автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка технологии изготовления режущего инструмента из алюминиевых сплавов с микродуговым оксидированием поверхностного слоя

РГ8 ОД

На правах рукописи

ШИРОКОВ ЛЕОНИД ИГОРЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С МИКРОДУГОВЫМ ОКСИДИРОВАНИЕМ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 1998

Работа выполнена в Пензенском государственном университете.

Научные руководители

Официальные оппоненты

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В. Л. Дорофеев доктор технических наук, профессор 3. С. Атрощенко

доктор технических наук, профессор В.0.Трилисский кандидат технических наук, доцент А. В. Бычкова

Ведущее предприятие АО "Автомадтехника" г.Пенза

Защита диссертации состоится "_<?.." 1 <здяг д

в_часов на заседании диссертационного совета

К. 063.18.02 в Пензенском государственном университете по адресу: 440017 г. Пенза ул. Красная 40.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан

-23-

Л*

аА

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., профессор

1998 года.

0. Т. Шестопал

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность пггДпрмы Перспектива развития металлообрабатывающего производства показывает, что обработка резанием остается наиболее предпочтительной для окончательного формообразования размеров изделий, несмотря на значительный прогресс в развитии таких альтернативных методов, как точное литьё, штамповка , электрофизическая обработка и т.п. Такая тенденция обусловлена возрастающими требованиями к точности размеров и качеству обработанных деталей, что, в свою очередь, предопределяет совершенствование технологии обработки резанием и прежде всего в направлении снижения величины удаляемого припуска и интенсификации скорости резания.

Вместе с этим, современное экономическое состояние промышленности требует использования новых материалов деталей и режущих инструментов с определенными свойствами, малой материалоемкости и не требующих больших материальных затрат на производство.

В качестве материала для изготовления режущего инструмента алюминий практически никогда не использовался. Однако появление современных технологий формирования упрочняющих покрытий делает реальной такую возможность, в частности, при изготовления одноразовых стоматологических режущих инструментов.

Данное исследование посвящено разрешению противоречий между потребностью производства в новых режущих инструментах и практическим отсутствием исследований по применению алюминия в качестве материала для изготовления режущего инструмента.

Пелъ исследования. Целью диссертационной работы является разработка технологии изготовления и исследование возможности применения режущего инструмента одноразового использования из алюминиевых сплавов с анодным оксидным покрытием.

Для достижения указанной цели были выявлены характер и степень влияния на свойства различных алюминиевых сплавов анодного оксидного покрытия САОГО, а также зависимость стой-костных характеристик инструмента от параметров АОП. Это

позволило создать предпосылки для решения оптимизационной задачи выбора характеристики АОП и назначения режимов резания в зависимости от условий эксплуатации инструмента.

Меттитмка исртадпяанкй. Основные результаты работы получены путем экспериментальных и теоретических исследований, базирушихся на основных положениях теории резания материалов и теории упругости. Исследования проводили с помощью специально спроектированного привода и с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры. Статистическая обработка результатов проводилась при помощи методов регрессионного анализа на ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1.Впервые доказана принципиальная возможность использования в качестве материала для изготовления одноразового режущего инструмента алюминиевых сплавов с анодным покрытием.

2.Установлены взаимосвязи между технологическими режимами нанесения покрытия Середа электролита, плотность тока, время оксидирования, концентрация электролита) и его прочностными характеристиками С толщина, пористость, микротвер-достьЗ, обеспечивающими возможность реализации процесса резания. Выбран оптимальный материал для этих инструментов и установлены оптимальные режимы микродугового оксидирования, позволяющие управлять функциональными свойствами покрытия.

3.Определены с позиции теории упругости допустимые напряжения, возникающие в режущем клине инструмента из алюминиевого сплава с АОП, что позволило прогнозировать критические параметры процесса резания (режимы резания, геометрия инструмента, допустимые силовые нагрузки) для этих инструментов и обосновать возможные области их применения.

4.Разработана математическая модель процесса резания инструментом из алюминиевого сплава с АОП, позволяющая производить назначение рационального режима резания и прогнозировать работоспособность инструмента.

Практичягжая нянногггь работы заключается в следующем:

1. Разработана конструкция и технология получения одноразового инструмента, рекомендованного к использованию в ме-

дицине С в стоматологии), с низкой себестоимостью и возможностью массового производства.

2. Проведенная рейтинговая оценка показала экономическую целесообразность применения данного инструмента, по сравнению с существушдаи аналогами на сегодняшний день.

3. По результатам экспериментальных исследований разработаны рекомендации для практического использования созданного инструмента.

