автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка режущего инструмента из алюминиевых сплавов с микродуговым оксидированием поверхностного слоя

На правах рукописи

ШИРОКОВ ЛЕОНИД ИГОРЕВИЧ

РАЗРАБОТКА РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С МИКРОДУГОВЫМ ОКСИДИРОВАНИЕМ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени канди дата технических наук

ПЕНЗА 1997

О

со

£

I

I

Работа выполнена в Пензенском государственном техническом университете.

Научные руководители

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

- заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

В.Д.Дорофеев

- доктор технических наук, профессор Э.С.Атрощенко

- доктор технических наук,

Ю.А.Пахалин

- кандидат технических наук, доцент А.В.Бычкова

АО "Автомедтехника" г.Пенза

Защита диссертации состоится "2£" и/цэи-Я 1997г., ]

-/З^часов на заседании диссертационного совета К 063.18.02 ] Пензенском государственном техническом университете по адресу 440017 г. Пенза ул.Красная 40.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Пензенского госу дарственного технического университета.

Автореферат разослан " 23 " _ 1997 года.

Ученый секретарь--___

диссертационного совета 'о^г^- В.О.Соколов

к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Перспектива развития металлообраба-шающего производства показывает, что обработка резанием оста-ся наиболее предпочтительной для окончательного формирования змеров деталей, несмотря на значительный прогресс в развитии ких альтернативных методов как точное литьё, штамповка , элек-офизическая обработка и т.п. Такая тенденция обусловлена воз-стающими требованиями к точности размеров и качеству обрабо-нных деталей, что, в свою очередь, предопределяет совершенство-ние технологии обработки резанием и прежде всего в направлении ижения величины удаляемого припуска и интенсификации скорости зания.

Вместе с этим, современное экономическое состояние промьшшен->сти требует использования новых материалов деталей и режущих [струментов с определенными свойствами, малой материалоемкости не требующих больших материальных затрат на производство. В качестве режущего инструмента, алюминий практически никогда использовался. Однако появление упрочняющих покрытий де-ет реальной такую возможность.

Данное исследование посвящено разрешению противоречий меж-потребностыо производства в новых режущих инструментах и »актическим отсутствием исследований по применению алюминия качестве режущего инструмента.

Цель исследования. Целью диссертационной работы является раз-ботка технологии изготовления принципиально нового режущего [струмента из алюминиевых сплавов с анодным оксидным покры-;ем.

Длл достижения указанной цели были выявлены характер и степь влияния, на различные алюминиевые сплавы, анодного оксидно покрытия (АОП), а также зависимость стойкостных характери-ик инструмента от параметров АОП. Это позволило создать предавшей для решения оптимизационной задачи выбора характсристи-[ АОП и назначения режимов резания в зависимости от условий сплуатации инструмента.

Методика исследований. Основные результаты работы получсш путем экспериментальных и теоретических исследований, базирую щихся на основных положениях теории резания материалов и теори упругости. Исследования проводили с помощью специально спро ектированного привода и с использованием современной кон трольно-измерительной аппаратуры. Статистическая обработка ре зультатов проводилась при помощи методов регрессионного анализ на ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1.Впервые предложено применение процесса микродугового окси дарования алюминиевых сплавов для изготовления одноразовог медицинского режущего инструмента.

¿.Установлена зависимость между факторами нанесения покрыта (плотностью тока, временем, концентрацией раствора электролита и параметрами структуры получаемого покрытия (толщиной, порж тостью, микротвердостью).

З.Разработана математическая модель процесса резания инструмен том состоящим из алюминиевого сплава с нанесенным на него пс крытием из оксида алюминия, позволяющая производить назначени рационального режима резания и прогнозировать работоспособное инструмента.

4.Выявлены закономерности между стойкостью и работоспосоЕ ностью инструмента в зависимости от параметров МДО (толщинь пористости, микротвердости) и режущими свойствами инструмента.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана конструкция и технология получения одноразовог инструмента используемого в медицине (в стоматологии), с низко себестоимостью и возможностью массового производства.

2. Проведенная рейтинговая оценка показала экономическую цел< сообразность применения данного инструмента, по сравнению с с] шествующими на сегодняшний день.

