автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка способов повышения работоспособности режущего инструмента на основе анализа механизмов его микро- и субмикроразрушения

<5. Ц съ

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации Московский Государственный технологический

На правах рукописи УДК 621.9.02:669.018.25

Разработка способов повышения работоспособности

режущего инструмента на основе анализа механизмов его микро- и субмикроразрушения

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической

обработки, станки и инструмент

диссертация

на соискание учёной степени доктора технических наук

доктор технических наук профессор А.С.Верещака

лауреат Государственной премии СССР,

Научный консультант:

\

/

/

Москва-1998

Содержание

стр.

Введение 7

1 Современные теории изнашивания и пути повышения работоспособности металлорежущего инструмента 13

1.1 Механизмы изнашивания 13

2.1.1 Инструмент и обрабатываемые материалы

2.3 Субструктурные трансформации и износостойкость инструмента

26

1.2 Структурно-энергетические и термодинамические теории изнашивания

1.3 Современные технологические методы повышения работоспособности режущего инструмента 31

1.4 Цели и задачи исследования 4 6

2 Разработка физической модели изнашивания инструмента из

быстрорежущей стали при резании металлов 5 О

2.1 Методическое обеспечение исследований 50

50

2.1.2 Методы металлографического и элек-тронномикроскопического анализа 51

2.1.3 Рентгеноструктурный анализ 5 6

2.1.4 Статистическая обработка результатов 'экспериментов

2.2 Динамическая эволюция субструктуры в контактных слоях инструмента в процессе изнашивания

2.2.1 Рентгеноструктурный анализ параметров субструктуры инструмента. 62

2.2.2 Электронномикроскопические исследования контактной зоны инструмента.

2.2.3 Анализ изменений в карбидной фазе инструментального материала при резании.

58

59

78

96 104

2.3.1 Сдвиговая устойчивость контактных слоёв 104

2.3.2 Изменение уровня внутренней энергии

деформации в режущем клине инструмента при резании. 107

2.4 Влияние внешней среды на эволюцию субструктуры и износостойкость инструмента. 112

2.4.1 Оборудование и материалы для исследований. 112

2.4.2 Изучение трибоокислительных процессов в контактных слоях инструмента. 115

2.4.3 Влияние внешней среды на эволюцию субструктуры в инструменте при резании 121

2.4.4 Влияние внешней среды на износостойкость инструмента. 127

2.5 Развитие процессов упрочнения-разупрочнения

в контактной зоне инструмента. 130

2.6 Выводы по второй главе 13 4

3.3.3 Исследование характера разрушения структурных связей

138

3 Исследование природы изнашивания твёрдосплавного инструмента при резании металлов

3.1 Методики экспериментальных исследований 138

3.1.1 Подготовка режущего инструмента 138

3.1.2 Стойкостные испытания 13 9

3.1.3 Электронномикроскопический и рентге-ноструктурный анализ 141

3.1.4 Стереологический анализ 14 4

3.2 Влияние скорости резания на стойкость инструмента и температуру контакта

3.3 Исследование характера разрушения структурных составляющих твёрдосплавного инструментального материала

151

158

3.3.1 Исследование характера разрушения зёрен карбидных фаз 158

3.3.2 Исследование характера разрушения кобальтовой связки 165

3.4 Эволюция тонкой кристаллической субструкту-

ры инструмента в процессе изнашивания 17 8

3.4.1 Рентгеноструктурные исследования субструктуры контактных слоев инструмента 17 9

3.4.2 Электронномикроскопическое исследование качественного состояния субструктуры 186

3.4.3 Исследование диффузионных процессов

на поверхностях контакта 195

3.4.4 Определение размера продуктов износа инструмента 199

3.5 Физическая модель изнашивания твердосплавного режущего инструмента в широком диапазоне скоростей резания 20 6

3.6 Выводы по третьей главе 213

4 Исследование физико-химической природы изнашивания режущего инструмента с предварительным упрочнением при резании металлов

216

.1 Износостойкость инструмента из быстрорежущей стали с предварительным упрочнением 216

