автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка технологии изготовления фасонного режущего инструмента повышенной износостойкости

На правахрукописи

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФАСОННОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПОВЫШЕННОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

Специальность 05.02.08 Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004

Работа выполнена на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» и в научно-исследовательском центре «Новые технологии и инструменты» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Григорьев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Драчев Олег Иванович

кандидат технических наук, доцент Шеметов Михаил Георгиевич

Ведущее предприятие:

Открытое акционерное общество «ВНИИИНСТРУМЕНТ»

Защита диссертации состоится «25» ноября 2004 г. в 12.00 на заседании диссертационного совета К 212.142.01 в Государственном образовательном учреждении Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127055, г. Москва, Вадковский пер., ЗА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «СТАНКИН».

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

Автореферат разослан «22» октября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И.М.Тарарин

¿005-4 '2,0656

Диссертационная работа выполнялась в рамках государственного контракта № 41.051.1.1.2791 от 31.01.02 г. «Исследования и разработка технологических решений для производства конкурентоспособного сложнопрофильного металлорежущего инструмента» по заказу Федерального агентства по науке и инновациям.

Актуальность работы

В настоящее время перед машиностроительными производственными предприятиями, использующими дорогостоящее автоматизированное станочное оборудование, остро стоит проблема повышения надежности и износостойкости режущего инструмента, в значительной степени определяющего эффективность механообработки деталей. В первую очередь это относится к тем операциям механообработки, где режущий инструмент является лимитирующим звеном технологической цепочки, являясь при этом чрезвычайно сложным и дорогим. К такому инструменту в полной мере можно отнести различные виды фасонного инструмента - протяжки, червяные фрезы, долбяки и др.

Производство фасонного режущего инструмента проходит через большое количество технологических операций. При этом наиболее важными являются операции профильного и чистового шлифования. Известно, что процесс шлифования характеризуется повышенной термодинамической напряженностью, следствием которой является образование различных дефектов на поверхности фасонного инструмента, прежде всего прижогов и трещин, которые существенно снижают износостойкость инструмента в процессе эксплуатации.

Сегодня разработка технологического обеспечения для достижения высокой точности размеров, формы и минимальной шероховатости поверхности при отсутствии дефектов и высокой производительности шлифования является актуальной проблемой. Другой немаловажной проблемой при изготовлении фасонного инструмента является разработка научно обоснованных принципов нанесения износостойких покрытий, имеющих высокую прочность адгезионной связи и однородность на всех участках сложнопрофильной рабочей поверхности инструмента.

Цель работы

Повышение износостойкости фасонного режущего инструмента за счет разработки высокопроизводительного абразивного инструмента и бесприжоговой обработки шлифованием рабочих поверхностей с последующим нанесением на них вакуумно-плазменных покрытий.

,' -ч.. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА 1

! оУЧазш

Научная новизна работы:

- разработаны математические модели связи мощности профильного глубинного шлифования быстрорежущей стали и износа высокопористого абразивного круга с параметрами его характеристики - твердостью и структурой, а также режима обработки - скоростью круга, глубиной резания и скоростью продольной подачи;

- установлена зависимость зернистости высокопористого шлифовального круга с минимальной величиной радиуса сопряжения поверхностей профиля, который можно обеспечить при обработке этим кругом;

- разработаны и научно обоснованы принципы создания и применения высокопористых кругов из кубического нитрида бора (эльбора) для бездефектного чистового шлифования быстрорежущих сталей. Предложен и обоснован обобщенный критерий состава эльборовых кругов в виде отношения объемного содержания в его рабочем слое эльбора и абразивного наполнителя;

- установлены зависимости и разработаны обобщенные математические модели связи технико-экономических показателей процесса шлифования эльборовыми кругами (скорость съема материала, скорость износа круга, удельная производительность, стоимость съема единицы объема металла) и шероховатости обработанной поверхности инструмента с твердостью круга и предложенным критерием его состава;

- разработаны и научно обоснованы принципы нанесения износостойких ваку-умно-плазменных покрытий на фасонный инструмент из быстрорежущих сталей, учитывающие расположение рабочих поверхностей инструмента относительно плазменного потока и обеспечивающие высокую прочность адгезионной связи наносимых покрытий;

- описана функциональная взаимосвязь между режимами нанесения износостойких вакуумно-плазменных покрытий и интенсивностью изнашивания протяжек из быстрорежущей стали при обработке жаропрочных сплавов.

Практическая ценность

- разработаны технологические рекомендации для бесприжогового профильного шлифования поверхностей фасонного инструмента из быстрорежущих сталей высокопористыми абразивными и эльборовыми кругами;

- разработаны составы высокопористых шлифовальных кругов на основе электрокорунда белого и кубического нитрида бора и внедрены на операциях шлифования фасонного инструмента из быстрорежущих сталей;

- разработаны технологические рекомендации по составу и назначению режима нанесения вакуумно-плазменных покрытий, обеспечивающих минимальную интенсивность изнашивания протяжек из быстрорежущей стали при обработке пазов в деталях из жаропрочных сплавов.

Общая методика исследований

При решении задач, поставленных в работе, применялись методы аналитических, численных и экспериментальных исследований. В работе использованы научные основы технологии машиностроения, теории абразивной обработки материалов и ионно-плазменной обработки инструментов и деталей машин, а также современные методики и оборудование для исследования поверхностных свойств материалов.

Апробация работы

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки МГТУ «СТАНКИН», на Международных научно-технических конференциях «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении

- 2004» и «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды -2004» в Бийске, «Производство. Технология. Экология - 2004» в Москве, а также были удостоены серебряной медали и диплома П московского международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2002 г.).

Производственное внедрение результатов работы осуществлено в рамках договора на поставку технологии и оборудования для комплексной ионно-плазменной обработки протяжного инструмента из быстрорежущей стали, заключенного МГТУ «СТАНКИН» с Московским машиностроительным производственным предприятием «Салют».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 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, формулируются ее цель, описывается научная и практическая ценность результатов работы, приводятся сведения об апробации основных положений диссертации и производственном внедрении ее результатов.

В первой главе анализируется современное состояние проблемы, приводятся сведения о фасонном режущем инструменте и особенностях его изготовления на операциях шлифования - профилирования и заточки, рассматриваются основные методы повышения износостойкости инструментов из быстрорежущих сталей за счет применения поверхностной модифицирующей обработки.

Производственный опыт показывает, что профилирование и заточка рабочей части фасонного инструмента часто сопровождается образованием различных дефектов поверхностного слоя - прижогов и трещин, которые в дальнейшем приводят к преждевременному затуплению или разрушению инструмента в процессе его эксплуатации.

Анализ данных научно-технической литературы показал, что в настоящее время наиболее перспективным направлением для повышения производительности шлифования, обеспечения требуемого качества поверхностного слоя фасонного инструмента и, как следствие, повышения его износостойкости, является использование высокопористого абразивного инструмента, применение которого обеспечивает существенное снижение термодинамической напряженности процесса резания.

Вопросы исследования и разработки технологических решений для изготовления высокопористого абразивного инструмента с открытой структурой нашли отражение в работах Силина С.С., Рыкунова Н.С., Попова СА, Ананьяна Р.В., Федотовой СМ. и др. Главным недостатком предлагаемых технологий является случайный и неконтролируемый характер интенсивного газовыделения экологически вредных продуктов сгорания порообразователей, находящихся в спекаемой абразивной массе. Следствием этого является формирование порового пространства с неоднородными характеристиками по форме и размерам. Соответственно, инструмент приобретает нестабильные по объему физико-механические свойства. По этой же причине вероятность разрушения инструмента при спекании возрастает с увеличением его номера структуры и габаритных размеров.

Исследования, выполненные Старковым В.К., в том числе с участием автора, показали, что устранить указанные недостатки возможно с помощью новой технологии изготовления высокопористого абразивного инструмента закрытой структуры, принципиальной особенностью которой является введение в абразивную массу одного или комбинации нескольких невыгорающих порообразователей, различных по химическому составу, размерам и форме. Это позволяет варьировать объемными сочетаниями абразивного зерна, связки и пор для достижения заданных эксплуатационных свойств абразивного инструмента. Сегодня основной пре-

градой для производственного применения высокопористых кругов при профилировании и заточке рабочей части различных видов фасонного инструмента является отсутствие научно обоснованных данных о взаимосвязи характеристик абразивного инструмента и режимов шлифования с выходными показателями процесса.

