автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка канавочных резцов с режущими пластинами из нитридной керамики для высокопроизводительной обработки деталей из закаленных сталей

На правах рукописи

ФЕДОРОВ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА КАНАВОЧНЫХ РЕЗЦОВ С РЕЖУЩИМИ ПЛАСТИНАМИ ИЗ НИТРИДНОЙ КЕРАМИКИ ДЛЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК 2011

Москва 2011

005003888

Работа выполнена на кафедре «Технологическое проектирование» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «Станкин» (ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин»)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Кузин Валерий Викторович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Таратынов Олег Васильевич кандидат технических наук, гл. технолог Ляпусов Сергей Геннадьевич

Ведущая организация: ФГУП Всероссийский научно-технический

и исследовательский институт тугоплавких металлов и твердых сплавов ВНИИТС, г. Москва

Защита состоится «27» декабря 2011 г. в « // .00 » часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 в ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин» по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3 А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин».

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения (организации), просим высылать по указанному адресу в диссертационный совет Д 212.142.01.

Автореферат разослан «26» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

М.А. Волосова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Развитие промышленного потенциала России неразрывно связано с модернизацией предприятий машиностроительного профиля. Их технологическое перевооружение предполагает значительное повышение эффективности производства на основе разработки и внедрения современных процессов. Новые технологии особенно востребованы для изготовления гидросистем двигателей, в состав которых входят топливные насосы высокого давления. Качество их изготовления во многом определяет экономичность и долговечность двигателей.

Наиболее трудоемкой и ответственной операцией при изготовлении топливных насосов высокого давления является прорезка малоразмерных канавок под уплотнители на втулках плунжеров. В отдельных случаях технологический процесс изготовления этих деталей включает более двадцати операций шлифования канавок в термообработанных заготовках, имеющих предварительно прорезанные канавки. Трудоемкость выполнения этих операций превышает 70% общего машинного времени. Поэтому разработка более производительных методов прорезки канавок в деталях из закаленных сталей без снижения их качества имеет важное производственное значение.

Одним из вариантов решения этой задачи является применение резцов, оснащенных керамическими режущими пластинами. Эти инструменты способны многократно увеличить производительность чистовых операций обработки закаленных сталей, которые характеризуются достаточно простой схемой нагружения контактных площадок инструментов. Однако при прорезке канавок генерируется сложный комплекс внешних нагрузок, который формирует в керамических пластинах неблагоприятное напряженно-деформированное состояние. Под действием этих напряжений резко увеличивается вероятность заровдения эксплуатационных дефектов, роста трещин, износа режущих пластин и внезапных отказов канавочных резцов. Это обстоятельство сдерживает широкое применение такого инструмента в условиях высокого уровня производственных требований.

В связи с этим, разработка канавочных резцов с керамическими режущими пластинами для обработки деталей из закаленных сталей, способных обеспечить замену операции шлифования на точение с многократным повышением производительности, является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы. Разработка канавочных резцов с режущими пластинами из нитридной керамики, обеспечивающих повышение производительности обработки деталей из закаленных сталей, на основе целевого выбора геометрии резцов, состава керамики, состава и толщины покрытия.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования выполнены с использованием теории резания, теории упругости, теории теплопроводности, теории прочности и разрушения, а также современных представлений о накоплении поврежденностей в хрупких телах. Исследования выполнены в лабораторных и производственных условиях с использованием известных и разработанных методик, а также оптической и электронно-сканирующей микроскопии. При исследовании напряженно-деформированного состояния канавочных резцов с керамическими режущими пластинами применяли автоматизированную систему термопрочностных расчетов керамических режущих пластин RKS-ST v.l.О и программный комплекс «Solid Works» (блок Solid Works Simulation). При обработке результатов экспериментов использовали методы математической статистики. Достоверность научных выводов обеспечена согласованием расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна работы состоит:

• в установленной взаимосвязи режимов прорезки канавок, силовых и тепловых нагрузок, геометрических параметров пластин, формы и свойств структурных элементов керамики, состава и толщины покрытия, твердости и свойств закаленных сталей со стойкостью канавочных резцов, интенсивностью структурных концентраторов напряжений в режущих пластинах и характером их износа;

• в построенной модели износа керамических режущих пластин при прорезке канавок в деталях из закаленных сталей, связавшей в единый процесс этапы формирования структурных концентраторов напряжений, появления и накопления поврежденностей, роста трещины, разрушения поверхностного слоя керамики и образования очага износа;

• в созданном алгоритме проектирования канавочных резцов, основанном на снижении интенсивности структурных концентраторов напряжений в режущей пластине за счет целевого выбора геометрии резцов, структурных элементов керамики, состава и толщины покрытия.

