксплуатация», Вильнюс, 1987, 352 с.

4. Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Бромстрем, Н.А. Буше и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. М.; Машиностроение, 1990. 688с.

5. Теория и технология азотирования / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган, Г.И. Шпис, 3. Бемер. М., Металлургия, 1991. 320с.

6. Hombeck F., Rembges W. Moderne Plasma-Technologien und Anlagen fur die Warmebehalung von Bauteilen: TPT Symposium, 11-12 Okt. 1985. Moskau, 1985. Report 23. 14s.

7. Арзамасов Б.Н., Братухин А.Г., Елисеев Ю.С., Панайоти Г.А. Ионная химико-термическая обработка сплавов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1999,400 с.

8. Plasma Nitriding in Comparison with Gas Nitriding. Nitrition Gmbh Berlin. 2001. pp. 1-33

9. Саблев Л.П., Андреев A.A., Кунченко B.B. Плазменное азотирование режущего инструмента из быстрорежущей стали. // Труды симп. ОТТОМ, г. Харьков, 2000, с. 133 137.

10. Аксенов И.И., Коновалов И.И., Падалка В.Г. и др. Исследование эрозии катода стационарной вакуумной дуги. М.:ЦНИИатоминформ, 1984. 21 с.

11. И. Верещака А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойким покрытием. М.: Машиностроение. 1993, с.ЗЗО.

12. Григорьев С.Н. Повышение надежности режущего инструмента путем комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки. Дис. кан. техн. наук. М. 1988, 189 с.

13. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент. Под ред. Внукова Ю.Н. Киев: "Техника". 1992. с.144.

14. Брень В.Г. Исследование процесса синтеза нитридов при конденсации потоков плазмы вакуумной дуги в атмосфере реактивного газа. Дис.канд. физ-мат наук, Харьков, 1982, 239 с.

15. Барвинок В.А., Богданович В.И., Митин Б.С. Закономерности формирования покрытий в вакууме. Физика и химия обработки материалов. 1986.- №5, 92-97 с.

16. Нанесение покрытий в вакууме/ под ред. Л. Яковлева. Рига: «Зинатне», 1986,245 с.

17. Верещака А. С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение. 1986, 190 с.

18. Андреев В.Н. Совершенствование режущего инструмента. М.: Машиностроение. 1993, 240 с.

19. Верещака А.С. Повышение работоспособности режущих инструментов нанесением износостойких покрытий. Дис. докт. техн. наук. М. 1986, 601 с.

20. Касьянов С.В. Исследование режущих свойств и разработка путей дальнейшего развития инструментов с износостойкими покрытиями. М. Машиностроение. 1984, 257 с.

21. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М. Машиностроение. 1981, 279 с.

22. Марков А.А. Повышение стойкости быстрорежущего инструмента с износостойкими покрытиями путем совершенствования вакуумно-плазменной технологии и определения условий его эффективной эксплуатации. Дис.канд. техн. наук. Запорожье. 1986, 260 с.

23. Karapentev P. Investigation on the Cutting Forces in Machining with CVD Coated indoxalle Carbide inserts. "Annals CIRP", 1980, 29, №l,p. 89-96

24. Синопальников B.A. Повышение эффективности быстрорежущего инструмента. Сб.: Перспективы развития режущего инструмента и повышения эффективности его применения в машиностроении. Тез. докл. М. 1978. С. 257-260.

25. Геллер Ю.А. Инструментальные стали М: Металлургия, 1975.583с.

26. Кремнев JI.C., Синопальников В.А. Изменение структуры и свойств в режущей части инструментов из быстрорежущей стали в процессе непрерывного точения. Вестник машиностроения. М. — 1974, №5, с. 63-67.

27. Жогин А.С. Исследование фрикционного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов и методы его регулирования. Дис.канд. техн. наук. — М. 1976, 237 с.

28. Табаков В.П. Исследование влияния твердого покрытия на качественные характеристики инструментального материала. Дис.канд. . техн. наук. — М. 1975, 239 с.

29. Григорьев С.Н. Повышение надежности режущего инструмента путем комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки. Диссертация на соискание ученой степени докт. техн. наук::. 05.03.01. М. 1995 г. 476 с.

30. Ксензов А.С. , Внуков Ю.Н., Верещака А.С. Определение теплового сопротивления покрытия TiN, нанесенного методом КИБ. // Сб. Состояние и перспективы развития инструментального производства. — М.: НДНПТП. 1981. С. 43-48.