Другим направлением повышения износостойкости фасонного инструмента в процессе эксплуатации, наряду с совершенствованием операций шлифования фасонного профиля, является применение различных методов поверхностной модифицирующей обработки (лазерное легирование, ионная имплантация, нанесение покрытий и др.), основанных на обработке рабочих поверхностей инструмента концентрированными потоками энергии. Анализ данных научно-технической литературы показал, что для инструмента из легированных и быстрорежущих сталей наибольшее распространение в нашей стране получил метод конденсации покрытий из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой. Большой вклад в развитие этого метода внесли Верещака А.С., Табаков В.П., Кабалдин Ю.Г., Григорьев С.Н., Андреев А.А. и др.

Производственный опыт показывает, что при эксплуатации инструмента с покрытием, наблюдается широкий разброс в увеличении его стойкости по сравнению с исходным инструментом (от 1,3 до 15 раз). Наибольший коэффициент вариации стойкости наблюдается при резании труднообрабатываемых материалов различными видами фасонного инструмента - червяными фрезами, протяжками и т.д. Исследования, проведенные в настоящей работе, показали, что нестабильность свойств покрытий в первую очередь связана с неравномерностью плотности плазменного потока на различных участках рабочей поверхности фасонного инструмента в процессе его нагрева, очистки и нанесения износостойких покрытий.

На основе анализа известной научно-технической информации, была сформулирована цель исследований и следующие задачи, которые необходимо решить для ее достижения:

- установить зависимости между выходными показателями процесса профильного глубинного шлифования быстрорежущих сталей и характеристиками высокопористых кругов и режимами шлифования;

- разработать научно обоснованные принципы создания и применения высокопористых кругов из кубического нитрида бора для бездефектного чистового шлифования быстрорежущих сталей;

- установить зависимости между технико-экономическими показателями процесса шлифования эльборовыми кругами и шероховатостью обработанной

поверхности фасонного инструмента;

- разработать научно обоснованные принципы нанесения износостойких вакуум-но-плазменных покрытий на фасонный инструмент из быстрорежущих сталей, учитывающие расположение рабочих поверхностей инструмента относительно плазменного потока и обеспечивающие высокую прочность адгезионной связи наносимых покрытий;

- установить зависимость между режимами нанесения вакуумно-плазменных покрытий и интенсивностью изнашивания протяжек из быстрорежущей стали при обработке жаропрочных сплавов.

Вторая глава посвящена исследованию процесса формообразования фасонных поверхностей режущих инструментов (на примере обработки впадин зубчатого накатника и резьбы на накатных роликах) профильным глубинным шлифованием, разработке для этих целей высокопористых абразивных кругов и технологических рекомендаций по бездефектному профильному шлифованию сложнофа-сонного режущего инструмента.

На основе анализа методов формообразования фасонных поверхностей шлифованием было установлено, что наиболее эффективным способом является обработка специальными профильными кругами (метод копирования), так как в этом случае точность обработанных поверхностей не зависит от кинематической точности станка или специальных приспособлений, а зависит от точности профилирования шлифовального круга. При этом к типоразмеру и характеристикам шлифовального круга предъявляются особые требования - шлифовальный круг должен обеспечивать высокопроизводительную бездефектную обработку, легко подвергаться правке и обладать высокой размерной стойкостью.

В лабораторных условиях были проведены исследования процесса профильного глубинного шлифования зубчатых накатников (число зубьев Ъ = 104, высота профиля 5 мм, ширина венца 45 мм, угол наклона зуба 20°) из закаленной быстрорежущей стали Р18 (ИЯС3 63...66). Шлифование производилось на коорди-натно-шлифовальном станке с ЧПУ высокопористыми абразивными кругами типоразмера 1 100x10x20 с характеристиками: 25А16ПВМ212К, 25А16ПМ112К, 25А16ПМ116К, 25А16ПМ216К. Режимы шлифования изменялись в следующих пределах: скорость круга - 25...50 м/с; глубина шлифования за проход - предварительное 0,1... 1,5 мм, окончательное 0,05...0,1 мм; скорость продольной подачи 80... 1000 мм/мин, количество проходов - предварительных 3...5, окончательных 20...80.

Pw, кВт

20 30 40 50 Укр,

м/с

50 100 150 SnP>

мм/мин

Рис. 1. Зависимость мощности от параметров режима глубинного шлифования быстрорежущей стали Р18 высокопористыми кругами с характеристиками:

1-25А16ПВМ2 12К, 2-25А 16ПМ1 16К.З-25А 16П М1 12 К, 4 - 25А 16П М2 16 К

Д, мм

м/с

Рис. 2. Зависимость износа шлифовальных кругов от скорости глубинного шлифования быстрорежущей стали Р18 при t = 1 мм и Snp = 100 мм/мин: 1 - 25А 16П ВМ2 12 К, 2 - 25А 16П М1 16 К, 3 - 25А 16П М1 12 К, 4 - 25А 16П М2 16 К

Профилирование и циклическая правка шлифовального круга осуществлялись по программе с помощью двух алмазных карандашей. В качестве охлаждения использовалась эмульсия на основе индустриального масла.

В процессе обработки измерялась мощность при шлифовании на каждом проходе, а по окончании обработки впадины, определялась величина радиального износа круга. Полученные результаты (рис. 1) позволили установить зависимости потребляемой мощности и износа шлифовального круга от его характеристики и параметров режима профильного глубинного шлифования инструмента из быстрорежущей стали высокопористыми абразивными кругами на керамической связке. Было установлено, что применение шлифовальных кругов с меньшей твердостью и большим номером структуры обеспечивает снижение потребляемой мощности (рис. 1). Так, например, в рассматриваемом случае наименьшие значения мощности обеспечили высокопористые круги с твердостью ВМ2 и структурой 12.

Однако вследствие по-

вышенного износа эти круги показали неудовлетворительные результаты по обеспечению размерной стойкости (рис. 2).

Наилучшие результаты по размерной стойкости обеспечили круги с характеристиками 25А16ПМ112К (3) и 25А16ПМ216К (4). Наиболее благоприятные условия для профильного глубинного шлифования инструмента из быстрорежущей стали данными высокопористыми кругами создаются при скорости круга 25.. .35 м/с. При этом возможна обработка с глубиной резания за первый проход до 1,5 мм при скорости продольной подачи 100 мм/мин.

В результате компьютерной обработки статистических данных с помощью специальной программы многофакторного корреляционного и регрессионного анализа, были разработаны математические модели связи мощности глубинного шлифования ^ и износа шлифовального круга А с параметрами его характеристики - твердостью по глубине лунки (пл) и структурой (объемное содержание зерна - Уз), а также с параметрами режима обработки - скоростью круга (Укр), глубиной резания (1) и скоростью продольной подачи круга (8пр).

Для мощности шлифования:

1пР\у = 0,3641пУкр+0,8921Ш+0,8181п5пр-1,9481пЬл-0,2471пУз -3,309 (1)

Для износа шлифовального круга:

(2)

В дальнейшем был исследован процесс резьбошлифования с использованием высокопористых абразивных кругов. Испытания высокопористого абразивного инструмента, разработанного и изготовленного специально для профилирования резьбы на накатных роликах, проводились в производственных условиях на ММПП «Салют». При испытаниях оценивались эксплуатационные возможности абразивного инструмента различных характеристик в сравнении с применяемыми на заводе шлифовальными кругами из эльбора.

Испытывались высокопористые круги типоразмера 1 350x40x160 следующих характеристик: из электрокорунда белого — 25А8ПСМ112К, 25А6ПМ312К, 25АЗПМ1/М210К; из карбида кремния зелёного - 64С6ПМ312К, 64СЗПМ1/М210К, 64СМ20СМ19К. Кроме того, был испытан шлифовальный круг из карбида кремния зелёного с характеристикой изготов-

ляемый австрийской фирмой «КарроИ 'МйетШиг» для профилирования накатных роликов.

Испытания проводились на станке Яв-500 при шлифовании резьбонакатно-го ролика из закаленной стали 6Х6ВЗМФС (НЯСэ 58-60). Обработка включала в себя предварительное и окончательное шлифование фасонного профиля ролика

после предварительного шлифования заходного конуса. Режимы шлифования были идентичны режимам, применяемым для обработки накатных роликов кругами из эльбора и изменялись в следующем диапазоне: скорость круга 25-35 м/с; глубина резания 0,005-0,05 мм; продольная скорость подачи ролика 1-2 мм/об.

Выяснилось, что характеристика шлифовального круга оказывает существенное влияние на формирование точного профиля при прочих равных условиях. Имеется прямая связь между зернистостью высокопористого шлифовального круга и минимальной величиной радиуса впадины, которую можно с его помощью получить: чем меньше зернистость инструмента, тем меньше величина получаемого радиуса впадин. Было установлено, что высокопористые абразивные круги всех исследованных характеристик легко подвергаются правке с формированием сложного и точного профиля. Рабочая поверхность круга после правки формировалась без сколов и практически во всех случаях обеспечивала точное профилирование резьбы.