Практическая ценность работы заключается в:

• методике выявления структурных концентраторов напряжений в керамических режущих пластинах для их последующего проектирования;

• оригинальной конструкции канавочного резца с режущей пластиной из нитридной керамики, предназначенного для прорезки канавок в деталях из закаленных сталей;

• технологических рекомендациях по назначению режимов резания для разработанных канавочных резцов.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы предложены для применения на предприятиях машиностроительного профиля и используются в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских, международных и республиканских научно-технических конференциях: «Машиностроение -традиции и инновации - МТИ-2010, МТИ-2011» (Москва, 2010,2011), «Инновации в машиностроении» (Бийск, 2010) и «Информационная поддержка принятия решений при управлении социальными и природо-производственными объектами» (Архангельск, 2011). Разработанные канавочные резцы с режущими пластинами из нитридной керамики награждены бронзовой медалью на Международной выставке изобретателей (Китай, 2004).

В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на совместном заседании кафедр «Технологическое проектирование», «Высокоэффективные технологии обработки» и «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин».

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 работ, в том числе три статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы (138 наименований) и приложения. Работа изложена на 144 страницах, содержит 81 рисунок и 21 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована существующая проблема, отражены научная новизна и практическая ценность диссертации.

В первой главе проанализированы перспективы применения канавочных резцов с керамическими пластинами при обработке деталей из закаленных сталей.

Аналитический обзор научно-технической литературы показал, что повышение производительности прорезки канавок в закаленных деталях может быть основано на создании нового поколения резцов, оснащенных керамическими режущими пластинами. В развитие научных знаний по этой тематике внесли большой вклад российские ученые Аникин В.Н., Боровский Г.В., Верещака A.C., Волосова М.А., Григорьев С.Н., Гречишников В.А., Гнессин Г.Г., Гогоци Ю.Г., Жедь В.П., Кабалдин Ю.Г., Кириллова О.М., Кузин В.В., Лоладзе Т.Н., Музыкант Я.А., Полькин И.С., Попов В.П., Рогов В.А., Синопальников В.А., Старков В.К., Таратынов О.В., Третьяков И.П., Фадеев B.C., Хает Г.Л. и др.

Анализ работ этих авторов показал, что создание канавочных резцов с керамическими режущими пластинами следует базировать на системном подходе к их проектированию, изготовлению и эксплуатации. При этом необходимо учитывать напряженно-деформированное состояние режущих пластин, формирующееся под действием силовых и тепловых нагрузок, генерируемых этим специфическим процессом резания. Однако недостаточная изученность влияния напряжений на характер износа керамических режущих пластин не позволяет описать их износ при прорезке канавок в закаленных деталях с использованием известных механизмов микроразрушения хрупких материалов. Отсутствие научных знаний и практических рекомендаций не позволило до настоящего времени создать канавочные резцы с керамическими режущими пластинами, ориентированные на высокопроизводительную обработку деталей из закаленных сталей.

Для решения этой задачи целесообразно использовать методологию проектирования керамических режущих пластин для заданных условий эксплуатации. Этот подход обеспечивается выбором рациональной геометрии резцов и нанесением покрытий на режущие пластины.

На основе результатов аналитического обзора сформулирована цель и определены следующие задачи исследования.

1. Исследовать процесс прорезки канавок в деталях из закаленных сталей и установить влияние режимов резания, геометрии резцов, свойств керамики, толщины покрытия, свойств закаленных сталей на стойкость канавочных резцов и характер износа керамических режущих пластин.

2. Разработать методику выявления структурных концентраторов напряжений в керамических режущих пластинах, с использованием которой исследовать влияние силовых и тепловых нагрузок, формы и свойств структурных элементов керамики, свойств и толщины покрытия на расположение и интенсивность структурных концентраторов напряжений.

3. Создать алгоритм проектирования канавочных резцов, с использованием которого разработать конструкцию инструмента для высокопроизводительной обработки деталей из закаленных сталей и произвести целевой выбор геометрии резцов, состава керамики, состава и толщины покрытия.

4. Исследовать эксплуатационные показатели разработанных канавочных резцов с режущими пластинами из нитридной керамики при обработке деталей из закаленных сталей и сформировать технологические рекомендации по назначению режимов резания.

Во второй главе исследовано влияние разных факторов на стойкость канавочных резцов и характер износа керамических режущих пластин при прорезке канавок в деталях из закаленных сталей.

Исследования процесса прорезки канавок позволили выявить его особенности (рис.1). С их использованием сформирована система эксплуатации канавочных резцов, связавшая подсистемы «Параметры канавочного резца» и «Условия эксплуатации» с подсистемой «Показатели процесса изготовления канавок» через подсистему «Состояние канавочного резца». В этой системе условия эксплуатации (режимы резания и свойства материала детали) формируют эксплуатационные нагрузки. Под действием этих нагрузок в керамической пластине формируются температуры и напряжения, причем параметры резца (конструкция резца, геометрия пластины, свойства керамики и покрытия) определяют их уровень.