3. По результатам экспериментальных исследований разработан: рекомендации для практического использования созданного инстр; мента.

4. На разработанный инструмент получено решение о выдаче п; тента РФ.

К защите представляются:

- разработанная технология изготовления нового режущего ин-грумеита из алюминиевого сплава с АОП;

- оптимизация процесса МДО для получения инструмента с задан-ыми параметрами покрытия;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований аботоспособности разработанного инструмента;

- технологические рекомендации по условиям его эксплуатации.

Апробация разработанного инструмента прошла в стоматологиче-

ких поликлиниках г. Пензы. Основные теоретические положения и кепериментальные данные исследования освещались в докладах и езисах на научно-практических конференциях и семинарах в Пензен-ком государственном техническом университете (ПГТУ) и Приволж-ком Доме знаний.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные рабо-ы и получено решение о выдаче патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, яти глав, общих выводов, библиографического списка из 90 источни-ов и приложения, изложена на 144 страницах машинописного текс-а, содержит 36 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дается ее общая арактеристика, показана ее направленность и научная новизна.

В первой главе проведен анализ современного состояния вопроса, формулированы цель и задачи исследований.

Основным показателем работоспособности режущего инструмента вляется стойкость. Для ее повышения в последние годы были разра-отаны самые различные способы увеличения срока службы инстру-ента: химико-термические; газотермические; лазсрные;вакуумно-лазменные и так далее.

В настоящее время, в качестве материала для изготовления режу щего инструмента, совершенно не используется такой металл ка: алюминий и сплавы на его основе. Это объясняется прежде всего низ кими механическими свойствами этих материалов, хотя по некотс рым требованиям, предъявляемым к режущим инструментам, он) подходят как нельзя лучше (имеют небольшую плотность, химиче ски инертны, достаточно технологичны и другие).

В Пензенском государственном техническом университете на ка федре " Технологии металлов и металловедения" нашел практическо применение метод микродугового оксидирования для упрочнени деталей из алюминиевых сплавов.

Применение метода микродугового оксидирования позволяет пс лучить на алюминиевом сплаве высокопрочное и одновременно твер дое покрытие, позволяющее использовать алюминиевые сплавы ка инструментальный материал, например в медицине, для изготовлс ния одноразового стоматологического инструмента. Это весьма аъ туально, так как применяемые в настоящее время инструменты и нержавеющей стали, твердых сплавов, алмаза не могут быть исполь зованы как одноразовый в силу своей дороговизны.

Исходя из вышеизложенного, были определены основные задач диссертационной работы:

- получение экологически чистого и сравнительно дешевого реж) щего инструмента;

- выбор параметров процесса микродугового оксидировани (МДО) с целью получения заданных свойств покрытия;

- исследование комплексных показателей работоспособности иг струмента;

- разработка модели для оценки прочностных свойств инструме!

та;

- проведение производственных испытаний и разработка рекоме! даций для промышленного использования разработанного инстрз мента.

_Следует отмстить, что проводимые исследования явились начало

работ по разработке и внедрению технологии изготовления и услови эксплуатации инструмента, изготовленного из сплавов алюминия.

¡торая глава посвящена исследованшо особенностей анодирования зоминиевых сплавов.

Особенность анодирования алюминия состоит в том, что аноди->вание является процессом преобразования (конверсионным процес-м), в результате которого внешний вид покрытия и другие его ха-ктеристики находятся в прямой зависимости от состава сплава и стояния его поверхности.

Практика показывает, что при соответствующем выборе элек-юлита и электрохимических параметров анодно-искрового покры-[Я (АИП), можно получить покрытая, обладающие высокой твер-(стыо, износостойкостью и весьма прочным сцеплением с основой.

Определение износостойкое! и покрытия на машине трения, вос-юизводящей схему диск-пальчик позволило констатировать, что генки полученные методом микродугового оксидирования, обла-нот износостойкостью сравнимой с материалами на основе карбида »льфрама и диффузионных боридных покрытий. В связи с этим бы> высказано предположение о возможности их использования в лсстве покрытия на режущих инструментах.