4. На разработанный инструмент получен патент РФ. К затейте прядставляится:

- разработанная конструкция и технология изготовления нового режущего инструмента из алюминиевого сплава с АОП:

- результаты исследований по оптимизации процесса микродугового оксидирования СМДО) для получения инструмента с заданными параметрами покрытия:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований работоспособности разработанного инструмента;

- технологические рекомендации по условиям его эксплуатации.

Апппйяттия разработанного инструмента прошла в стоматологических поликлиниках г. Пензы. Основные теоретические положения и экспериментальные данные исследования докладывались на Международной научно-технической конференции, г.Пенза, 1996 г.: освещались в докладах и тезисах на научно-практических конференциях и семинарах в Пензенском государственном университете СПГУ) и Приволжском Доме знаний в 1993-1996 г.

ХЬгйшктутл. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе получен патент РФ.

Структура и пб-ьям ггиеозртапии. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 90 источников и приложения, изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

йп вйрдйним обоснована актуальность работы, дается ее общая характеристика, показана направленность и научная новизна.

В париой глаия проведен анализ современного состояния вопроса, сформулированы цель и задачи исследований.

Основным показателем работоспособности режущего инструмента является стойкость. Для ее повышения в последние годы были разработаны саше различные способы: химико-термические; газотермические", лазерные; вакуумно-плазменные и др.

Применение метода микродугового оксидирования позволяет получить на алюминиевых сплавах высокопрочное и одновременно твердое покрытие, позволяшее использовать их как инструментальный материал, например в медицине, для изготовления одноразового стоматологического инструмента. Это весьма актуально, так как применяемые в настоящее время инструменты из твердых сплавов и алмаза не могут быть использованы как одноразовые в силу своей дороговизны.

Исходя из вышеизложенного, были определены основные задачи диссертационной работы:

- оценка возможности использования одноразового режущего инструмента из алюминиевых сплавов с анодным покрытием:

- разработка технологии процесса микродугового оксидирования СМДО) с целью получения заданных свойств покрытия:

- разработка модели для оценки прочностных свойств инструмента:

- исследование комплексных показателей работоспособности инструмента;

. - проведение производственных испытаний и разработка рекомендаций для промышленного изготовления и использования разработанного инструмента.

Следует отметить, что данные исследования явились началом работ по разработке и внедрению технологии изготовления и условий эксплуатации инструмента из сплавов алюминия с АОП, проводимых в Пензенском государственном университете.

Вторая гдзда посвящена исследованию особенностей анодирования алюминиевых сплавов.

Особенность анодирования алюминия состоит в том, что анодирование является процессом преобразования С конверсионным процессом), в результате которого внешний вид покрытия и другие его характеристики находятся в прямой зависимости от состава сплава и состояния его поверхности.

Практика показывает, что при соответствующем выборе электролита и электрохимических параметров МДО, можно получить покрытия, обладающие высокой твердостью, износостойкостью и весьма прочным сцеплением с основой.

Определение износостойкости покрытия на машне трения, воспроизводящей схему "диск-пальчик", позволило констатировать, что пленки, полученные методом микродугового оксидирования, обладают износостойкостью сравнимой с материалами на основе карбида вольфрама и диффузионных боридных покрытий. В связи с этим было высказано предположение о возможности их использования в качестве покрытия на режущих инструментах. Установлено, что износостойкость С Y Э связана с глубиной изнашиваемого слоя С Л Л соотношением lg У =a-blg(A<?3, где а и Ь- численные коэффициенты, значения которых зависят от начальной плотности тока и соотношения плотностей анодного и катодного токов.

В процессе микродугового оксидирования происходит непрерывное образование пленки. Диаметр пор и толщина барьерного слоя прямо пропорциональны плотности тока. Изменение режима анодирования позволяет изменять такие Физические свойства покрытия, как плотность, твердость, износостойкость.

Исследования анодного покрытия на различных алюминиевых сплавах позволили выяснить, что наиболее пригодными сплавами к "твердому" анодированию Сто есть получение оксидного покрытия толщиной свыше 50 мкм) являются сплавы марки АМг Стабл.I.D. Они обладают также более высокими механическими свойствами, по сравнению с другими алюминиевыми сплавами.

Таблица 1.

Оценка пригодности покрытия на деформируемых алюминиевых сплавах.