Процесс прорезки канавок в деталях

В формировании стружки участвуют три режущие кромки (главная и две вспомогательные) Образование стружки происходит в ограниченных условиях зоны резания

Повышенная тепловая напряженность лезвия из-за ограничений в отводе тепла

Повышенное трение на вспомогательных кромках из-за упругого восстановления обработанных поверхностей

Режущая пластина находится в режиме неустановившегося резания из-за малой глубины канавок

Повышенные вибрации при резании

Рис. 1. Особенности процесса прорезки канавок в деталях

Напряженно-деформированное состояние в совокупности с физическими и химическими процессами в зоне резания формируют условия для износа режущих пластин, а также определяют интенсивность этого процесса. Уменьшение интенсивности износа режущих пластин будет благоприятно влиять на показатели процесса изготовления канавок, в том числе, на производительность этого процесса. На основе исследования внутренних функциональных связей в этой системе определена структура экспериментальных исследований.

Для проведения этих исследований в лабораторных и производственных условиях использовали резцы, оснащенные режущими пластинами из оксидной (ВОК71) и нитридной (РКС11, РКС22 и РКС31) керамики. Прорезали канавки на заготовках из сталей 35ХГСА (42, 48 и 52 ИКС), 38ХМЮА (45, 50 и 55 НЯС) и ШХ15 (46, 50 и 56 ГО.С). Для построения зависимостей использовали среднее значение стойкости резцов, полученное в результате пяти дублей-экспериментов. Методика исследования износа керамических режущих пластин включала стравливание налипов обрабатываемого материала, измерение размеров очагов износа и изучение морфологии их поверхности с использованием оптической и электронно-сканирующей микроскопии.

Влияние режимов резания на стойкость канавочных резцов, оснащенных режущими пластинами из разных керамических материалов, при точении стали 35ХГСА (48 НЯС) приведено на рис. 2. Установлено, что стойкость резцов с режущими керамическими пластинами уменьшается при увеличении скорости резания, подачи, ширины и глубины канавки. Увеличение главного и вспомогательного задних углов приводит к увеличению стойкости канавочных резцов, а увеличение переднего отрицательного утла - к снижению стойкости (рис. 3, а - в). Влияние радиуса округления лезвия керамических режущих пластин на стойкость канавочных резцов является неоднозначным (рис. 3, г). Увеличение радиуса от 20 до 40 - 50 мкм увеличивает стойкость резцов из-за повышения прочности лезвия, а дальнейшее увеличение этого радиуса затрудняет процесс образования стружки. По этой причине стойкость канавочных резцов уменьшается. Также установлено, что существенное влияние на стойкость оказывают свойства инструментальной керамики. Нанесение покрытия на керамические режущие пластины увеличивает стойкость канавочных резцов при обработке деталей из закаленных сталей. Наибольшее влияние на стойкость этих инструментов оказывают состав и толщина покрытия.

ум/мин а)

1/ 4/

S мм/об б)

2 3 (,мм в) 4 6 8 h, мм г)

Рис. 2. Влияние скорости резания (а), подачи (б), глубины резания (в) и глубины канавки (г) на среднюю стойкость канавочных резцов с режущими пластинами РКС22 (7), ВОК71 (2), РКС31 (3) и РКС11 (4) при точении стали 35ХГСА (48 HRC) a-S= 0,05 мм/об; t-Ъ мм; б-v= 180 м/мин; t = 3 мм; в-v= 180 м/мин; 5 = 0,05 мм/об; г-v= 180 м/мин; S = 0,05 мм/об; < = 3 мм

б)

1 ,

JL—i

14 10 6

V, 1

\ 2

1

2 3 4 а,, град в) 20 30 40 50 60 р, мкм г)

Рис. 3. Влияние заднего (а), переднего (б), вспомогательного заднего (в) углов и

радиуса округления лезвия (г) режущих пластин РКС22 (1) и ВОК71 (2) на среднюю стойкость канавочных резцов при точении стали 35ХГСА (48 НЯС) с V = 180 м/мин; 5 = 0,05 мм/об; г = 3 мм

Статистическая обработка экспериментальных данных позволила получить регрессионную зависимость, которая связала стойкость канавочных резцов с режимами прорезки канавок, геометрическими параметрами пластин, свойствами керамики, твердостью и свойствами закаленных сталей: Т = 113,875 + 0,523А"!с + 0,059 а шг.+ 0,201 Т„ - 0,66 V - 0,22 5 - 0,08 / - 0,2 И + 0,066 а + 0,065 у + 0,078 щ + 0,024 <р, + 0,083 р + 0,11 К - 0,23 ЯКС0М - 0,07 с0,2

- 0,09 а»;

где К]С - коэффициент интенсивности напряжений керамики; <з изг - предел прочности керамики на изгиб; Гр - термостойкость керамики; V - скорость резания; 5

- подача; / - глубина резания; /г - глубина канавки; а - задний угол резца; у - передний угол резца; И] - вспомогательный задний угол резца; ф) - вспомогательный угол в плане резца; р - радиус округления режущей кромки пластины; /г„ -толщина покрытия; ЯЛС0М - твердость закаленной стали; о0,2 -условный предел текучести закаленной стали; с„- временное сопротивление закаленной стали.

Оценка этих моделей показала их адекватность и высокую значимость. На основе анализа коэффициентов парной корреляции установлено, что наибольшее влияние на стойкость канавочных резцов оказывают режимы резания, свойства керамики и твердость закаленной стали.