ггановлено, что износостойкость (у) связана с глубиной изнашие-эго слоя (Д5) соотношением ^у=а-Ь^(Д5), где а и Ь - численные ко-эфициенты, значения которых зависят от начальной плотости >ка и соотношения плотностей анодного и катодного токов. В процессе микродугового оксидирования происходит непрерывное )разование плешей. Диаметр пор и толщина барьерного слоя прямо юпорциональны величине подаваемого электрического напряже-1Я. Изменение режима анодирования позволяет изменять такие фи-гческие свойства покрытия, как плотность, твердость, износостой->сть.

Исследования анодного покрытия на различных алюминиевых главах, позволили выяснить, что наиболее пригодными сплавами "твердому" анодированию (то есть получение оксидного покрытия 1ыше 50 мкм) являются сплавы марки АМг. (табл.1.). Они облада-т также более высокими механическими свойствами, по сравнению другими алюминиевыми сплавами.

Таблица 1

Оценка пригодности покрытия на деформируемых алюминиевых сплавах.

Пригодность к анодированию

Тип Защитному Цветному Блестящему Твердому (пленка толщиной 50 мкм)

Д16 Г НО) и в

АМц G в Р-Я й

АММ Е р Е Е

АМг2 V V Е

АМгЗ V V в Е

АМг4 V V в Е

Е-отлично; V-очень хорошо; в-хорошо; Р-удовлетворительно; Р-плохо; и-неприемлимо.

Таким образом, проведенные исследования позволили создат предпосылку для получения инструмента из сплавов алюминия с за данными механическими свойствами анодного оксидного покрыти (АОГТ).

В третьей главе проведено теоретическое исследование напр? женного состояния в режущей части инструмента из алюмшшевог сплава с АОП.

Теоретические расчеты основываются на уравнениях теории упр) гости, которые позволяют определить напряженное состояние в лк бой точке тела. Рассматривается задача плоскоупругого напряженног состояния. Подобная задача решается с помощью восьми дифферег циальных уравнений в частных производных.

Исходя из условий работы выяснено, что расчетным случаем мс жет быть случай, когда сила Р перпендикулярна оси X. (рис. 1.)

Рис. 1. Схема нагружения и эпюры двуслойного клина.

Исследовали напряженное состояние в клине, выполненном двуслойным (рис.1.): наружный гонкий слой упрочненного материала (АЛ2О3) и внутренний - сплав алюминия.

Полученные графические зависимости представлены на рисун- ке 2. В качестве критерия допустимых напряжений использовался критерий Губера-Мизесса-Генки.___

апр =1/У1^а1-а2)2+(а2-сгз)2+(с7з-а1)2 Кривая ОА показывает изменение напряжений в наружном слое (АЬОз), а кривая О1А1 - во внутреннем (сплаве алюминия).

Таким образом, проведенные исследования с позиции теории упругости, показали, что напряжения возникающие на поверхности контакта инструмента с обратываемым материалом и в толще пленки, ик превышают предельных значений разрушающих нагрузок для двуслойного материала.

В четвертой главе изложена методика и технические условия проведения экспериментальных исследований и приведены результаты лабораторных испытаний разработанного инструмента.

Испытания проводили на специально разработанной установке. В качестве обрабатываемого материала был выбран зубной цемент "Силицин-2", как один из наиболее распространенных и наиболее близких по твердости материалов к зубной эмали. Твердость образцов составляла НВ 80 - 85. Размеры принятых образцов - 10x10x40мм.

Исследуемым инструментом являлась дисковая фреза специальной конструкции из сплава АМгЗ с АОП. Выбор данного материала был обусловлен его исходными механическими свойствами. Покрытие, образующееся на этом материале, имеет более высокую твердость и меньшую пористость, по сравнению с другими алюминиевыми сплавами. Габаритные размеры инструмента определены по аналогии с абразивнымикругами типа ПВ 16x2x2 54С 16П С1 6 К ГОСТ 2424-83. Режущий профишГзубъев—сформирован^етодом^шастического деформирования (накаткой). ~ В качестве оценочных параметров работоспособности инструмента были приняты:

М

х

,0А

'ая,

300 6С0 доо ¡200 /500 то

а)

: Тху. ■ /о5/7а

¿00 600 Ш <200 ШО1800 б)

300 600 доо то 1500 /ёОО

В)

X, икн

о

Рис. 2. Графическое изображение изменения напряжений: а) стх, б) ау, в) хху.