Шлифовальные круги фирмы «КарроИ ЩйейЬшг» плохо поддаются правке, но обеспечивают наименьший радиус при вершинах - 0,01 мм. Однако при его использовании во всем исследованном диапазоне режимов шлифования были зафиксированы прижоги на обрабатываемой поверхности ролика.

Было установлено, что круги, разработанные в данной работе, с характеристиками 64С6ПМ312К и 25А6ПМ312К обеспечивают точное и качественное профилирование рабочей поверхности накатного ролика. После шлифования прижоги и микротрещины на обработанной резьбовой поверхности ролика отсутствовали. При этом инструмент из карбида кремния зеленого имел более высокую режущую способность, чем инструмент из электрокорунда белого. Однако в сравнении с эльборовыми кругами правка предлагаемых кругов должна производиться в 4-8 раз чаще.

На основе анализа данных проведенных лабораторных и производственных испытаний, были разработаны технологические рекомендации, которые включают в себя типоразмеры и характеристики высокопористых кругов, а также режимы шлифования и условия правки кругов для бездефектного предварительного и чистового профильного шлифования различных видов сложнофасонного режущего инструмента - многосекционных плоских протяжек из сталей Р18 (ИЯС3 63...65), Р12Ф2К5МЗ-МП (ИЯС3 66...68), Р9М4К8-МП (ИЯС3 63...66) и Р6М5К5-МП (ИЯС3 63...66) и резьбонакатных роликов из сталей типа 6Х6ВЗМФС с различным шагом резьбы.

Третья глава посвящена разработке высокопористых кругов из кубического нитрида бора (КНБ) и исследованию влияния их характеристик на выходные показатели процесса шлифования.

Промышленная практика применения кругов из КНБ показывает их высокую эффективность при шлифовании высоколегированных сталей, поверхностей деталей с повышенной твердостью и профильной обработке с большими площадями контакта круга с обрабатываемой поверхностью. Использование таких кругов, как правило, исключает риск появления дефектов шлифовочного характера.

На сегодняшний день расширение областей и объемов внедрения шлифовальных кругов из КНБ в машиностроение и другие производственные отрасли сдерживается их высокой стоимостью и чрезвычайной сложностью их правки.

В данной работе была поставлена задача разработки принципов создания шлифовальных кругов из КНБ на керамических связках, которые бы легко правились на заданный профиль доступными средствами при сохранении на высоком уровне их режущих свойств и снижении затрат на изготовление. Указанная задача была решена за счет повышения номера структуры и пористости инструмента, т.е. путем создания высокопористых шлифовальных кругов.

Абразивные инструменты из КНБ на керамических связках характеризуются маркой, зернистостью и относительной концентрацией КНБ, а также твердостью, структурой и маркой связки. В состав инструмента всегда входит наполнитель, в качестве которого обычно используются абразивные зерна из электрокорунда белого или карбида кремния различной зернистости. При создании и исследовании высокопористых кругов были изготовлены композиции с номерами структуры в диапазоне 8 -г 19, что соответствовало суммарному объемному содержанию КНБ и абразивных зерен в качестве наполнителя от 46 до 25 %. Чтобы увеличить номер структуры и соответственно пористость рабочего слоя кругов из КНБ, в его состав вводились различные порообразователи, как выгорающие (молотые фруктовые косточки), так и невыгорающие - в виде полых сферических частиц различного химического состава и размеров.

Для испытаний были изготовлены круги типоразмера 1А1 50x8x16 с высотой рабочего слоя 5 мм из высокопрочного эльбора марки ЛКВ зернистостью 160/125 на керамической связке К27. Корпус круга состоял из абразивной смеси электрокорунда белого марки 24А зернистостью 6 и карбида кремния зеленого марки 63 С зернистостью 8 на аналогичной связке. Технология изготовления кругов, была одинаковой для всех составов и соответствовала общепринятой для эль-боровых кругов на керамических связках.

Было исследовано большое количество составов высокопористых эльборо-вых композиций, в том числе и без применения абразивных зерен в качестве наполнителя. Расчетная пористость кругов была увеличена с 47% для эльборового круга 8 структуры до 54 + 68% у нового инструмента. Стоимость кругов удалось уменьшить до 2 раз.

Было установлено, что компоненты состава высокопористых композиций эльборовых кругов оказывают неодинаковое влияние на их твердость. Корреляционным анализом установлено, что вопреки ожиданиям, формирование твердости эльборового круга в большей степени зависит от объемного содержания порообра-зователей Уп (коэффициент парной корреляции - 0,818) и абразивного наполнителя чем от содержания связки (-0,139) и эльборовых зерен (0,040). Причем с увеличением содержания керамической связки и абразивного наполнителя твердость круга возрастает, а более высокое содержание эльборовых зерен и порообразователей шлифовальный круг разупрочняют:

Я ~ 'и™ г ЭЛ ' АН г п ' св (3)

На основе анализа возможных вариантов идентификации разработанных кругов с помощью какой-либо обобщенной характеристики, был сделан вывод о том, что такой характеристикой может являться отношение объемного содержания эльбора к объемному содержанию абразивного наполнителя в рабочем слое круга

так как содержание эльбора является определяющим фактором режущей

" АН

способности шлифовального круга, а введение абразивного наполнителя в оптимальных количествах улучшает не только технологические свойства инструмента, но и повышает его режущие свойства.

В качестве другой характеристики кругов была принята твердость Ня , ко-

торая в свою очередь также коррелируется с отношением

и связана с ним и

относительным содержанием керамической связки в объеме круга следующей зависимостью:

В дальнейшем были произведены исследования режущих свойств высокопористых эльборовых кругов. Испытания проводили на станке Т8Т 250-4Я при обработке втулок из закаленной стали ХВГ (ИЯС 60) с наружным диаметром 120

мм, шириной 24,8 мм и исходным диаметром отверстия 56,3 мм. Обработка по схеме маятникового шлифования с охлаждением масляной эмульсией проводилась на постоянном режиме: скорость круга 30 м/с, скорость вращения детали 25 м/мин, скорость продольного перемещения круга 400 мм/мин. Характеристики процесса фиксировались при двух значениях глубины резания на 1 ход круга -0,002 и 0,005 мм.

Эффективность процесса шлифования разработанными эльборовыми кругами оценивалась по изменению скорости съема металла Qм и изнашивания инструмента а также шероховатости обработанной поверхности по величине Яа. В качестве обобщенных характеристик процесса шлифования были приняты удельная производительность которая рассчитывалась как отношение скоростей съема металла и изнашивания круга, и стоимость съема единицы объема металла С с учетом изнашивания рабочего слоя инструмента.

Полученные результаты показали, что состав инструмента и его твердость оказывают большое влияние на все выходные характеристики процесса шлифования. Причем на эффективность процесса влияет не только содержание эльборовых зерен в рабочем слое шлифовального круга, но и наличие абразивных зерен в качестве наполнителя.

На основе обработки экспериментальных данных исследования процесса внутреннего шлифования деталей из закаленной стали ХВГ высокопористыми эльборовыми кругами, были построены математические модели связи характеристик процесса с составом и твердостью высокопористых эльборовых кругов:

Для глубины шлифования 0,002 мм:

Для глубины шлифования 0,005 мм: У„

Ье„=5,442-0,0821п^--0,1141п Я, (5) 1п2м = 6,272-0,0500,0871пЯ„ (10)

=3,969 +0,2061п-~—1,4371п Я, (6) 1п&, = 5,719 + 0,7431п^--1,8051пЯЛ (11)

1п <7 = 1,473 - 0,287+ 1,3231п Ля (7) 1п9 = 2,0731пЯ* - 0,8920,719 (12)

1п С = 1,118 + 0,8821п ^.-0,9071п Я, (8) 1п С = 3,367 +1,4991п -1,6721п Н, (13)

1пЛа =3,535-0,4701,2781пЯ„ (9) 1пЛз = 3,83 7 - 0,4021п-1,2901пНя (14)

Анализ характеристик процесса шлифования в зависимости от номера структуры эльборовых кругов, то есть от суммарного объемного содержания эль-боровых и абразивных зерен, показал, что величина Узл + ¥ан имеет высокий уро-12

вень корреляции со всеми исследованными характеристиками процесса, так же как и твердость инструмента.

1600 1400

1200 1000

800 600

400 200

, > .--- 1 = 0.005 мм

\

1-0,002 мм \

■

161

Например, коэффициент парной корреляции У^д ^АН и с удельной производительностью шлифования равен соответственно 0,879 и 0,880 при глубине обработки 0,002 мм и 0,934 и 0,940 при 0,005 мм.