В результате изучения кинетики износа режущих пластин ВОК71 и РКС22 при прорезке канавок в заготовках из закаленных сталей установлено, что основной причиной их выхода из работоспособного состояния в этих условиях является износ задней поверхности. Ширина фаски износа на задней поверхности пластины изменяется вдоль лезвия, причем ее наибольшие значения зафиксированы в вершинах пластины (рис. 4, а). Достижение критических значений фаски износа приводит к ухудшению процесса стружкообразования и образованию «паразитной» стружки именно на этих участках режущей кромки (рис. 4, б).

Рис. 4. Кинетика износа режущей пластины РКС22 при прорезке канавки в стали 35ХГСА (48 НЯС) с V = 180 м/мин; 5 = 0,05 мм/об; г = 3 мм

Анализ морфологии поверхности изношенных участков керамических режущих пластин после прорезки канавок в закаленных заготовках показал, что фаска износа образуется за счет микроразрушения поверхностных слоев керамики. Этот процесс сопровождается изменениями рельефа и структуры поверхностного слоя керамических пластин (рис. 5). На поверхности выявлены отдельные поврежденности (1 на рис. 5, а), совокупности поврежденностей (2 на рис. 5, а) и зародышевая трещина (3 на рис. 5, а). Наиболее опасными являются зародышевые трещины, образующиеся в керамике вокруг отдельных зерен и их конгломератов (4 на рис. 5, б). Их докритический и последующий критический рост приводит к вырыву отдельных зерен и их конгломератов (5 на рис. 5, в). Этот процесс контролируют микронапряжения, которые формируются в поверхностном слое керамических режущих пластин под действием эксплуатационных нагрузок.

Рис. 5. Характер разрушения поверхностного слоя режущей пластины РКС22 при прорезке канавки в стали 35ХГСА (48 ННС) с V = 150 м/мин; 5 = 0,05 мм/об; Г = 3 мм

С учетом выявленных особенностей построена модель износа канавочных резцов при прорезке канавок в деталях из закаленных сталей. Особенностью этой модели является первый этап, который описывает образование структурных концентраторов напряжений в режущей пластине (областей высоких локальных напряжений, образующихся в структурных элементах керамики) (рис. 6). Появление структурных концентраторов напряжений связано с действием внешних нагрузок, неоднородностью керамики, различием свойств ее структурных элементов и высокими локальными напряжениями. Накопление совокупностей поврежденностей означает начало следующего этапа микроразрушения поверхностного слоя режущих пластин, который заканчивается образованием зародышевой трещины. Докритический и последующий критический рост трещины приводит к разрушению поверхностного слоя керамики по межкристаллитному механизму с вырывом зерен. Интенсивность этого процесса определяется уровнем напряжений в структурных элементах керамики под действием эксплуатационных нагрузок.

Рис. б. Модель износа керамических режущих пластин в канавочных резцах при обработке деталей из закаленных статей

На базе этой модели сформирован подход к созданию канавочных резцов нового поколения, ориентированный на снижение вероятности появления эксплуатационных дефектов в режущих пластинах за счет уменьшения интенсивности структурных концентраторов напряжений в элементах керамики. Практически реализовать разработанный подход возможно за счет целевого выбора компонентов керамики, покрытия и геометрии лезвия, которые формируют минимальные структурные концентраторы напряжений в «нагруженных» режущих пластинах.

Выявленный характер износа керамических режущих пластин позволил сформировать комплекс нагрузок, действующий при прорезке канавок в деталях из закаленных сталей. Отличительным признаком этого комплекса

/ Макро- N концентраторы напряжений /

¡3(62 / Структурные \ 5л~/концентраторы / к/. М напряжений /

1. Образование структурных концентраторов напряжений

8. Достижение критического значения износа задней поверхности

режущей пластины по уголкам |-

2. Зарождение и со> единение повреж-денностей в структурных концентраторах напряжений

3. Образование зародышевой трещины

4. Докритическийрост трещины

5. Критический рост трещины

6. Разрушение поверхностного слоя керамической режущей пластины

7. Формирование очага износа

нагрузок является концентрация силовых и тепловых нагрузок на уголках пластины, причем наиболее нагруженным является крайнее зерно керамики.

В третьей главе выполнено исследование структурных концентраторов напряжений, возникающих в керамических режущих пластинах при прорезке канавок в деталях из закаленных сталей.

Разработанная методика выявления структурных концентраторов напряжений в керамических режущих пластинах базируется на первичном определении макроконцентроторов напряжений в режущей части канавочного резца и последующем выявлении структурных концентраторов напряжений.

Первый этап этой методики реализуется с использованием программного комплекса «Solid Works» и построенной ЗБ-модели режущей части канавочного резца с керамической режущей пластиной. Для определения напряжений выделены три контура с контрольными точками на передней, главной и вспомогательной задних поверхностях пластины. Пример выделенных контрольных точек на главной задней поверхности резца приведен на рис. 7, а. Результаты расчета напряжений в контрольных областях пластины под действием распределенной силовой нагрузки позволили сделать вывод о целесообразности признания вершин керамических режущих пластин макроконцентраторами напряжений. Значения напряжений в контрольных точках 1 и 12, расположенных в вершинах режущей пластины имеют значения, превосходящие в несколько раз напряжения в соседних контрольных точках (рис. 7, б).