4.1.1 Влияние методов предварительного упрочнения на работоспособность режущего инструмента 216

4.1.2 Изучение интенсивности изнашивания упрочнённого инструмента в течение периода стойкости 219

4.1.3 Влияние инструментальной основы на износостойкость упрочнённого инструмента

222

227

4.2 Структурные трансформации в контактных слоях быстрорежущего инструмента с предварительным упрочнением в процессе резания

4.2.1 Рентгеноструктурные исследования состояния контактных слоёв инструмента за период стойкости 227

4.2.2 Электронномикроскопические исследования эволюции субструктуры контактных поверхностей инструмента в процессе ре-

зания 2 47

4.2.3 Трибоокислительные процессы в инструменте при резании 25 6

4.3 Влияние внешней среды на работоспособность упрочнённого быстрорежущего инструмента при резании металлов 262

4.3.1 Роль процессов трибоокисления в изнашивании упрочнённого инструмента 262

4.3.2 Эффективность СОТС при резании упрочнённым инструментом 2 65

4.4 Механизм влияния методов предварительного упрочнения на работоспособность быстрорежущего инструмента при резании 2,69

4.5 Повышение износостойкости твёрдосплавного режущего инструмента направленным воздействием на структуру его рабочих поверхностей 27 4

4.5.1 Предварительное упрочнение низкоскоростного режущего инструмента 27 6

4.5.2 Предварительное упрочнение высокоскоростного режущего инструмента 278

4.5.3 Испытания режущего инструмента с предварительным упрочнением 280

4.6 Выводы по четвёртой главе 28 6

5 Пути повышения работоспособности металлорежущего инструмента 28 9

5.1 Упрочнение режущего инструмента путём предварительного поверхностного насыщения кислородом

5.1.2 Способ обработки твёрдосплавных и быстрорежущих инструментов в коронном разряде

5.1.3 Способ получения износостойкого покрытия из окиси алюминия

289

5.1.1 Способ термического окисления инструмента из быстрорежущей стали 2 90

296 298

5.2 Повышение работоспособности упрочнённого

режущего инструмента 2 99

5.2.1 Способ очистки рабочих поверхностей 300

5.2.2 Комбинированный способ упрочнения режущего инструмента 303

5.2.3 Способ упрочнения инструмента с покрытием в коронном разряде 304

5.2.4 Комбинированная упрочняющая обработка режущего инструмента 30 6

5.2.5 Способ нанесения многослойного покрытия 309

5.3 Повышение эффективности СОТС зю

5.4 Выводы по пятой главе 320

Заключение и общие выводы Список использованных источников

323 329

Приложение

Введение

В современных условиях развития рыночной экономики важнейшими факторами успешной деятельности предприятий является увеличение производительности и снижение себестоимости выпускаемой продукции. В машиностроительных отраслях промышленности эти факторы неразрывно связаны с интенсификацией механической обработки, которая, в свою очередь, во многом определяется работоспособностью режущего инструмента. Таким образом, повышение ресурса работы инструмента является необходимым условием функционирования современного машиностроительного предприятия.

В настоящее время изыскание путей повышения работоспособности рабочей части режущего инструмента ведётся по четырём основным направлениям: разработка новых и рациональное использование известных марок инструментальных материалов; оптимизация геометрических параметров и режимов эксплуатации режущего инструмента; синтезирование эффективных составов смазоч-но-охлаждающих технологических сред (СОТС) и способы их подачи в зону резания; модифицирование рабочих поверхностей инструмента методами предварительного упрочнения (ПУ) . Наибольший эффект достигается при совместном использовании различных направлений повышения работоспособности режущего инструмента.

В современном машиностроении существует большое количество методов модифицирования поверхностей инструмента, с целью увеличения его износостойкости. Однако, все они не являются универсальными и раскрывают

свои потенциальные возможности лишь в конкретных, иногда очень узких, условиях резания. Это связано с тем, что износ представляет сложный комплекс нескольких одновременно действующих механизмов разрушения, соотношение которых зависит от условий контактного взаимодействия между инструментальным и обрабатываемым материалами.