- стойкость инструмента - Т, мин;

- объём удаляемого материала за период стойкости- <3м, см ;

- износ инструмента за период стойкости - а(И , мм.

Экспериментальное исследование проводилось в три этапа. Первьн

этап позволил выяснигь влияние раствора электролита (кислотноп или щелочного) на рост толщины покрытия. Было выяснено, что пр] использовании щелочного раствора электролита толщина покрыта; примерно в два раза выше, чем при использовании кислотного.

На втором этапе проводили исследования влияния факторов фор мирования покрытия (времени, плотности тока, концентрации ще лочного раствора электролита) на параметры покрытия (толщина пористость, микротвердость), а также на работоспособность инстру мента. Все эксперименты проводились в следующем интервале ре жимов резания: У = 250-1000 м/мин; Б = 50-300 мм/мин; I = 0,1-0,3 мм,

На третьем этапе проводили стойкосгные испытания инструмен та, оптимального по результатам предыдущих двух этапов ха рактеристик. Таким является инструмент со следующими пара метрами АОП: толщина покрытия 90-120 мкм, пористость 5-10% микротвердость 2500 НУ, которые были получены при плотноси тока 23 А/дм2 , времени нанесения покрытия 20 мин,и концентращи щелочного раствора КОН 6 г/л. Стойкость такого инструмента со ставляет порядка 3-4 минут.

По полученным результатам были построены графики зависимо стей, увязывающие факторы процесса резания с параметрами рабо тоспособности инструмента. Отдельные результаты приведены на ри сунках 3 и 4.

В пятой главе представлены математические модели процесса рсза ния и произведен расчет конкурентоспособности разработанного ин струмента.

Анализ полученных экспериментальных данных проводился пр: помощи специальнойпрограммы, предназначенной для проведения н ЭВМ последовательного рырессиошюго—анализа—статастически данных с целью построения регрессии заданного вида и статистиче ского анализа полученного уравнения. На основании данной прс

>аммы исследовалась форма связи между поверхностью отклика с 1Мой стороны и факторами характеристики инструмента и режимами ;зания с другой в виде параболической и степенной регрессии. Рас-яг коэффициентов регрессии производился методом наименьших задратов.

Табл.2. Примеры математических моделей процесса резания.

Математическая модель процесса резания Оценка адекватности модели

КМК Р-отношен.

Д=-5,71+9,82*К+0,09К* 0,995 43,2

Д =4,79М °'74 0,998 14,15

т=з,з*кг? 0,991 31,67

Т=3,32-12,584+11,6Ч2 0,995 21,32

0т=0,55-(2,65*103)*3+

=+(4,7*106)*82 0,999 13,1

0т=0,4*к173 0,994 33,2

з большого количества полученных моделей было выбрано по одной

ш каждой комбинации "возмущающий фактор-отклик", отли-

иощейся наибольшей адекватностью. В качестве оценки адекват-зсти модели были приняты коэффициент множественной коррелята (КМК) и Б-отношение. В табл.2, приведены примеры полученных эделей.

Большинство полученных моделей соответствует 5%-ному довери-лыюму интервалу, что говорит о достаточном точном отражении »стояния процесса резания. Разработанные математические модели ззволили создать предпосылки для решения оптимизационной зада-1 выбора параметров упрочненного слоя и назначения режимов :зания, обеспечивающих максимальную стойкость инструмента.

ИМ

2500

гш

1500

%

лоа.

50 10 до ¿0 <0

А.МКМ

т

1С0 60 &о

АО 20

2 4 6 & 10 И. г/л

5 Н ■17 23 23 П, А/3»

0 Ю 20 30 40 Т, мин

Рис. 3. Зависимость принятых параметров процесса МДО от факторов-процессалюлучения АОП: концентрация раствора электролита - А - 1; плотность тока - * - 2; времени - о - 3.

\ з

г

г50 €2 5 1000

50 115 ЗОО 3.

о.А

0,2

02

£ , МУ!

Рис. 4. Зависимость принятых параметров процесса резания от факторов режима обработки: скорости - о - 1; подачи - * - 2; глубины резания - А - 3.