т Ш 'ШШШ- > г лШш Номера контрольных точек б)

Рис. 7. Примеры выделения контрольных точек в режущей части канавочного резца (а) и расчета напряжений (б) под действием силовой нагрузки на передней и задней (/), передней (2) и задней поверхностях (3)

Второй этап разработанной методики реализуется с использованием автоматизированной системы термопрочностных расчетов керамических режущих пластин RKS-ST v.l.О и расчетной схемы, приведенной на рис. 8, а.

Считали, что структурные элементы керамики (зерно, межзеренная фаза и матрица) выполнены из разных тугоплавких соединений, причем зерно выполняли в виде окружности, горизонтального и вертикального эллипсов. Режущую пластину нагружали сосредоточенной силой К, направленной под углом |3 к оси у, распределенной силой Р и тепловым потоком (¿.

Рис. 8. Расчетная схема керамической режущей пластины с разными вариантами исполнения (№1 - круглая форма, №2 - вертикальная эллипсная форма, №3 - горизонтальная эллипсная форма)

Для сравнения деформаций, температур и напряжений в режущих пластинах использовали контрольные точки, под которыми понимали конечные элементы в расчетной схеме, расположенные в межзеренной фазе керамики (рис. 8, б). При выборе расположения контрольных точек руководствовались базовыми положениями построенной модели износа керамических режущих пластин. В соответствии с этим выбрали 36 контрольных точек в межзеренной фазе, причем контрольные точки с номерами 1-18 примыкают к матрице, а 19 — 36-к зерну.

Пример влияния формы зерна на напряженно-деформированное состояние режущей пластины из керамики системы Т1С-У20з-81зЫ4 под действием распределенной силы Р= 1,5-108 Па приведен в табл. 1.

Таблица 1

На рис. 9 приведены выявленные структурные концентраторы напряжений (отмечены стрелками) в режущей пластине из керамики системы "ПС-УгОз-Установлено, что внешние нагрузки, состав и форма зерна керамики оказывают значительное влияние на расположение и интенсивность структурных концентраторов напряжений, формирующихся в межзеренной фазе пластин. Результаты исследования структурных концентраторов напряжений в пластинах с покрытием позволили выявить существенную роль состава и толщины покрытия на процесс их формирования, расположение и интенсивность.

о, МБа, 850

690

530

370

210

50

о, МПе

О

3 г~

1 к. у >—:

1 "V / У

а 1/

1 2 3 4 5

6 7 _ -._„„„

Номера контрольных точек

230 140

— А к 1

л\\ \3 V N

1 г

у.. \2 / — N

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

Номера контрольных точек Рис. 9. Влияние внешней нагрузки на расположение и интенсивность структурных концентраторов напряжений в керамике системы ИС-УгО^ь^ с круглым зерном 1—Г\ =¥1 = 0,003 Н ((3] = 90°, (32 = 0°); 2-Р = 3 • 108 Па; 3 - 0 = 5 • 109Вт/м2

Реализация второго этапа методики показала, что целевой выбор состава керамики, состава и толщины покрытия способен обеспечить минимизацию интенсивности структурных концентраторов напряжений для заданных внешних нагрузок. Это положение использовали в дальнейших исследованиях.

Четвертая глава посвящена созданию канавочных резцов с режущими пластинами из нитридной керамики для обработки деталей из закаленных сталей.

С использованием ранее полученных результатов разработан алгоритм проектирования канавочных резцов для обработки закаленных деталей. Этот алгоритм основан на термопрочностном расчете керамических режущих пластин и последующем сравнении проектов по критерию минимальной интенсивности структурных концентраторов напряжений. Наиболее рациональным (по установленному критерию) признали проект, в котором режущая пластина выполнена из керамики системы 813]\!4-У20з-А 12О3-Т1С. Поэтому для изготовления режущих пластин выбрали керамику состава 75%81з^-5%У2Оз-2%АЬО:г]8%ТХ;. В качестве базового элемента поверхностного слоя покрытия принят нитрид титана, а внутреннего - карбид титана. Наименьшие напряжения в режущих пластинах обеспечивал угол наклона режущей кромки X = + 7°. Это позволило уменьшить интенсивность структурных концентраторов напряжений в режущей пластине на 15 - 20 %. По этому проекту разработаны рабочие чертежи канавочного резца с пластиной из нитридной керамики.

Для изготовления опытной партии режущих пластин использовали плазмохимический порошок 813К4 (37%81, 60%М, 1,9%0, остальное примеси) со средним размером частиц 0,4-0,6 мкм. Смешение порошков выполняли в шаровой мельнице в среде этилового спирта. Заготовки прессовали под давлением 50 МПа, затем удаляли пластификатор при 100°С и спекали по двухстадийной технологии горячего изостатического прессования. Особое внимание уделили процессу заточки режущих пластин из нитридой керамики.