Экспериментальная зависимость от номера

> N струюуры

Рис. 3. Зависимость удельной производительности шлифования от номера структуры эльборовых кру- структуры эльборовыХ кругов.

гов (рис. 3) имеет экстремальный характер для двух глубин шлифования. Небольшое смещение экстремума функции <}(Ы) при глубине 0,005 мм относительно 0,002 мм в сторону увеличения номера структуры объясняется особенностями применения высокопористых шлифовальных кругов: высокие номера структуры более эффективны при увеличении глубины шлифования. В проведенных исследованиях применение высокопористых кругов из эльбора при глубине 0,005 мм позволило увеличить, например, удельную производительность шлифования в 2 раза, а при глубине 0,002 мм - на 20 % в сравнении с эталонным эльборовым кругом 8 структуры. Если привести затраты на удаление 1 мм3 металла С к единице удельной производительности то С

по критерию — эффективность внутреннего шлифования закаленной стали ХВГ Я

высокопористыми эльборовыми кругами оказывается в 3,4-6,8 раз выше, чем у применяемых в настоящее время.

В табл. 1 представлены значения коэффициентов парной корреляции между всеми исследованными выходными характеристиками процесса внутреннего шлифования высокопористыми эльборовыми кругами, с одной стороны, с объемным содержанием эльборовых зерен Узл, абразивного наполнителя Уди и твердостью круга , с другой стороны.

По величине коэффициентов парной корреляции можно судить о степени влияния состава рабочего слоя эльборовых кругов на скорость съема материала и изнашивания инструмента, удельную производительность процесса, стоимость съема 1 мм3 металла и шероховатость обработанной поверхности.

Таблица 1. Степень влияния относительного содержания эльбора и абразивного наполнителя, а также твердости круга на характеристики процесса шлифования.

Характеристика шлифования Коэффициенты парной корреляции

Уэл Улн Нк

Скорость съема материала -0,469 -0,249 0,124 0,087 -0,382 -0,275

Скорость изнашивания круга -0,254 -0,009 -0,723 -0,836 -0,880 -0,721

Удельная производительность ОД 72 0,007 0,743 0,815 0,812 0,678

Стоимость съема 1 мм3 металла 0,383 0,289 -0,917 -0,896 -0,554 -0,538

Шероховатость обработанной поверхности Яа -0,780 -0,664 -0,207 -0,228 -0,858 -0,816

Примечание: в числителе дано значение для глубины шлифования 0,002 мм, в знаменателе - для 0,005мм.

По результатам корреляционного анализа, параметры состава высокопористых эльборовых кругов были сгруппированы в обобщенные показатели и

АН

ЭЛ ^^АнХ которые вместе с твердостью Нц были приняты для моделирования процесса шлифования, по результатам которого, были построены обобщенные статистические модели в виде линейных и квадратичных логарифмических полиномов, связывающих выходные параметры процесса шлифования высокопористыми эльборовыми кругами с их составом..

На основе математического моделирования и анализа результатов экспериментальных исследований, были скорректированы рецептуры и изготовлены высокопористые круги 12 структуры из эльборового зерна марки ЛКВ зернистостью 100/80, 125/100 и 200/160 твердостью от СМ1 до СТ2 на керамической связке К27. Круги 17 наименований различных типоразмеров и характеристик с диаметром от 16 до 100 мм в настоящее время используются на ММПП «Салют» для профильного шлифования протяжек из быстрорежущей стали Р12Ф2К5МЗ-МП (HRC 66...68), внутреннего шлифования калибров из стали 20Х после цементации и закалки (HRC 58...64), а также других операций шлифования инструментального и основного производств. После обработки высокопористыми кругами на режимах шлифования, принятых для эльборовых кругов нормальной структуры, произво-

дительность процесса, точность и шероховатость обработанной поверхности деталей соответствовали техническим требованиям.

Четвертая глава посвящена разработке принципов нанесения износостойких покрытий на фасонный инструмент (на примере протяжек из быстрорежущей стали, предназначенных для обработки жаропрочных сплавов).

В целом задача нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности инструмента может быть разделена на два основных этапа, которые в значительной степени взаимосвязаны. Во-первых, необходимо разработать экономически оправданную технологию получения покрытий, которая бы обеспечила их максимальную износостойкость и надежность в работе. Во-вторых, необходимо выбрать или разработать состав покрытия, который в комплексе с основным инструментальным материалом должен создавать совместимую и практически полезную систему при конкретных условиях эксплуатации.

Эксплуатационные испытания различных видов фасонного инструмента с износостойкими покрытиями в производственных и лабораторных условиях, показывают, что иногда, уже в первые минуты работы, могут наблюдаться отслоения покрытий. Эти отслоения являются следствием либо назначения нерациональных режимов эксплуатации инструмента, либо низкой прочности адгезионной связи покрытия на рабочих участках инструмента.

Исследованиями, проведенными в настоящей работе, было установлено, что одной из главных причин низкой прочности адгезионной связи покрытий с рабочими поверхностями фасонного инструмента, является неудовлетворительная очистка поверхностей от всевозможных загрязнений, которая предшествует стадии осаждения покрытия. В традиционных технологиях вакуумно-плазменного нанесения покрытий, нагрев и очистку инструмента осуществляют металлическими ионами при подаче на него высокого отрицательного потенциала. Распределение плазмы, состоящей из потока заряженных частиц, по поверхностям сложного профиля имеет специфические особенности. На рис. 4 хорошо видно, что наибольшая концентрация заряженных частиц наблюдается на острых кромках фасонного образца, а в углубления плазма практически не проникает. Высокая плотность ионного тока на острых кромках часто приводит к их затуплению, а недостаточная очистка в пазах и углублениях не обеспечивает высокую прочность адгезионной связи покрытия по всей рабочей поверхности инструмента. Как показывает практика, именно с этих мест и начинается отслоение покрытий в процессе эксплуатации инструмента.

Для устранения указанных недостатков было предложено в камере вакуумно-плазменной установки производить комбинированную обработку фасонного инструмента, заключающуюся в обработке пучком нейтральных молекул с последующей

непродолжительной обработкой пучком заряженных частиц. Плазма, состоящая из нейтральных частиц, однородно распределяется по поверхности образца любой геометрической формы и обеспечивает равномерную очистку сложнопрофильных поверхностей инструмент», пределах прямой видимости всех

Исследования коэффициента отслоения покрытий с помощью метода низкочастотной акустической эмиссии показали, что проведение перед нанесением покрытия комбинированной обработки по предлагаемой схеме, снижает коэффициент отслоения более чем в 2 раза по сравнению с применением очистки пучком заряженных частиц.

Эффективность эксплуатации режущего инструмента с износостойким покрытием определяется не только стойкостью (временем работы инструмента до отказа), но и коэффициентом ее вариации. Коэффициент вариации стойкости для партии инструмента с износостойким покрытием сильно зависит от идентичности характеристик износостойкого покрытия на рабочих поверхностях всех инструментов партии.

При нанесении покрытий на твердосплавные и быстрорежущие пластины, спиральные сверла небольшой длины, обычно не возникает проблем с обеспечением идентичности свойств покрытий. При необходимости же нанесения покрытий на фасонный крупногабаритный инструмент, технологи сталкиваются с серьезной проблемой - наблюдается сильный разброс значений толщины покрытия по длине инструмента и на его рабочих поверхностях. Например, разброс значений толщины покрытий на различных участках длинномерных протяжек может достигать 80 %. Связано это с тем, что при нанесении покрытий на крупногабаритный инструмент, в промышленности используются вакуумно-плазменные установки,

Рис. 4. Распределение плотности плазменного потока по поверхности сложнопрофильного образца при его обработке пучком заряженных частиц:

1 - ионы;

2 - плазма;

3 - фасонный инструмент.

имеющие 6 радиальных испарителей, симметрично расположенных по оси вакуумной камеры. При этом максимальная толщина покрытий, наблюдается на тех поверхностях, которые расположены перпендикулярно оси плазменного потока.

Для обеспечения равномерного нанесения покрытий на фасонный крупногабаритный инструмент было создано специальное оборудование, в котором используется один длинномерный источник плазмы (рис. 5).

Основной особенностью разработанного источника плазмы является наличие датчика текущего положения дуговых катодных пятен, который позволяет перемещать их вдоль поверхности испарения длинномерного катода по любому необходимому временному закону. Управление перемещением катодных пятен с помощью электрических сигналов является универсальным и не зависит от тока дуги и длины ка-

Эксперименты, проведенные при нанесении покрытий с использованием длинномерного испарителя на шлицевые протяжки из быстрорежущей стали Р6М5 длиной Ь=900 мм, показали, что разброс значений толщины покрытий на различных участках рабочей поверхности протяжек не превышает 10 %.