По результатам экспериментальных исследований была определен; конкурентоспособность разработанного одноразового инструмента Расчеты показали, что конкурентоспособность инструмента и: алюминиевого сплава АМгЗ с анодно-оксидным покрытием составля ет 0,63, тогда как у твердого сплава 0,18, а у алмаза 0,25.

Проведенное теоретическое изучение проблемы и опытно экспериментальная работа позволили сформулировать слсдующи* выводы:

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлена возможность получения, методом микродуговоп оксидирования, покрытия на алюминиевом сплаве АМгЗ толщино] 90-120 мкм и микротвердостью 1800-2500 НУ . Механически свойства полученного материала позволяют осуществлять процес резания, и таким образом, становится возможным применить его : качестве инструментального материала (например в медицине, в сто матологии).

2. Теоретическими исследованиями напряженного состояния в то« ке режущей кромки, с позиции теории упругости, установлено, чг напряжения, возникающие на поверхности контакта инструмента обрабатываемыым материалов и в толще упрочненного слоя, не прс вышают предельных значений разрушающих нагрузок дая подобног материала.

3. Установлены основные параметры микродугового оксидирова ния (плотность тока, время нанесения покрытия, концентрация ра< твора электролита) и их влияние на толщину, пористость и миь ротвердость, позволяющее управлять структурой покрытия и прс гнозировать его свойства. Выявлена возможность получения пс крытия с задашшмистойкостнымк свойствами.

4.Выявлены основные зависимости стойкости инструмента от тс? нологических параметров резания: скорости резания (250-100 м/мин), подачи (50-300 мм/мин), глубины резания (0,1-0,3 мм). ; исследуемом диапазоне увеличение скорости повышает стойкост инструмента, а увеличение подачи и глубины снижает её.

5. Установлена связь между структурой инструмента и его реющими свойствами. Инструмент с толщиной покрытия 90-120 мкм пористостью 10-15% обладает наибольшей стойкостью.

6. Разработаны возможные варианты конструктивного исполне-гя инструмента из сплава АМгЗ с анодным оксидным покрытием мсуриый зубной бор, дисковая фреза, сборный инструмент - фре-). Новизна подтверждена свидетельством о выдаче патента РФ.

7. Обоснована экономическая и технологическая целесообразность готовления одноразового стоматологического инструмента. Про-веденый расчет конкурентоспособности, на основе экспертных оце->к показал, что разработанный инструмент, при использовании его качестве одноразового, имеет рейтинговую оценку 0,63, что в 2-3,5 1за выше, чем у инструмента из твердого сплава (0,18) и алмаза ,25).

олучены акты об испытании и применении разработанного ин-румента.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Дорофеев В.Д., Атрогценко Э.С., Зубков А.Б., Широков JI.И. тгимизация условий упрочнения и эксплутационных возможностей 1струмента из алюминиевых сплавов с анодным покрытием. 1роблемы управления точностью автоматизированных производ-венных систем: Сбор.статей/ Междунар. науч.-техн. конфер. Пенза. -26 июня 1996г.-Пенза: Изд-во ПДЗ, 1996. - с.206-208.

2. Дорофеев В.Д., Атрощенко Э.С., Зубков А.Б., Широков Л.И. сследование возможности создания одноразового инструмента из томиниевых сплавов с анодным покрытием доя стоматологии. Сборник ПГТУ. - Пенза, (в печати)

3. Зубков А.Б., Широков Л.И. Исследование возможности приме-:ния алюминиевых сплавов с анодным покрытием для изготовления цюразового стоматологического инструмента. //Совре-менные тех->логии в машиностроении: Матер, конфер ./Науч.-техн. конфер. енза. Январь 1996 г. - Пенза: Изд-во ПДЗ, 1996. - с.90-93.

4. Широков Л.И. Одноразовый стоматологический инструменп ЦНТИ, Инф.листок N149-96. - Пенза: Изд-во Пенз. ЦНТИ, 1996.

5. Решение о выдаче патента РФ N95104455/02 "Режущий инстр) мент".авторы: Дорофеев В.Д., Атрощенко Э.С., Зубков A.B., Широко Л.К., - i996j.