Пригодность к анодированию

Тип Ь

I ЗащитномуI Цветному

Блестящему

Твердому С пленка толщи ной 50 мкм)

Д16 1 У 1 У 1 нп I X

АМц I X 1 X 1 П-У 1 X

АМг1| 0 1 0 1 0 I 0

АМг2| ОХ I ОХ ! х-ох I 0

АМгЗ| ОХ 1 ОХ 1 X 1 0

АМг4| ОХ I ОХ 1 X I 0

0-отлично; ОХ-очень хорошо: Х-хорошо: У-удовлетворительно;

П-плохо: Ш-неприемлимо.

Таким образом, проведенные исследования позволили создать предпосылку для получения инструмента из сплавов алюминия с заданными механическими свойствами анодного оксидного покрытия САОГО.

В тпртьяй г.ггяир представлено теоретическое исследование напряженного состояния в режущей части инструмента из алюминиевого сплава с АОП.

Теоретические расчеты основываются на уравнениях теории упругости,которые позволяют определить напряженное состояние в любой точке тела. Рассматривается задача плоскоупругого напряженного состояния. Подобная задача решается с помощью восьми дифференциальных уравнений в частных производных.

Исходя из анализа условий работы предложенной конструкции инструмента выяснено, что расчетным может быть случай, когда сила Р перпендикулярна оси X С рис. 1.).

Исследовалось напряженное состояние материала в режущем клине, выполненном двуслойным, с углом при вершине 60° : на-

ружный тонкий слой упрочненного материала - оксид алюминия CID и внутренний - сплав алюминия С 2). Выбор величины угла при вершине режущего клина продиктован с одной стороны соображениями прочности, а с другой температурами, возникающими в момент обработки зубных тканей.

Для определения величин возникающих напряжений от действия приложенной силы резания Р были получены уравнения (1):

<л

2*Р хг* у

2о¿- sln2</ Cx"5* + Уг/ - 2*Р у5

Чг = —;-:* —~г—л

2U- sin2o/ Сх + v¿T

CID

Т -

- 2*Р х*уг

2о/- sin2c/ Cx¿ + у У

Рассчитанные значения возникающих напряжений вдоль образующих двуслойного клина COA) и С0<А<] представлены в виде зпюр на рисунке 1, а также графических зависимостей на рисунке 2. Кривая ОА показывает изменение напряжений в наружном слое CA1¿ 05), а кривая О^А«- во внутреннем Ссплав алюминия).

Для определения величины допустимых напряжений использовался критерий Губера-Мизесса-Генки.

Рассчетная величина предельного напряжения, возникающая в режущем клине, находится в пределах 7-8 МПа, что на 1-2 порядка меньше допустимых предельных разрушающих нагрузок для рассматриваемых материалов. Возникающие напряжения при вершине режущего клина зависят от величины угла заострения С 2,/). При его увеличении величина напряжений уменьшается, но одновременно происходит увеличение отрицательной величины переднего угла и соответствующий рост температур в зоне обработки.

Таким образом, проведенные с позиции теории упругости исследования, показали, что напряжения, возникающие на по-

Рис. 1. Схема нагружения и эпюры напряжений, возникающие на поверхности двуслойного режущего клина.

-ю -г. -6

0 300 600 ■ 900 <200 <500 '800

Ь)

Рис. 2, Изменения напряжений в зависимости от толшины Формируемого покрытия : а) (У„ . б) (3^ . в) Тц .

верхности контакта инструмента с обратываемым материалом и в объеме пленки, на превышают предельных значений разрушающих нагрузок для подобного двуслойного материала.

R чртррртпй глаив 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 бьш выбран зубной цемент "Силицин-2", как один из наиболее распространенных пломбировочных материалов и наиболее близких по свойствам к зубной эмали. Твердость образцов составляла HB 80-85. Размеры принятых образцов - 10x10x40 мм.

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 то аналогии с абразивными кругами типа ПВ 16x2x2 54С 16П С1 6 К ГОСТ 2424-83. Режущий профиль зубъев сформирован методом пластического деформирования С накаткой).

В качестве оценочных параметров работоспособности инструмента были приняты:

- стойкость инструмента - Т. мин:

- объём удаляемого материала за период стойкости- Qm, см :

- износ инструмента за период стойкости - Сх3, мм.

Экспериментальное исследование проводилось в три этапа.

Первый этап позволил выяснить влияние среды раствора электролита Скислой или щелочной) на толщину Формируемого покрытия. Было выяснено, что при использовании щелочного раствора электролита Сгидроксид калия) толщина сформированного покрытия примерно в два раза выше, чем при использовании кислотного Сщавелевая кислота), в аналогичных условиях.

