автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение качества поверхности керамического инструмента для повышения его износостойкости при обработке закаленных сталей

На правах рукописи

Боровский Владислав Георгиевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ КЕРАМИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.02.08 Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004

Работа выполнена на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» (ВТО) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Зашита диссертации состоится «25» ноября 2004 г. в 10.00 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.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Григорьев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гречишников Владимир Андреевич

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Балыков Александр Викторович

Ведущее предприятие: Московское машиностроительное

производственное предприятие «САЛЮТ»

Ученый секретарь диссертационного совета

¿QQS-Ч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа выполнялась в рамках совместного проекта МГТУ «СТАНКИН» и Берлинского технического университета «Повышение прочности режущей керамики в результате целенаправленного воздействия на поверхностный слой материала абразивного инструмента и физического осаждения покрытий» (№ 02-02-04015) и финансировалась Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ) и Немецким научно-исследовательским обществом (DFG).

Актуальность работы

В современном производстве вопросы финишной обработки деталей высокой твердости в основном решаются шлифованием. Характерной особенностью шлифования является его высокая теплонапряженность, вызывающая в поверхностном слое деталей структурные превращения и образование значительных остаточных напряжений. Благодаря совершенствованию инструментальных материалов и увеличению жесткости, виброустойчивости и точности перемещений станков, сегодня появилась реальная возможность заменить шлифование высокотвердых материалов лезвийной обработкой.

Одними из наиболее перспективных инструментальных материалов для обработки материалов с твердостью выше 50 HRC являются различные виды инструментальной минералокерамики - оксидно-карбидная, нитридная и др. Эти материалы имеют низкую стоимость исходного сырья, обладают высокой твердостью и термостойкостью в широком диапазоне температур, а также химической пассивностью по отношению к обрабатываемым материалам. Вместе с тем, широкое применение инструмента, оснащенного пластинами из минералокерамики, сегодня ограничено из-за его низкой надежности, проявляющейся в виде хрупкого разрушения режущей части (скалывания и выкрашивания) в различные периоды работы инструмента. Это является следствием низкой прочности, а также чувствительности минералокерамики к циклическим нагрузками и термическим ударам.

Поэтому исследования, направленные на повышение прочностных свойств минералокерамики с целью повышения ее сопротивления хрупкому разрушению и расширения областей технологического применения, являются актуальными.

Цель работы

Повышение сопротивления инструмента из минералокерамики хрупкому разрушению при точении и фрезеровании закаленных сталей за счёт улучшения качества поверхностного слоя р е ж пластин, обеспеч^ваздкдо е н и е м

планетарного алмазного шлифования с последующим нанесением вакуумно-плазменных покрытий.

Научная новизна работы

- установлены функциональные зависимости глубины дефектного слоя и шероховатости поверхности от условий процесса планетарного алмазного шлифования пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералоке-рамики;

- разработаны и научно обоснованы принципы конструирования и нанесения вакуумно-плазменных покрытий на пластины из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики, обеспечивающие повышение сопротивления хрупкому разрушению при обработке закаленных сталей.

Практическая ценность

- получены расчетные формулы для определения глубины дефектного слоя, формируемого при планетарном алмазном шлифовании пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики, в зависимости от режимов шлифования;

- предложена конструкция и составы вакуумно-плазменных покрытий для пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики, предназначенных для точения и торцевого фрезерования закаленных сталей;

- получены расчетные формулы для определения стойкости пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики после поверхностной обработки, включающей планетарное алмазное шлифование и нанесение вакуумно-плазменных покрытий, при точении и торцевом фрезеровании закаленных сталей в широком диапазоне режимов резания.

Обшая методика исследований

Задачи, поставленные в работе, решались методами аналитических, численных и экспериментальных исследований. В работе использованы научные основы технологии машиностроения, теории резания материалов и механики разрушения материалов, а также современные методики и оборудование для исследования свойств поверхностных слоев материалов и тонких покрытий.

Апробация работы

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки МГТУ «СТАНКИН» и семинаре в Берлинском техническом университете, на Международных научно-технических конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью - 2003» в Звенигороде, «Ресурсосбере-2

гающие технологии в машиностроении - 2003» и «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды - 2004» в Бийске, «Производство. Технология. Экология - 2003 и 2004» в Москве, а также были удостоены серебряной медали третьего Московского международного салона инноваций и инвестиций 2003 года.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 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 основные положения, выносимые на защиту, описывается научная и практическая ценность результатов работы, приводятся сведения об апробации и реализации основных положений диссертации.