Проверку правильности расчетов и уточнение конструкции покрытия осуществляли путем проведения стойкостных испытаний разработанных и изготовленных канавочных резцов с режущими пластинами из нитридной керамики в лабораторных и производственных условиях (рис. 10).

Рис. 10. Разработанные канавочные резцы с режущими пластинами из нитридной

керамики

Установлено, что для этих режущих пластин оптимальным является многослойное покрытие ПС-ПСМ-ИЫ толщиной Ь„ = 7 - 8 мкм, обеспечивающее наибольший эффект при прорезке канавок в деталях из закаленных сталей. Эти пластины получили индекс РКС 24. Уточнение ранее построенной модели износа режущих пластин при прорезе канавок в закаленных деталях, применительно к разработанному канавочному резцу, позволило сформировать рекомендации по назначению режимов резания этого процесса, а в качестве критерия их отказа принять фаску износа их вершин Лзв = 0,5 мм.

С использованием разработанных рекомендаций был спроектирован новый технологический процесс изготовления деталей «втулка плунжера» для машиностроительного предприятия. Особенностью этого процесса является исключение операций предварительной прорезки канавок и их шлифования после термообработки за счет прорезки канавок «по целому» с использованием разработанных канавочных резцов. Практическая реализация нового технологического процесса обеспечила повышение производительности изготовления деталей «втулка плунжера» в 5,2 раза при соблюдении технических требований. Зафиксировано повышение стойкости разработанных канавочных резцов с пластинами РКС24 в 1,5 раза и снижение ее разбросов на 25 — 30 % по отношению к резцам с пластинами РКС22 и ВОК71 традиционного состава и геометрии. Достигнутый результат подтвержден актом производственных испытаний, что свидетельствует о правильности выводов диссертации.

¡Термообработка

Шлифование канавок

Термообработка

Прорезка канавок

Предварительная прорезка канавок

"Старый техпроцесс"

— "Новый -техпроцесс'

Коэффициент повышения производительности операций:

_ "Старый ' техпроцесс'

"Новый техпроцесс" Рис. 11. Пример повышения производительности операции прорезки канавок при изготовлении деталей «втулка плунжера»

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате выполненного комплекса теоретических и экспериментальных работ решена научно-техническая задача для машиностроения, заключающаяся в разработке канавочных резцов с режущими пластинами из нитридной керамики для высокопроизводительной обработки деталей из закаленных сталей. Применение канавочных резцов с режущими пластинами РКС22 специальной формы повышает производительность нарезания канавок в деталях из закаленных сталей в 5,2 раза по сравнению с операцией их шлифования.

2. Установлены взаимосвязи режимов прорезки канавок, силовых и тепловых нагрузок, геометрических параметров пластин, формы и свойств структурных элементов керамики, состава и толщины покрытия, твердости и свойств закаленных сталей со стойкостью канавочных резцов, интенсивностью структурных концентраторов напряжений в режущей пластине и характером ее износа. С использованием этих взаимосвязей обоснована возможность повышения производительности прорезки канавок в деталях из закаленных сталей на основе создания канавочных резцов с режущими пластинами, способных эффективно противостоять появлению поврежденностей в структурных элементах керамики.

3. Построенная модель износа канавочных резцов с керамическими режущими пластинами связала этапы формирования структурных концентраторов напряжений, появления и накопления поврежденностей, роста трещины, разрушения поверхностного слоя керамики и формирования очага износа режущей пластины в единый процесс. На основе этой модели сформирован подход к созданию канавочных резцов нового поколения и разработана методика выявления структурных концентраторов напряжений в керамических режущих пластинах, базирующаяся на первичном выявлении макроконцентраторов напряжений в рабочей части канавочного резца и последующем определении структурных концентраторов напряжений в режущей пластине под действием силовых и тепловых нагрузок.

4. Предложен алгоритм проектирования канавочных резцов, основанный на их термопрочностных расчетах с последующим выбором проекта с минимальной интенсивностью структурных концентраторов напряжений в керамике. Этот алгоритм позволил определить рациональные геометрические

параметры резца, форму и свойства структурных элементов керамики, состав и толщину покрытия керамической режущей пластины.

5. Разработана конструкция канавочного резца (положительное решение о выдаче патента на полезную модель № 2011122744 (033738) от 18.08.2011г.), состоящего из державки и режущей пластины из керамики состава 75%81зЫ4-5%У20з-2%А 12О3-18%'ПС, закрепленной двумя винтовыми прихватами. Режущая пластина выполнена в форме многогранника, рабочая часть которого имеет следующую геометрию: у = 0°, а = 7°, а] = 3°, ф = 90°, ф] = ср2 = 3°, X = + Т и р = 25 - 40 мкм. Режущая пластина РКС24 имеет многослойное покрытие ИС-ИСЫ-ИЫ (СУО) толщиной Н„ = 7-8 мкм. Эти особенности канавочного резца позволили уменьшить интенсивность структурных концентраторов напряжений в режущей пластине на 15 - 20 %, что обеспечило повышение стойкости разработанных канавочных резцов в 1,5 раза и снижение ее разбросов на 25 - 30 % по сравнению с аналогами.