На втором этапе проводили исследования влияния факторов формирования покрытия С время С 2Г ), плотность тока CJ),

концентрация щелочного раствора электролита СЮ) на параметры покрытия С толщина С Л 3. пористость С ГО, микротвердость СНУ)), в следующих пределах варьирования: К = 2- 10 г/л: Л = 5-29 А/дм2: Т = 2-40 мин.

После получения оксидированного покрытия на инструменте, было проведено микроструктурное исследование влияния параметров МДО на толщину, пористость и микротвердость. Результаты исследований показаны на рисунке 3.

Было выяснено, что изменение толщины и микротвердости АОП зависят главным образом от концентрации раствора электролита и плотности тока С чем выше концентрация и плотность тока,тем выше толщина и микротвердость). Для получения АОП с минимальной пористостью можно рекомендовать: К до 6 г/л: Л до 17 А/ да. Т до 20 мин.

Анализ полученных результатов показал, что оптимальными технологическими параметрами, отвечающими наилучшему сочетанию свойств, для обеспечения режущей способности инструмента, являются: концентрация щелочного раствора 6 г/л: плотность тока 23 А/дм : время 20 мин. При этом сочетании параметров достигается оптимальные значения АОП: микротвердость С 2300-2500 НУ), толщина СШ-120 мкм), пористость С5-10%).

На третьем этапе проводили стойкостные испытания инструмента оптимальной по результатам предыдущих двух этапов характеристики. Таковым является инструмент со следующими параметрами АОП: толщина покрытия 90-120 мкм, пористость 5-10%, микротвердость 2300-2500 НУ, которые были получены при плотности тока 23 А/дм , времени нанесения покрытия 20 мин, и концентрации щелочного раствора КОН 6 г/л. Все эксперименты проводились в следующем интервале режимов резания: V = 250-1000 м/мин: Б = 50- 300 мм/мин: Ь = 0,1-0,3 мм.

По полученным результатам были построены графики зависимостей, увязывающие факторы процесса резания с параметрами работоспособности инструмента. Результаты исследований выборочно приведены на рисунке 4.

Полученные результаты стойкостных экспериментов позволяют сделать заключение о том, что с точки зрения повышения

5 11 17 25 23 а,А/Змг

~0 То ~20 20 Тд Г, мм

Рис.3. Зависимость толщины, пористости и микротвердости от параметров процесса МДО: концентрация раствора электролита - Д - 1; плотность тока - * - 2: время - о - 3.

ом

о.ъ 0,2 0,4

\ Л

—о

о А

ОД*:

250 е2 5 то • У~м/миц

50 175 зао ""/мин

0.2

ОЛ

г}и

Рис.4. Зависимость выходных параметров от режимов резания: скорости - о - 1: подачи - * - 2: глубины резания - д - 3.

производительности обработки целесообразно работать на большей скорости, а подача и глубина резания должны быть минимальными. Таким образом, наиболее предпочтительными режимами резания являются: 4= 625 м/мин: ¡5= 50 мм/мин: 1= 0,1мм.

Стойкость инструмента, с учетом принятых режимов резания, составляет порядка 3-4 минут, что является достаточным для его одноразового использования в медицине. В реальных условиях работы стойкость подобного инструмента значительно возрастает за счет облегчения условий его эксплуатации.

й пятой г.ттаар представлены математические модели процесса резания и произведен анализ конкурентоспособности разработанного инструмента.

Анализ полученных экспериментальных данных проводился при помощи специальной программы, предназначенной для проведения на ЭВМ последовательного регрессионного анализа статистических данных с целью построения регрессии заданного вида и статистического анализа полученного уравнения. С помощью данной программы исследовалась форма связи между поверхностью отклика с одной стороны и факторами АОП и режимами резания с другой в виде параболической и линейной степенной регрессии. Расчет коэффициентов регрессии производился методом наименьших квадратов.

Из большого количества полученных моделей было выбрано по одной для каждой комбинации "возмущаюций фактор-отклик", отличашейся наибольшей адекватностью. В качестве оценки адекватности модели был принят коэффициент множественной корреляции С КМЮ. В таблице 2 приведены примеры полученных моделей.

Большинство полученных моделей соответствует 5%-ному доверительному интервалу, что говорит о достаточном точном отражении состояния процесса резания. Разработанные математические модели позволили перейти к решению оптимизационной задачи выбора параметров сформированного АОП и назначения режимов резания, обеспечивающих максимальную стойкость ин-

струмента.

Таблица 2. Примеры математических моделей процесса резания.