Развитие теоретических и экспериментальных исследований явлений и закономерностей изнашивания рабочих поверхностей режущего инструмента позволит сформулировать научный подход к управлению процессами трения и изнашивания и решить ряд практических задач, связанных с повышением работоспособности рабочей части инструмента.

В последние годы в науке о резании сложилось обоснованное представление о том, что износ следует рассматривать как конечный результат, которому предшествуют структурные изменения в поверхностных и подповерхностных слоях рабочей части инструмента на микро-и субмикромасштабном уровне, вызванные протеканием в зоне трения интенсивных физико-химических процессов. Поэтому изучение структурных превращений в инструменте при резании, их связь с интенсивностью его изнашивания, влияния на них различных факторов (в т.ч. внешней среды) позволит изыскать эффективные способы повышения его работоспособности и является актуальной научной проблемой.

Актуальность работы подтверждена также её выполнением в рамках Государственной научно-технической про-

граммы «Технологии, машины и производства будущего» (проект 06.01.05) и межвузовской научно-технической программы «Технология и оборудование для комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки изделий машиностроения» (приказ Минвуза № 537 от 2 6.02.98).

Работа выполнена на кафедре «Технологии формообразующей обработки» Московского Государственного Технологического Университета «Станкин».

Цель работы

Разработка способов повышения работоспособности режущего инструмента на основе установления закономерностей связи физико-химических явлений, протекающих в контактных слоях инструмента на микро- и суб-микромасштабном уровне в процессе резания, с интенсивностью его изнашивания в широком диапазоне условий резания.

Методы исследования

Работа выполнена на основе фундаментальных положений теории резания металлов и физики твёрдого тела с применением статистических методов планирования экспериментов и математической обработки экспериментальных данных. Изучение изменений состояния рабочих поверхностей инструмента в процессе его изнашивания осуществлялось на основе современных методов микро-рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализа, электронной микроскопии, Оже-спектроскопии. Проводился компьютерный корреляционный анализ полученных экс-

периментальных данных. Достоверность теоретических положений работы и результатов экспериментальных исследований подтверждена внедрением её результатов в производство.

Научная новизна состоит в:

• выявлении физической закономерности связи эволюции структуры на микро- и субмикромасштабном уровне в контактных слоях инструментального материала с интенсивностью изнашивания инструмента при резании;

• раскрытии роли трибоокислительных процессов, протекающих в рабочей части быстрорежущего инструмента при резании, в его изнашивании в широком диапазоне режимов обработки;

• выявлении механизма изнашивания твёрдосплавного режущего инструмента, учитывающего изменения субструктуры кобальтовой фазы и зависящего от скорости резания;

• установлении механизма влияния методов предварительного упрочнения на работоспособность инструмента при резании, заключающегося в целенаправленном воздействии на структуру его контактных слоев на микро- и субмикромасштабном уровне;

Практическая ценность и использование результатов

На основе разработанных научно обоснованных принципов управления работоспособностью металлорежущего инструмента предложены новые составы СОТС (а.с. № 1122689; а.с. № 1190634; а.с. № 1195647), усовершенствована технология нанесения покрытий методом КИБ (а.с. № 1469905), разработано 9 способов предварительного упрочнения режущего инструмента.

Разработанные способы и рекомендации, направленные на повышение стойкости, реализуются при эксплуатации основной номенклатуры инструментов. Это позволило внедрить результаты исследований на предприятиях различных отраслей промышленности: концерне «Подольск» (бывшее ПО «Подольскшвеймаш»), Ивановском АО «Автокран», АО «Точприбор», шуйском машиностроительном заводе им. Фрунзе а также п/я № Г-4184 с общим экономическим эффектом более 500 тыс.руб. (в ценах 19851988 гг.) и 10,4 млн.руб. (в ценах 1997 г.).

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 17 международных, всесоюзных и всероссийских симпозиумах, конференциях и семинарах.

По материалам диссертации опубликовано 4 9 печатных работ, из которых 13 авторских свидетельств СССР и патентов Российской Федерации.

Автор благодарит за оказанную помощь при работе над диссертацией проф. А.С.Верещаку, проф. М.С.Бек-кер, а также Е.В.Егорычеву, А.В.Никонорова и A.B.Старикова.