31. Ekemar S., Beschichtete Harmatalle in der Zerspanungs-technik Techn. Mitteilungen, 1977, 70, №10-11, p. 621-626.

32. Исследование и внедрение технологического процесса ионного азотирования деталей и инструмента.// Отчет по теме № гос. per. 78076329, п инв. 4028505.-М. 1981.

33. Чекалова Е.А. Повышение надежности инструмента из быстрорежущей стали путем комбинированной обработки с оптимальными параметрами ионно-плазменной среды: Диссертация на соискание ученой степени докт. техн. наук:: 05.03.01. М. 1997 г. 217 с.

34. Сейткулов А.Р. Повышение эффективности зубофрезерования применением червячных фрез из быстрорежущей стали с комплексной поверхностной обработкой: Диссертация на соискание ученой степени докт. техн. наук:: 05.03.01. М. 1993 г. 280 с.

35. А. с. № 109544. Кл.С23С 14/56.//Бюл. изобр.-№12. 1981

36. Патент США №44566206, В23В 15/04.

37. Чаплыгин Ф.Н., Лебединский Ю.Н., Меркулов В.Н. Киев: УкрНИИНТИ, сер 13.1. Инструментальное производство. - 1987. с.22.

38. Положительное решение по заявке №38350/21 от 15.08.85. Способ обработки инструмента.

39. Григорьев С.Н., Федоров С.В., Волосова М.А. Технология и оборудование для комплексной ионно-плазменной обработки режущего инструмента // Качество машин: Сб. тр. IV международной научно-технич. конф. Т.2. Брянск: БГТУ, 2001. С. 126-127.

40. Башков В.М., Кацев П.Г. Испытания режущего инструмента на стойкость. М.: Машиностроение, 1985, 136 с.

41. Григорьев С.Н., Горовой А.П., Федоров С.В., Волосова М.А. Разработка и создание установки для нанесения ионно-плазменных покрытий. Научно-исследовательский отчет по Гос. контракту (регистрационный № ВНТИЦ 01.2.00100986), 2001 г. 32 с.

42. Приборы и методы физического металловедения / Под. ред. Ф. Вейнберга. Пер. с англ. М.: Изд-во «Мир», 1973. 427 с.

43. Андреев А.А., Кунченко В.В., Саблев Л.П., Шулаев В.М. Дуплексная обработка инструментальных сталей в вакууме. // Сб. докл. 2-го Междунар. симп. ОТТОМ^2, ч. 2, г. Харьков, 2001, с. 48 56.

44. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Структура и прочность азотированных сплавов. М.: Металлургия, 1982 . - 174 с.

45. F. Sanchette, Е. Damond. Single cycle plasma nitriding and hard coating deposition in a cathodic arc evaporation device. Surface & Coating Technology. 1997, p. 261 -267.

46. Волосова М.А. Повышение стойкости быстрорежущего инструмента за счет вакуумно-плазменной обработки. Диссертация на соискание степени к.т.н. Москва 2003. 250 с.

47. Некрасов В.И. Многофакторный эксперимент. Планирование и обработка результатов: Учеб. пособие. -Курган, 1998. -145 с.

48. Мухаметзянов И.З. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий: Конспект лекций. -Уфа, 1996. -75 с.

49. Общемашиностроительные нормативы режимов резания, норм износа и расхода сверл из быстрорежущей стали диаметром до 3 мм. Временные М. 1984.

50. Математическое моделирование самоорганизующихся процессов в технологических системах обработки резанием / Кабалдин Ю.Г., Олейников А.И., Шпилев A.M., Бурков А.А. -Владивосток: Дальнаука, 2000.-195 е.:

51. Пестунов В.М. Условия эксплуатации инструмента и эффективность процесса обработки. Техника машиностроения, 2000, №6. -С. 31-39.

52. Абденов А.Ж, Денисов В.И., Чубин В.М. Введение в оценивание и планирование экспериментов для стохастических динамических систем: Учеб. пособие по специальности "Прикладная математика". -Новосибирск, 1993.-43 с.

53. Гаврилов Ю.В. Математическое моделирование процессов резания и режущего инструмента: Конспект лекций. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998.-78 с.

54. Власов В.И. Стохастическая динамическая модель резания / Сборник докладов научно-методической конференции «Проблемы интеграции и науки». — М.: СТАНКИН, 1990 г., 37 с.