1 ■ ' 1 Математическая модель процесса 1 Оценка адекват- 1

1 резания ности модели 1 КМК 1

/— кг/у цч -ал 0,997 1

, -ц/г -т -г/з 1 Т=19,8?*У *5 0,998 I

1 0ю=0, 0,998 I

1 I 1

С учетом результатов экспериментальных исследований была определена конкурентоспособность разработанного одноразового инструмента. Расчеты показали, что конкурентоспособность инструмента Спо шкале от 0 до 1) из алюминиевого сплава АМгЗ с анодным оксидным покрытием составляет 0,63, тогда как у твердого сплава 0,18, а у алмаза 0,25.

Проведенное теоретическое изучение проблемы и опытно-экспериментальная работа позволили сформулировать следующие выводы:

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлена возможность получения методом микродугового оксидирования покрытия на алюминиевом сплаве АМгЗ толщиной 90-120 мкм и микротвердостью 1800-2500 НУ . Механические свойства полученного материала позволяют осуществлять процесс резания и, таким образом, становится возможным применить его в качестве инструментального материала Снапример в медицине, в стоматологии).

2. Теоретическими исследованиями напряженного состояния в точке режущей кромки, с позиции теории упругости, установ-

лена, что напряжения, возникающие на поверхности контакта инструмента с обрабатываемым материалом и в объеме упрочненного слоя, не превышают предельных значений разрушающих нагрузок для подобного материала.

3. Установлены рациональные режимы микродугового оксидирования (плотность тока, время нанесения покрытия, концентрация раствора электролита) и их влияние на толщину, пористость и микротвердость АОП, позволяющее управлять структурой покрытия и прогнозировать его свойства. Выявлена возможность получения покрытия на режущем инструменте, обеспечивающего стойкость, достаточную для использования подобного инструмента в качестве одноразового в стоматологии С 3-4 минуты) .

4.Выявлена зависимость стойкости инструмента от принятых режимов резания: скорости резания С 250-1000 м/мин), подачи С50-300 мм/мин), глубины резания СО,1-0,3 мм). В исследуемом диапазоне увеличение скорости повышает стойкость инструмента, а увеличение подачи и глубины снижает её.

5. Установлена связь между характеристиками структуры инструмента и его режущими свойствами. Инструмент с толщиной покрытия 90-120 мкм и пористостью не более 10-15% обладает наибольшей стойкостью.

6. Разработаны возможные варианты конструктивного исполнения инструмента из сплава АМгЗ с анодным оксидным покрытием (фисурный зубной бор, дисковая фреза, сборный инструмент- фреза). Новизна конструкции подтверждена патентом РФ.

7. Обоснована экономическая и технологическая целесообразность изготовления одноразового стоматологического инструмента. Произведеный, на основе экспертных оценок, расчет конкурентоспособности показал, что разработанный инструмент, при использовании его в качества одноразового, имеет рейтинговую оценку 0,63, что в 2-3,5 раза выше, чем у аналогичного инструмента из твердого сплава СО,18) и алмаза С0,25).

8. Разработаны рекомендации по технологии изготовления и условиям эксплуатации оригинальных конструкций одноразовых режущих медицинских инструментов. Проведена апробация ин-

струмента в реальных условиях работы. Получены положительные результаты, отражение в актах испытаний.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Дорофеев В. Д., Атрощенко Э. С., Зубков А. Б., Широков JL И. Оптимизация условий упрочнения и эксплутационных возможностей инструмента из алюминиевых сплавов с анодным покрытием. //Проблемы управления точностью автоматизированных производственных систем: Сбор.статей/ Междунар. науч.-техн. конфер. Пенза. 25-26 июня 1996г. - Пенза: Изд-во ПДЗ, 1996. с.206-208.

2 . Дорофеев В. Д., Атрощенко Э. С., Зубков А. Б., Широков J1. И. Исследование возможности создания одноразового инструмента из алюминиевых сплавов с анодным покрытием для стоматологии. //Сборник ПГТУ- - Пенза. Св печати)

3. Зубков А.Б., Широков Л.И. Исследование возможности применения алюминиевых сплавов с анодным покрытием для изготовления одноразового стоматологического инструмента. //Современные технологии в машиностроении: Матер. конфер. /Науч. -техн. конфер. Пенза. Январь 1996 г. - Пенза: Изд-во ПДЗ, 1996. - с. 90-93.

4. Широков Л.И. Одноразовый стоматологический инструмент: ЦНТИ, ИнФ. листок N149-96. - Пенза: Изд-во Панз. ЦНТИ, 1996.

5. Патент N2094184 на изобретение "Режущий инструмент", авторы: Дорофеев В. Д., Атрощенко 3. С., Зубков А. Б., ШироковЛ. И., - 1997г.