Другой важной задачей, которая решалась при выполнении диссертационной работы, являлась разработка состава износостойкого покрытия и оптимизация технологических режимов его нанесения на протяжки, использующиеся на ММПП «Салют» для обработки дисков турбин из жаропрочных сплавов типа ХН62БМКТЮ. На основе анализа свойств, различных тугоплавких соединений, которые могут быть использованы в качестве износостойких покрытий, было предложено формировать износостойкое покрытие на основе трехкомпонентного нитрида тугоплавких соединений: титана, ниобия и алюминия. Проведенными

Рис. 5. Принципиальная схема устройства для равномерного нанесения покрытий на фасонный крупногабаритный инструмент:

1 - катод;

2-токоподводы;

3- переключатели;

4 - активирующие элементы;

5 - источник тока;

6 - датчик определения текущего положения катодного пятна;

7 - управляющее устройство.

тода, которая может достигать 1 метра и более.

экспериментами было установлено, что наибольшей износостойкостью обладает покрытие со следующим процентным содержанием компонентов:

№«40%; А1=20%.

Проведенные исследования показали, что факторами, оказывающими наибольшее влияние на интенсивность изнашивания протяжек с покрытием являются: давление азота продолжительность процесса нанесения покрытия опорное напряжение на инструменте и ток дуги на длинно-

мерном испарителе На основе экспериментального изучения влияния этих факторов на интенсивность изнашивания протяжек из быстрорежущей стали Р6М5К5-МП при обработке сплава ХН62БМКТЮ, была построена экспоненциально-степенная математическая модель. Она позволяет установить связь между интенсивностью изнашивания протяжек и режимами процесса нанесения покрытия и рассчитать оптимальные режимы осаждения (табл. 2):

г,иехр\0,023 иРи +10,5Рх +0,097ГЯ +0,01б/л]

к3=-

¿/2,99 4,2 3,92 А,6

иРИ Рн тп 1Д

(15)

Таблица 2. Оптимальные режимы процесса нанесения износостойкого покрытия.

Режим процесса нанесения покрытия (Т|РП>А1)№ Оптимальное значение при протягивании сплавов типа ХН62БМКТЮ

иРИ - напряжение смещения на режущем инструменте, В 230

Рп - давление азота, Па 0,4

гп - время нанесения покрытия, мин 40

1д - ток дуги на катоде, А 120

Пятая глава посвящена эксплуатационным испытаниям разработанного высокопористого абразивного инструмента при обработке различных изделий, изготавливаемых на МПГШ «Салют», а также испытаниям фасонного инструмента (на примере протяжек для обработки пазов), прошедшего профилирование и чистовое шлифование высокопористыми кругами и нанесение на рабочие поверхности вакуумно-плазменных покрытий в соответствии с разработанными принципами и рекомендациями.

Производственные испытания инструмента проводились при протягивании пазов в дисках турбин из сплава ХН62БМКТЮ (изделие 99). Использовались протяжки двух типов: 6177-1859, 6177-1860 длиной L=650 мм из стали Р6М5К5-МП; 6177-1861, 6177-1862 длиной L=400 мм из стали Р12МЗК5Ф2-МП.

Сравнение износостойкости исходных протяжек (без обработки) и протяжек, изготовленных в соответствии с разработанными технологическими рекомендациями, осуществлялось по количеству обработанных дисков турбины, при этом количество пазов в одном диске составляло 90 штук. Кроме того, износостойкость оценивалась по средней величине износа по задней поверхности зубьев протяжки после протягивания дисков. Размер изношенной площадки определялся с помощью микроскопа отсчетного типа МПБ-2 с ценой деления равной 0,05 мм.

Испытания проводились на станке СПС-40 со скоростью резания У=1,2 м/мин. Результаты производственных испытаний представлены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты производственных испытаний протяжек.

Тип протяжки Количество протянутых дисков Средняя величина износа после протягивания дисков

6177-1859, 6177-1860

Исходная 1 0,2...0,25

С покрытием 4 0,15...0,2

С покрытием после переточки по передней поверхности 4 0,15...0,2

6177-1861, 6177-1862

Исходная 2 0,2...0,25

С покрытием 4 0,15...0,2

С покрытием после переточки по передней поверхности 4 0,15...0,2

Результаты производственных испытаний показывают, что использование разработанных принципов изготовления фасонного инструмента, позволяет повысить износостойкость протяжек двух различных типов в 2-4 раза по сравнению с исходным инструментом и протягивать гарантировано по 4 диска. При этом у исходного инструмента износ по задней поверхности составил 0,2...0,25 мм, что является предельно допустимой величиной, а у инструмента с покрытием только 0,15...0,2 мм. Также необходимо отметить, что после переточки инструмента по передней поверхности у инструмента с покрытием наблюдаюсь такая же повышенная износостойкость.

Общие выводы по работе

1. В результате выполненного комплекса исследований, была разработана технология изготовления фасонного режущего инструмента, включающая высокопроизводительную бесприжоговую обработку рабочих поверхностей высокопористыми кругами и нанесение вакуумно-плазменных покрытий. Производственные испытания протяжек из быстрорежущей стали при обработке пазов в деталях из жаропрочного сплава показали, что применение разработанных технологических принципов изготовления инструмента позволяет увеличить его износостойкость в 2-4 раза по сравнению с инструментом без обработки.

2. Экспериментально установлено, что для профильного глубинного шлифования фасонного инструмента назначение характеристики высокопористого круга тесно связано с режимом обработки. Например, при увеличении скорости шлифования необходимо применять шлифовальные круги с более высокими номерами структуры и обладающие меньшей твердостью. С увеличением всех параметров режима обработки - скорости круга, продольной подачи и глубины шлифования, мощность процесса возрастает, а с уменьшением твердости и объемного содержания зерна в круге она, напротив, уменьшается. Размерный износ высокопористого круга, от которого зависит точность обработки, уменьшается с возрастанием скорости шлифования, твердости и номера структуры.

3. На основе исследования процесса формообразовании точных резьб на накатных роликах установлено, что существует прямая связь между зернистостью высокопористого шлифовального круга и минимальной величиной радиуса впадины, которую можно с его помощью получить: чем меньше зернистость инструмента, тем меньше величина получаемого радиуса впадины.

4. На основе обработки результатов экспериментальных исследований, разработаны технологические рекомендации для бесприжоговой обработки протяжек, которые включают в себя типоразмеры и характеристики высокопористых кругов, а также режимы шлифования и условия правки шлифовальных кругов в зависимости от площади поперечного сечения зуба у основания гребня и материала протяжек. Разработанные рекомендации за счет шлифования полного рабочего профиля протяжки позволяют сократить машинное и вспомогательное время, необходимое для ее изготовления, до 3-5 раз. Аналогичные рекомендации разработаны для формообразования резьбонакатных роликов с различным шагом резьбы. Шлифовальные круги предложенных характеристик имеют размерную стойкость в 1,5-2 раза больше, чем известный абразивный инструмент, используемый для резьбо-шлифования.

5. Разработаны и научно обоснованы принципы создания и применения высокопористых кругов из кубического нитрида бора (эльбора). Экспериментально установлено, что твердость высокопористых эльборовых кругов является одной из основных характеристик, определяющих эффективность процесса шлифования. Показано, что формирование твердости круга в большей степени зависит от объемного содержания порообразователей и абразивного наполнителя. В меньшей степени на твердость влияет содержание керамической связки и эльборовых зерен. На основе проведенных экспериментов была разработана математическая модель твердости высокопористых эльборовых кругов, которая учитывает объемное содержание в инструменте эльборовых и абразивных зерен, порообразователей и керамической связке.

6. Предложен и обоснован обобщенный критерий состава высокопористых эльборовых кругов в виде отношения объемного содержания эльборовых зерен к

объемному содержанию абразивного наполнителя в рабочем слое

АН

7. Экспериментально установлено, что применение разработанных высокопористых эльборовых кругов позволяет увеличить, например, удельную производительность шлифования кругами 11-12 структур до 2-х раз, а затраты на единицу удельной производительности снизить до 3,4-6,8 раз в сравнении с эльборовым инструментом, применяемым в настоящее время.

8. Для обеспечения высокой прочности адгезионной связи покрытия на всех участках сложнопрофильной рабочей поверхности фасонного инструмента, предложено перед нанесением покрытия производить комбинированную обработку, заключающуюся в воздействии на поверхностный слой инструмента пучка нейтральных молекул с последующей непродолжительной обработкой пучком заряженных частиц. Экспериментально установлено, что проведение обработки по предлагаемой схеме снижает коэффициент отслоения покрытий более чем в 2 раза по сравнению с традиционной обработкой.