6. Разработанные технологические рекомендации по назначению режимов резания для канавочных резцов и определенный критерий их затупления, в качестве которого принята фаска износа их вершин /гзв = 0,5 мм, обеспечили повышение производительности прорезки канавок в закаленных деталях «втулка плунжера» в 5,2 раза при соблюдении технических требований.

7. Результаты диссертационной работы предложены для применения на предприятиях машиностроительного профиля и использования в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

Основные публикации по теме диссертации

1. Инструментальное обеспечение высокоскоростной обработки резанием. Кузин В.В., Федоров С.Ю., Федоров М.Ю. и др. // Вестник машиностроения 2005. № 9. С. 46 - 50.

2. Особенности изнашивания и разрушения керамических режущих пластин. Кузин В.В., Аникин В.Н., Федоров М.Ю. и др. // Вестник машиностроения. 2010. № 11. С. 50-56.

3. Кузин В.В., Федоров С.Ю., Федоров М.Ю. Контактные процессы при резании керамическими инструментами // Вестник МГТУ «Станкин». 2010. №

4. С.85-94.

4. Проблемы широкого использования режущего инструмента из нитридокремниевой керамики в промышленности. Кузин В.В., Попов В.Ф., Федоров М.Ю. и др. // Nove tehnologue-90: Сб. тр. междунар. конф. Сасак. (Yugoslavia): 1990.

5. Кузин В.В., Федоров С.Ю., Федоров М.Ю. Экологические аспекты высокоскоростной лезвийной обработки // Производство, технология, экология - ПРОТЭК-04: Сб. тр. междунар. конф. Т.1. М.: МГТУ «Станкин». 2004. С. 265 -268.

6. Технологические аспекты создания керамических инструментов для высокоскоростного резания. Кузин В.В., Досько С.И., Федоров М.Ю. и др. // Конструкторско-технологическая информатика-2005: Тр. межднар. конгресса. М.: МГТУ «Станкин» . 2005. С. 189 -193.

7. Кузин В.В., Федоров С.Ю., Федоров М.Ю. Создание инструментов с керамическими режущими пластинами расширенной области применения // Инновации в машиностроении. Материалы I Международной научно-практической конференции. Бийск: Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова. 2010. С. 284-286.

8. Wear and Failure of Ceramic Cutting Plates. V.V. Kuzin, V.N. Anikin, M.Y. Fedorov and etc. // Russian Engineering Research, 2010, Vol. 30, No. 11, p. 11161123.

9. Федоров М.Ю. Комплексный подход к внедрению керамических инструментов // Информационная поддержка принятия решений при управлении социальными и природо-производственными объектами: Материалы всероссийской научно-технической конференции. Архангельск: РИО САФУ им. М.В. Ломоносова. 2011.125 - 129 с.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Федоров Михаил Юрьевич

РАЗРАБОТКА КАНАВОЧНЫХ РЕЗЦОВ С РЕЖУЩИМИ ПЛАСТИНАМИ ИЗ НИТРИДНОЙ КЕРАМИКИ ДЛЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Подписано в печать 15.11.11г. Формат 60 х 90 1 /16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 110 экз. Заказ № 203

Отпечатано в Издательском Центре ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» 127944, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д.За Тел. :8(499)973-31-93

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КАНАВОЧНЫХ РЕЗЦОВ С КЕРАМИЧЕСКИМИ ПЛАСТИНАМИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ.

1.1. Выявление особенностей высокопроизводительной эксплуатации канавочных резцов.

1.2. Анализ основных закономерностей износа керамических пластин при* обработке деталей из закаленных сталей.

1.3. Исследование эффективности методов совершенствования резцов с керамическими пластинами.

1.4. Выводы. Постановка цели и задач исследования.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАНАВОЧНЫХ РЕЗЦОВ С КЕРАМИЧЕСКИМИ ПЛАСТИНАМИ" ПРИ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ'.

2.1. Разработка методики исследования эксплуатационных показателей канавочных резцов с керамическими пластинами при обработке деталей из закаленных сталей.

2.2. Исследование стойкости канавочных резцов с керамическими пластинами при обработке деталей из закаленных сталей.

2.3. Исследование характера износа керамических пластин при прорезке канавок в деталях из закаленных сталей.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ В ПЛАСТИНАХ ИЗ; НИТРИД НОЙ КЕРАМИКИ ПОД

ДЕЙСТВИЕМ СИЛОВЫХ И ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК.

3.1. Разработка методики выявления структурных концентраторов напряжений в керамических режущих пластинах.

3.2. Исследование влияния силовых нагрузок на структурные концентраторы напряжений в пластинах из нитридной керамики.

3.3. Исследование влияния тепловых нагрузок на структурные концентраторы напряжений в пластинах из нитридной керамики.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА КАНАВОЧНОГО РЕЗЦА С РЕЖУЩЕЙ ПЛАСТИНОЙ ИЗ НИТРИДНОЙ КЕРАМИКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ

ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ.

4.1. Создание алгоритма проектирования канавочных резцов с керамическими пластинами для обработки деталей из закаленных сталей.