На защиту выносятся:

• закономерности связи эволюции структуры контактных слоев инструментального материала на микро- и суб-микроуровне с интенсивностью их изнашивания и работоспособностью инструмента для широкого диапазона изменения условий непрерывного резания;

• методы повышения работоспособности режущего инструмента, разработанные с использованием закономерностей связи эволюции структуры контактных слоёв инструментального материала с интенсивностью их изнашивания;

• механизм изнашивания инструмента из быстрорежущей стали, учитывающий роль трибоокислительных процессов в его контактных слоях при резании;

• механизм изнашивания инструмента из твёрдого сплава, учитывающий трансформацию субструктуры кобальтовой связки для широкого скоростного диапазона, позволяющий установить методы повышения работоспособности твердосплавного инструмента.

Глава 1. Современные теории изнашивания и разрушения режущего инструмента

1.1 Механизмы изнашивания

Явления, протекающие в зоне контакта инструментального и обрабатываемого материалов в процессе резания, характеризуются исключительным разнообразием и сложностью. Исследованием характера контактного взаимодействия, механизмов изнашивания и разрушения режущего инструмента посвящено большое число работ, как российских, так и зарубежных учёных: А.А.Авакова, М.С.Беккер, А. С.Верещака, Ю.Н.Внукова, Г.И.Грановского, Д.М. Гуревича, A.M.Даниеляна, Н.Н.Зорева,

A.И.Исаева, Ю.Г.Кабалдина, М.И.Клушина, JI.С.Кремнёва, Д.Н.Клауча, В.Н.Латышева, Т.Н.Лоладзе, А.Д.Макарова,

B.А.Остафьева, В.Н.Подураева, А.Н.Резникова, С.С.Силина, В.К.Старкова, В.А.Синопальникова, Ф.Я.Якубова, Г.Опитца, В.М.Трента и др. Результаты этих исследований внесли большой вклад в решение проблемы изнашивания режущего инструмента и повышение его работоспособности.

Анализ литературных данных показал, что большинство авторов сходятся во мнении о существовании различных видов изнашивания.

Одной из наиболее распространённых классификаций является следующая [120, 190]:

• адгезионный (адгезионно-усталостный) износ [57, 64, 72, 119];

•диффузионный [17, 119, 120, 186, 190];

• абразивный (абразивно-химический) [120, 190];

• окислительный [15, 17, 68, 70];

• пластическое разрушение режущего клина инструмента [25, 96, 105, 120, 190] .

Теория адгезионного и адгезионно-усталостного износа разрабатывалась в трудах Е.Н.Лоладзе, Н.Н.Зорева, Г.В.Бокучавы, Д.М.Гуревича и др. Под адгезионным износом понимается отрыв силами адгезии мельчайших частиц инструментального материала в процессе трения с обрабатываемым материалом [11, 119].

При резании происходит непрерывный процесс образования-разрушения узлов схватывания, в результате чего отдельные частицы материалов отрываются от контактных поверхностей. Обычно этот отрыв наблюдается больше со стороны обрабатываемого материала, но одновременно имеет место и отрыв частиц инструментального материала. Интенсивность адгезионного отрыва зависит от свойств контактирующих материалов и условий обработки: скорости и температуры резания, отношения прочности инструмента к прочности обрабатываемого материала [64, 72, 120].

Усталостную природу износа частиц инструментального материала впервые предложил Н.Н.Зорев [72]. Он исходил из того, что при разрыве адгезионной связи в инструментальном материале возникают напряжения, величина которых недостаточна для его разрушения, а имеющие место разрушения возникают только в отдельных зонах, ослабленных вследствие усталости, создаваемой

циклическими нагрузками в процессе резания. Таким образом, отрыв частиц инструмента силой адгезии является всего лишь заключительным этапом разрушения, совершающимся тогда, когда прочность связей частиц с основой снижается вследствие возникновения и развития усталостных явлений в поверхностных контактных слоях инструмента. По мнению В.Н.Подураева с сотрудниками [152, 153], ус