9. Для снижения разброса толщины покрытий и повышения однородности их распределения на всех участках сложнопрофильной рабочей поверхности фасонного инструмента, создано специальное оборудование, в котором используется один длинномерный источник плазмы (испаритель). Экспериментально установлено, что при нанесении покрытий на протяжки с использованием длинномерного испарителя, разброс значений толщины покрытий на различных участках инструмента не превышает 10 %.

10. Экспериментально установлено, что факторами, оказывающими наибольшее влияние на интенсивность изнашивания протяжек с покрытием, являются: давление азота, продолжительность процесса нанесения покрытия, опорное напряжение на инструменте и ток дуги на длинномерном испарителе. На основе экспериментального изучения влияния этих факторов на интенсивность изнашивания протяжек из быстрорежущей стали при обработке жаропрочного сплава ХН62БМКТЮ, была построена математическая модель, устанавливающая связь между интенсивностью изнашивания протяжек и режимами процесса нанесения покрытия.

Основные положения диссертации изложены в следующих

публикациях

1. Григорьев С.Н., Горовой А.П., Полканов Е.Г. Технология и оборудование для нанесения ионно-плазменных и газофазных покрытий в вакууме // Сборник материалов 4 собрания металловедов России. Пенза, 1998. с. 109-110.

2. Григорьев С.Н., Горовой А.П., Полканов Е.Г. Технология и оборудование для ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий в вакууме // Сборник трудов XXVII научно-технической конференции «Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа». Москва, 1999. с. 11-12.

3. Поклад В.А., Полканов Е.Г., Старков В.К.,. Феоктистов А.Б. Шлифование сложнофасонного инструмента высокопористыми абразивными кругами // Технология машиностроения. 2001. №3. с. 8-11.

4. Полканов Е.Г., Старков В.К. Шлифование резьбы высокопористыми абразивными кругами. // Технология машиностроения. 2002. №6. с. 17-19.

5. Профилирование резьбы на накатных роликах высокопористыми абразивными кругами. Полканов Е.Г., Старков В.К., Феоктистов А.Б., Азза А.В. // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шли-фабразив - 2002. Сб. трудов межд. науч.-техн. конф. Волгоград, Волжский 2002. С. 10-12.

6. Григорьев С.Н., Полканов Е.Г. Повышение качества вакуумно-плазменных покрытий, наносимых на сложнопрофильный режущий инструмент // Материалы Межрегиональной научно-практической конференции «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды». Алтайский гос. техн. ун-т, БТИ. Бийск. 2004 г. с. 126-129.

7. Григорьев С.Н., Полканов Е.Г. Повышение эффективности сложнопро-фильного инструмента из быстрорежущей стали с помощью оптимизации условий

нанесения износостойких покрытий // Материалы IV Юбилейной Всероссийской научной конференции «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении». Алтайский гос. техн. ун-т, БТИ. Бийск. 2004 г. с. 15-19.

8. Григорьев С.Н., Полканов Е.Г., Курандо Е.А., Олешкевич Д.Н. Применение методов математического моделирования для оптимизации процесса вакуум-но-плазменной обработки и режимов эксплуатации режущих инструментов // Материалы межрегиональной научно-технической конференции «Информационные технологии в экономике, науки и образовании» Алтайский гос. техн. ун-т, БТИ. Бийск. 2004 г. с. 95-102.

9. Полканов Е.Г. Повышение эффективности фасонного режущего инструмента за счет усовершенствования технологии осаждения износостойких покрытий // Материалы Международной научно-практической конференции «Производство Технология Экология». Москва: МГТУ «СТАНКИН», 2004г., с. 379-383.

10. Полканов Е.Г. Повышение эффективности фасонного режущего инструмента за счет усовершенствования технологии осаждения износостойких покрытий // Материалы V Всероссийской научно-технической конференции «Измерение, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях. Алтайский гос. техн. ун-т, БТИ. Бийск. 2004 г. с. 45-48.

11. Старков В.К., Рябцев С.А., Полканов Е.Г. Разработка и применение высокопористых шлифовальных кругов из кубического нитрида бора // Технология машиностроения. 2004. №4. С. 26-33.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Полканов Евгений Георгиевич

Разработка технологии изготовления фасонного режущего инструмента повышенной износостойкости

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 21.10.2004. Формат 60x90 1/16 Уч.изд. л. 1,5. Тираж 50 экз. Заказ № 196

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

Р 2 О 2 4 8

РНБ Русский фонд

2005-4 20б5б

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Фасонный режущий инструмент и особенности его изготовления.

1.2. Применение высокопористых абразивных кругов для шлифования режущего инструмента.

1.3. Анализ способов повышения износостойкости инструментов из быстрорежущих сталей за счет применения методов поверхностной модифицирующей обработки.

1.3.1. Методы поверхностной модифицирующей обработки и нанесения износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент.

1.3.2. Анализ основных причин разрушения износостойких покрытий на рабочих поверхностях фасонного инструмента.

1.4. Постановка цели и задач исследований.

ГЛАВА 2. ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ФАСОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРОФИЛЬНЫМ ГЛУБИННЫМ ШЛИФОВАНИЕМ.

2.1. Методы формообразования фасонных поверхностей шлифованием.

2.2. Исследование процесса формообразования фасонных поверхностей профильным глубинным шлифованием.

2.3. Шлифование резьбы высокопористыми абразивными ^ кругами.

2.4. Разработка технологических рекомендаций по бездефектному профильному шлифованию сложнофасонного режущего инструмента.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ВЫСОКОПОРИСТЫХ ЭЛЬБОРОВЫХ КРУГОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ РЕЖУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ.

3.1. Создание высокопористых эльборовых кругов и анализ их свойств.

3.2. Исследование режущих свойств высокопористых эльборовых кругов при шлифовании.

3.3. Формирование шероховатости обработанной поверхности.

3.4. Моделирование процесса шлифования высокопористыми эльборовыми кругами.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ НАНЕСЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА РАБОЧИЕ ПОВЕРХНОСТИ ФАСОННОГО ИНСТРУМЕНТА.

4.1. Совершенствование технологии ионной очистки поверхностей фасонного инструмента перед нанесением износостойких покрытий.

4.2. Нанесение износостойких покрытий на рабочие поверхности фасонного инструмента из быстрорежущей стали.

4.3. Влияние условий нанесения износостойких покрытий на работоспособность протяжного инструмента из быстрорежущей стали, оптимизация процесса нанесения покрытий.

4.4. Выводы.

ГЛАВА 5. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФАСОННОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПОВЫШЕННОЙ

ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И ВНЕДРЕНИЕ ЕЕ В ПРОИЗВОДСТВО.

5.1. Результаты производственных испытаний высокопористых кругов при шлифовании сложнофасонного режущего инструмента.

5.2. Результаты производственных стойкостных испытаний протяжек, прошедших шлифование высокопористыми кругами и нанесение износостойких покрытий.

В настоящее время перед машиностроительными производственными предприятиями, использующими дорогостоящее автоматизированное станочное оборудование, остро стоит проблема повышения надежности и износостойкости режущего инструмента, в значительной степени определяющего эффективность механообработки деталей. В первую очередь это относится к тем операциям механообработки, где режущий инструмент является лимитирующим звеном технологической цепочки, являясь при этом чрезвычайно сложным и дорогим. К такому инструменту в полной мере можно отнести различные виды фасонного инструмента - протяжки, червяные фрезы, долбяки и др.

Производство фасонного режущего инструмента проходит через большое количество технологических операций. При этом наиболее важными являются операции профильного и чистового шлифования. Известно, что процесс шлифования характеризуется повышенной термодинамической напряженностью, следствием которой является образование различных дефектов на поверхности фасонного инструмента, прежде всего прижогов и трещин, которые существенно снижают износостойкость инструмента в процессе эксплуатации.

Поэтому разработка технологического обеспечения для достижения высокой точности размеров, формы и минимальной шероховатости поверхности при отсутствии дефектов и высокой производительности шлифования является актуальной проблемой.

Сегодня научно-исследовательские работы по повышению эффективности шлифования рабочих поверхностей фасонного инструмента ведутся в направлениях рационального сочетания и управления факторами, влияющими на снижение теплонапряженности процесса резания.

Наиболее перспективным направлением для решения проблем, возникающих при шлифовании рабочих поверхностей фасонного инструмента, является разработка и использование абразивных кругов с высокими номерами структур (высокопористых кругов). Повышение производительности и исключение дефектов, возникающих на этапе профильного шлифовании рабочих поверхностей фасонного инструмента, может быть достигнуто использованием высокопористых кругов из электрокорунда белого, а на этапе чистового шлифования - созданием и применением высокопористых кругов из кубического нитрида бора (эльбора).