4.2. Разработка канавочных резцов с режущими пластинами из нитридной керамики для обработки деталей из закаленных сталей.

4.3. Исследование эксплуатационных характеристик разработанного резца с режущими пластинами из нитридной керамики при прорезке канавок в деталях из закаленных сталей.

4.4. Выводы.

Развитие промышленного потенциала России неразрывно связано с модернизацией предприятий машиностроительного профиля. Их технологическое перевооружение* предполагает значительное повышение эффективности производства на основе разработки и внедрения современных процессов. За последние десятилетия машиностроительное производство достигло значительного прогресса. Созданные высокоэффективные станочные системы позволяют повысить производительность механической г , обработки за счет высоких и сверхвысоких скоростей резания. Однако практическое использование этого потенциала значительно ограничивается эксплуатационными показателями режущих инструментов.

Новые технологии особенно востребованы для изготовления гидросистем двигателей, в состав которых входят топливные насосы высокого давления. Качество их изготовления во многом определяет экономичность и долговечность двигателей. Наиболее трудоемкой и ответственной операцией при изготовлении топливных насосов высокого давления является прорезка* малоразмерных канавок под уплотнители на втулках плунжеров. В отдельных случаях технологический процесс изготовления этих деталей включает более двадцати операций шлифования канавок в термообработанных заготовках, имеющих предварительно прорезанные канавки. Трудоемкость выполнения этих операций превышает 70% общего машинного времени. Поэтому разработка более производительных методов'прорезки канавок в деталях из закаленных сталей без снижения их качества имеет важное производственное значение.

Одним из вариантовфешения'этой задачи является применение резцов, оснащенных керамическими режущими пластинами, так как эти инструменты способны многократно* увеличить производительность чистовых операций обработки закаленных сталей. Как правило, эти операции характеризуются достаточно- простой схемой нагружения контактных площадок инструментов: При прорезке канавок генерируется сложный комплекс внешних нагрузок, который формирует в керамических пластинах неблагоприятное напряженно-деформированное состояние. Под действием этих напряжений резко увеличивается вероятность зарождения; эксплуатационных дефектов- роста", трещин, износа режущих пластин: и внезапных отказов ¿канавочных резцов: Это обстоятельство сдерживает широкое применение такого инструмента в условиях, высокого: уровням производственных требований.

В связи с этим, разработка; канавочных резцов с керамическими режущими1 пластинами для'; обработки; деталей из закаленных, сталей, способных . обеспечить замену операции шлифования на точение с многократным повышением производительности^ является актуальной, научно-технической задачей:

Целью работы является- разработка канавочных резцов с режущими; пластинами; из нитридной керамики, обеспечивающих повышение производительности обработки деталей из закаленных сталей, на основе целевого выбора геометрии резцов- состава керамики; состава и толщины покрытия.,

Научная новизна работы состоит в:

• в установленной взаимосвязи режимов прорезки канавок, силовых и тепловых нагрузок, геометрических параметров пластин, формы; и свойств, структурных элементов керамики, состава и толщины покрытия, твердости и свойств закаленных сталей со стойкостью канавочных, резцов, интенсивностью структурных концентраторов напряжений в режущих пластинах и характером их износа;

• в построенной модели износа керамических режущих пластин при прорезке канавок в деталях из закаленных сталей, связавшей в единый процесс этапы формирования структурных концентраторов напряжений^ появления и накопления поврежденностей, роста трещин., разрушения поверхностного слоя керамики и образования очага?износа;

• в созданном алгоритме проектирования канавочных резцов, основанном на снижении интенсивности структурных концентраторов напряжений в режущей пластине за счет целевого выбора геометрии резцов, структурных элементовкерамики, состава и толщины покрытия.

Практическая ценность работы заключается в:

• методике выявления структурных концентраторов напряжений в керамических режущих пластинах для их последующего проектирования;

• оригинальной конструкции канавочного резца с режущей' пластиной'-из нитридной' керамики, предназначенного для прорезки канавок в деталях из закаленных сталей;

• технологических рекомендациях по назначению режимов-резания; для« разработанных канавочных резцов.

Основные положения и результаты диссертационной* работы докладывались и обсуждались на всероссийских, международных и республиканских научно-технических конференциях: «Машиностроение — традиции и инновации - МТИ-2010, МТИ-2011» (Москва, 2010,2011), «Инновации в машиностроении» (Бийск, 2010) и. «Информационная поддержка, принятия» решений при управлении социальными и. природо-производственными объектами» (Архангельск, 2011). Разработанные канавочные резцы с режущими пластинами из нитридной керамики награждены бронзовой медалью на Международной выставке изобретателей (Китай, 2004).

В полном» объеме диссертация заслушана« и. одобрена на совместном заседании кафедр «Технологическое проектирование», «Высокоэффективные технологии обработки» и «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН». По результатам исследований! опубликовано 9 работ, в том числе три статьи в журналах, входящих в перечень ВАК. Отдельные разделы диссертации используются в учебном процессе МГТУ «СТАНКИН» при выполнении практических, курсовых и дипломных проектов.