Другой немаловажной проблемой при изготовлении фасонного инструмента является разработка научно обоснованных принципов нанесения на его рабочие поверхности износостойких вакуумно-плазменных покрытий.

Производственный опыт показывает, что при эксплуатации различных видов фасонного инструмента с покрытием - червяных фрез, протяжек и др., наблюдается очень большой коэффициент вариации стойкости. Это является следствием нестабильности свойств покрытий, которая связана с неравномерностью плотности плазменного потока на различных участках рабочей поверхности фасонного инструмента и инструментов партии в процессе их нагрева, очистки и нанесения износостойких покрытий.

В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы являлось повышение износостойкости фасонного режущего инструмента за счет разработки высокопроизводительного абразивного инструмента и бесприжоговой обработки шлифованием рабочих поверхностей с последующим нанесением на них вакуумно-плазменных покрытий.

Настоящая работа является продолжением ряда работ, выполненных на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» и в научно-исследовательском центре «Новые технологии и инструменты»

Московского государственного технологического университета «СТАНКИН».

Научной новизной работы являются: разработанные математические модели связи мощности профильного глубинного шлифования быстрорежущей стали и износа высокопористого абразивного круга с параметрами его характеристики - твердостью и структурой, а также режима обработки - скоростью круга, глубиной резания и скоростью продольной подачи; установленная зависимость зернистости высокопористого шлифовального круга с минимальной величиной радиуса сопряжения поверхностей профиля, который можно обеспечить при обработке этим кругом; разработанные и научно обоснованные принципы создания и применения высокопористых кругов из кубического нитрида бора (эльбора) для бездефектного чистового шлифования быстрорежущих сталей. Предложенный и обоснованный обобщенный критерий состава эльборовых кругов в виде отношения объемного содержания в его рабочем слое эльбора и абразивного наполнителя; установленные зависимости и разработанные обобщенные математические модели связи технико-экономических показателей процесса шлифования эльборовыми кругами (скорость съема материала, скорость износа круга, удельная производительность, стоимость съема единицы объема металла) и шероховатости обработанной поверхности инструмента с твердостью круга и предложенным критерием его состава; - разработанные и научно обоснованные принципы нанесения износостойких вакуумно-плазменных покрытий на фасонный инструмент из быстрорежущих сталей, учитывающие расположение рабочих поверхностей инструмента относительно плазменного потока и обеспечивающие высокую прочность адгезионной связи наносимых покрытий; описанная функциональная взаимосвязь между режимами нанесения износостойких вакуумно-плазменных покрытий и интенсивностью изнашивания протяжек из быстрорежущей стали при обработке жаропрочных сплавов.

Практической ценностью работы являются: технологические рекомендации для бесприжогового профильного шлифования поверхностей фасонного инструмента из быстрорежущих сталей высокопористыми абразивными и эльборовыми кругами; составы высокопористых шлифовальных кругов на основе электрокорунда белого и кубического нитрида бора и внедрены на операциях шлифования фасонного инструмента из быстрорежущих сталей; технологические рекомендации по составу и назначению режима нанесения вакуумно-плазменных покрытий, обеспечивающих минимальную интенсивность изнашивания протяжек из быстрорежущей стали при обработке пазов в деталях из жаропрочных сплавов.

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки МГТУ «СТАНКИН», на Международных научно-технических конференциях

Ресурсосберегающие технологии в машиностроении - 2004» и «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды -2004» в Бийске, «Производство. Технология. Экология - 2004» в Москве, а также были удостоены серебряной медали и диплома II московского международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2002 г.).

Производственное внедрение результатов работы осуществлено в рамках договора на поставку технологии и оборудования для комплексной ионно-плазменной обработки протяжного инструмента из быстрорежущей стали, заключенного МГТУ «СТАНКИН» с Московским машиностроительным производственным предприятием «Салют».

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы д.т.н., профессору С.Н. Григорьеву, д.т.н., профессору Старкову В.К., а также всем сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» и центра «Новые технологии и инструменты» за помощь, оказанную при выполнении работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате выполненного комплекса исследований, была разработана технология изготовления фасонного режущего инструмента, включающая высокопроизводительную бесприжоговую обработку рабочих поверхностей высокопористыми кругами и нанесение вакуумно-плазменных покрытий. Производственные испытания протяжек из быстрорежущей стали при обработке пазов в деталях из жаропрочного сплава показали, что применение разработанных технологических принципов изготовления инструмента позволяет увеличить его износостойкость в 2-4 раза по сравнению с инструментом без обработки.

2. Экспериментально установлено, что для профильного глубинного шлифования фасонного инструмента назначение характеристики высокопористого круга тесно связано с режимом обработки. Например, при увеличении скорости шлифования необходимо применять шлифовальные круги с более высокими номерами структуры и обладающие меньшей твердостью. С увеличением всех параметров режима обработки - скорости круга, продольной подачи и глубины шлифования, мощность процесса возрастает, а с уменьшением твердости и объемного содержания зерна в круге она, напротив, уменьшается. Размерный износ высокопористого круга, от которого зависит точность обработки, уменьшается с возрастанием скорости шлифования, твердости и номера структуры.

3. На основе исследования процесса формообразовании точных резьб на накатных роликах установлено, что существует прямая связь между зернистостью высокопористого шлифовального круга и минимальной величиной радиуса впадины, которую можно с его помощью получить: чем меньше зернистость инструмента, тем меньше величина получаемого радиуса впадины.

4. На основе обработки результатов экспериментальных исследований, разработаны технологические рекомендации для бесприжоговой обработки протяжек, которые включают в себя типоразмеры и характеристики высокопористых кругов, а также режимы шлифования и условия правки шлифовальных кругов в зависимости от площади поперечного сечения зуба у основания гребня и материала протяжек. Разработанные рекомендации за счет шлифования полного рабочего профиля протяжки позволяют сократить машинное и вспомогательное время, необходимое для ее изготовления, до 3-5 раз. Аналогичные рекомендации разработаны для формообразования резьбонакатных роликов с различным шагом резьбы. Шлифовальные круги предложенных характеристик имеют размерную стойкость в 1,5-2 раза больше, чем известный абразивный инструмент, используемый для резьбошлифования.

5. Разработаны и научно обоснованы принципы создания и применения высокопористых кругов из кубического нитрида бора (эльбора). Экспериментально установлено, что твердость высокопористых эльборовых кругов является одной из основных характеристик, определяющих эффективность процесса шлифования. Показано, что формирование твердости круга в большей степени зависит от объемного содержания порообразователей и абразивного наполнителя. В меньшей степени на твердость влияет содержание керамической связки и эльборовых зерен. На основе проведенных экспериментов была разработана математическая модель твердости высокопористых эльборовых кругов, которая учитывает объемное содержание в инструменте эльборовых и абразивных зерен, порообразователей и керамической связке.

6. Предложен и обоснован обобщенный критерий состава высокопористых эльборовых кругов в виде отношения объемного содержания эльборовых зерен к объемному содержанию абразивного V эл наполнителя в рабочем слое v ah

7. Экспериментально установлено, что применение разработанных высокопористых эльборовых кругов позволяет увеличить, например, удельную производительность шлифования кругами 11-12 структур до 2-х раз, а затраты на единицу удельной производительности снизить до 3,4-6,8 раз в сравнении с эльборовым инструментом, применяемым в настоящее время.

8. Для обеспечения высокой прочности адгезионной связи покрытия на всех участках сложнопрофильной рабочей поверхности фасонного инструмента, предложено перед нанесением покрытия производить комбинированную обработку, заключающуюся в воздействии на поверхностный слой инструмента пучка нейтральных молекул с последующей непродолжительной обработкой пучком заряженных частиц. Экспериментально установлено, что проведение обработки по предлагаемой схеме снижает коэффициент отслоения покрытий более чем в 2 раза по сравнению с традиционной обработкой.

9. Для снижения разброса толщины покрытий и повышения однородности их распределения на всех участках сложнопрофильной рабочей поверхности фасонного инструмента, создано специальное оборудование, в котором используется один длинномерный источник плазмы (испаритель). Экспериментально установлено, что при нанесении покрытий на протяжки с использованием длинномерного испарителя, разброс значений толщины покрытий на различных участках инструмента не превышает 10 %.

10. Экспериментально установлено, что факторами, оказывающими наибольшее влияние на интенсивность изнашивания протяжек с покрытием, являются: давление азота, продолжительность процесса нанесения покрытия, опорное напряжение на инструменте и ток дуги на длинномерном испарителе. На основе экспериментального изучения влияния этих факторов на интенсивность изнашивания протяжек из быстрорежущей стали при обработке жаропрочного сплава ХН62БМКТЮ, была построена математическая модель, устанавливающая связь между интенсивностью изнашивания протяжек и режимами процесса нанесения покрытия.

1. 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.

2. Байкалов А.К. Введение в теорию шлифования материалов. -Киев: Наукова думка. 1978. 207 с.

3. Бакуль В.Н. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента. М.: Машиностроение. 1975. - 296 с.

4. Барвинок В.А., Богданович В.И., Митин Б.С. Закономерности формирования покрытий в вакууме. // ФХОМ. №5. 1986. - С. 92-97.

5. Береснев В.М., Мацевитый В.М А.с. 1129966. СССР. МКИ С23 С14/36. Способ получения износостойкого покрытия. Опублик. 1984. -С. 4.

6. Вакуумные технологии и оборудование: Сборник докладов 5-й Международной конференции / Под редакцией В. И. Лапшина, В. М. Шулаева. — Харьков: ННЦ ХФТИ, ИПЦ «Контраст», 2002.

7. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. - 336 с.

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

9. Григорьев С.Н., Горовой А.П., Кабанов А.В. Разработка технологии нанесения износостойких покрытий на длинномерные изделия с использованием планарного электродугового испарителя металлов.

10. Научно-технический журнал «Наука Москвы и регионов». № 1. - М., 2002. - С. 75-76.

11. Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С. Источники пучка широкого поперечного сечения быстрых нейтральных молекул для промышленного нанесения покрытий. Surface&Coating Technology. - т. 156/1-3, 2002, С. 44-49.

12. Григорьев С.Н., Метель А.С. Источник быстрых нейтральных молекул (патент США No 6,285,025).

13. Дворин Ю.М., Рябцев С. А. Шлифование режущего инструмента высокопористыми абразивными кругами // Сб. трудов всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков». Рыбинск: РГАТА. 2002. С. 32 -33.

14. Дворин Ю.М., Феоктистов А.Б. Особенности шлифования безвольфрамовой быстрорежущей стали 11М5Ф // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шлифабразив 2001. Сборник трудов межд. конф. Волжский: ВИСИ ВолгГАСА. 2001. С. 100— 101.

15. Евсеев Д.Г. Формирование свойств поверхностных слоев при абразивной обработке. Саратов: Изд-во Саратовского университета. 1975. -127 с.

16. Ипполитов Г.М. Абразивно-алмазная обработка. М.: Машиностроение. 1969.- 334 с.

17. Ковальчук Ю.М. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента. М.: Машиностроение. 1984. 288 с.

18. Кравченко Ю.Г. Работоспособность высокопористых кругов при заточке быстрорежущего инструмента. Абразивы. М.:НИИМАШ.1977.12 С.9-10.

19. Кремень З.И., Зайцева М.А., Федотова С.М. Специализированные абразивные инструменты.- М.: Машиностроение. 1986.- 40 с.

20. Кремнев Л.С., Адаскин A.M., Туменко В.В. Обрабатываемость быстрорежущих сталей шлифованием // Станки и инструмент. 1983. 10.С. 19-22.

21. Кремнев Л.С., Седов Ю.Е. Об оптимизации составов низколегированных быстрорежущих сталей. МиТОМ. 1988. №6. С.27-33.

22. Кудасов Г.Ф. Абразивные материалы и инструменты. Л.: Машиностроение. 1967.- 160 с.

23. Лурье Г.Б. Абразивные инструменты и их эксплуатация. -М.: Машиностроение. 1971,- 63 с.

24. Лурье Г.Б. Шлифование металлов. -М.: Машиностроение. 1969. -127с.

25. Маслов Е.Н Теория шлифования материалов- М.: Машиностроение, 1974. -320 с.

26. Материалы в машиностроении. Выбор и применение. // Справочник в пяти томах. Под общей ред. И.В. Кудрявцева. Том 3.

27. Специальные стали и сплавы под ред. Ф.Ф. Химушина. М.: Машиностроение. 1968. 446 с.

28. Металлорежущие инструменты. Г.И. Сахаров, О.Б. Арбузов, Ю.А. Боровой, В.А. Гречишников. -М.: Машиностроение. 1989. 328 с.

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

30. Муцянко В.И. Основы выбора щлифовальных кругов и подготовка их к эксплуатации. JL: Машиностроение. 1987. 163 с.

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

32. Позняк JI.A. Инструментальные стали. Киев: «Наукова думка», 1996, 488 с.

33. Полетика М.Ф., Весковский О.И., Полещенко К.И. Повышение надежности режущего инструмента ионной имплантацией // " Повышение эффективности применения твердосплавных инструментальных материалов и пути их экономии". JL: 1989. - С. 70-74.

34. Полканов Е.Г., Старков В.К. Шлифование резьбы высокопористыми абразивными кругами. // Технология машиностроения. 2002. №6. С. 17-19.

35. Поляк М.С. Технологические методы упрочнения. Справочник в 2-х томах. М.: "Л В. М.- СКРИПТ, Машиностроение, 1995, 832 с.

36. Попов С.А., Ананьян Р.В. Шлифование высокопористыми кругами. М.: Машиностроение. 1980. - 79 с.

37. Попов С.А., Ананьян Р.В. Эксплуатационные свойства высокопористых абразивных кругов. // Станки и инструмент 1977. №3. С. 22-23.

38. Пташников B.C. Современные инструменты из эльбора для скоростного шлифования колец подшипников // Станки и инструмент. 1987.№9.С.21-23

39. Резников А.Н. Абразивная и алмазная обработка материалов. Справочник. М.: Машиностроение. 1977. - 391 с.

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

41. Современные виды абразивных инструментов. Сборник научных трудов (ВНИИмаш). М.: ВНИИТЭМР. 1991. -117 с.

42. Справочник инструментальщика // И.А. Ординарцев, Г.В. Филиппов, А.Н. Шевченко и др.; Под общ. ред. И.А. Ординарцева. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение. 1987. - 846 с.

43. Старков В. К., Макаров О. В. Критерии конкурентоспособности высокопористого абразивного инструмента // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Сб. трудов межд. конференции. Волжский. 1998. С. 48-51.

44. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. М.: Машиностроение. 1989.- 296 с.

45. Старков В.К. Высокопористый абразивный инструмент нового поколения // Вестник машиностроения. 2002. №4. С. 56 62.

46. Старков В.К., Кремнев JI.C., Феоктистов А.Б. Качество поверхностного слоя быстрорежущих сталей после шлифования без охлаждения // Качество машин, т.2. Сб. науч. трудов междунар. науч.-техн. конф. Брянск:БГТУ.2001.С.191-193.

47. Федотова С.М., Казанская В.В. Высокопористый абразивный инструмент на керамической связке с применением различных порообразующих наполнителей.// Абразивы. Вып. 12. 1980. С.5-8.

48. Федюнин В.Ф., Труш Н.А., Дмитриев П.А. Применение электроискрового упрочнения инструментов из быстрорежущих сталей.-Технология и организация производства, 1975 г. С. 54.

49. Физико-механические и эксплуатационные свойства высокопористых фасонных шлифовальных кругов для заточки лезвийного инструмента. Авт.: Ю.С. Батайсков., В.А. Носенко, А.В., Лежнева и др. В трудах конференции INTERGRIND'91. Часть I- Л.: 1991. С. 82-87.

50. Хирвонен Дж. Ионная имплантация. М.: Металлургия, 1985,391 с.

51. Чупрова Т.П., Бернштейн А.М. Лазерная обработка быстрорежущей стали Р6М5 // Заводская лаборатория. 1985, №7, с.21-23.

52. Шепелев А.А., Савченко Ю.А., Лавриненко В.И. Технологические процессы обработки резанием инструментов из инструментальных сталей кругами из КБН. В трудах конференции INTERGRIND'91. Часть II. -Л.1991. С.66 - 70.

53. Шлифование сложнофасонного инструмента высокопористыми абразивными кругами. В.А. Поклад, Е.Г. Полканов, В.К. Старков, А.Б. Феоктистов // Технология машиностроения. 2001. №3. С. 8— 11.

54. Якимов А.В. Оптимизация процесса шлифования,- М.: Машиностроение. 1975. 176с.

55. Ящерицын П.И., Зайцев А.Г. Повышение эксплуатационных свойств шлифованных поверхностей и режущих свойств абразивно-алмазного инструмента. Минск: Наука и техника. 1972.- 384 с.

56. Войске Т. Zahnflankenprofilschleifen mit keramisch-gebundenen CBN-Schleifscheiben. IWU 16660. Band 13/94. Verlagshaker. 118 p.

57. Y. Tanaka, T.M.Gur, M. Kelly et all. Properties of (Tii.xAlx)N coatings for cutting tools prepared by the cathodic arc ion plating method.// J. Vac. Sci. Technol. A 10(4), Jul/Aug. 1992, p. 1749 1756.