В первой главе представлен литературный обзор состояния проблемы -приводятся сведения о преимуществах применения лезвийной обработки керамическим инструментом вместо абразивной, о марках инструментальной керамики, изготавливаемых отечественной промышленностью, исследуются особенности изнашивания пластин из керамики и основные причины их отказов в условиях постоянных и циклических нагрузок, анализируются существующие методы повышения работоспособности инструмента, оснащенного пластинами из минералоке-рамики.

Проведенный обзор литературных источников позволил выявить основные преимущества применения лезвийной обработки инструментом, оснащенным минералокерамическими пластинами, перед абразивной обработкой. Основные из этих преимуществ заключаются в отсутствии дефектов в поверхностном слое обработанных деталей, свойственных абразивной обработке - при-жогов, трещин, растягивающих напряжений, шаржирования абразивом, а также в возможности обработки без использования смазочно-охлаждающих жидкостей, что позволяет реализовать экологически чистые технологии механической обработки.

Среди минералокерамических материалов в отечественной промышленности наибольшее распространение получила оксидно-карбидная (ВОК-60,

ВОК-71, В0К-200), оксидно-нитридная (0НТ-20) и нитридная (силинит-Р) режущая керамика. В отличие от твердых сплавов минералокерамика не имеет связующей фазы, в ее состав входят только твердые компоненты - оксиды, карбиды и нитриды. Поэтому керамика обладает высокой твердостью (до 94 БКА) и теплостойкостью (1200-1400 °С), что позволяет производить механическую обработку материалов со скоростями резания до 600 м/мин. В тоже время, отсутствие пластичной фазы в структуре керамики определяет ее главный недостаток - пониженные прочностные свойства. Кроме того, отличительной особенностью минералокерамики является ее низкая теплопроводность, вследствие которой тепло, выделяемое в процессе резания, концентрируется у режущей кромки.

Нитридная керамика обладает наибольшими значениями прочности на изгиб и коэффициентом теплопроводности среди других инструментальных керамик, поэтому наиболее рационально ее использование либо на операциях прерывистого резания, когда режущая кромка пластины подвергается циклическим нагрузкам во время чередования рабочего и холостого ходов, либо при обработке труднообрабатываемых сплавов, например на основе никеля. Областью применения оксидно-карбидной и оксидно-нитридной керамики в основном является токарная обработка сталей и чугунов (главным образом закаленных).

Обзор различных литературных источников, а также анализ результатов исследований, проведенных в МГТУ «СТАНКИН», показал, что среди отказов ми-нералокерамических пластин подавляющую долю составляют отказы, вызванные хрупким разрушением инструментального материала (сколы и выкрашивания) -до 55% при точении и до 80% при фрезеровании. Причиной этого являются, во-первых, низкие прочностные свойства и теплопроводность минералокерамики, а во-вторых, дефекты объема и поверхности, образующиеся при спекании и прессовании пластин, а также их шлифовании.

Поэтому все направления совершенствования минералокерамики связаны с улучшением ее прочностных свойств, в том числе за счет минимизации дефектов, образующихся на различных этапах изготовления пластин, и повышением ее теплопроводности. Существующие направления совершенствования пластин из ми-нералокерамики условно можно разделить на 3 группы: совершенствование объемных свойств (объемное легирование керамики /Ю2, М^О, ТШ, армирование волокнами БЮ, горячее изостатическое прессование, золь-гель технологии и др.); совершенствование поверхностных свойств (оптимизация технологии алмазного

шлифования пластин, вакуумный отжиг, ионная имплантация, лазерная обработка, нанесение износостойких покрытий CVD-методом); оптимизация геометрических параметров (увеличение радиуса округления режущих кромок р и угла заострения /} (создание отрицательного переднего угла у)).

На основе критического анализа научно-технической информации, посвященной различным методам повышения работоспособности минералокерамиче-ских пластин, была сформулирована цель исследований, для достижения которой необходимо решить следующие задачи:

- исследовать закономерности изменения напряженного состояния, глубины дефектного слоя и шероховатости поверхности в зависимости от условий процесса планетарного алмазного шлифования пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики;

- разработать принципы конструирования и нанесения износостойких покрытий PVD-методом на режущие пластины из токонепроводящих оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики;

- предложить конкретные конструкции и составы износостойких покрытий для пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики, предназначенных для точения и торцевого фрезерования закаленных сталей;

- исследовать влияние применения схемы планетарного шлифования и нанесения износостойких покрытий на изменение прочностных характеристик пластин из различных марок минералокерамики;

- установить зависимость стойкости пластин из оксидно-карбидной и нит-ридной минералокерамики после поверхностной обработки, включающей планетарное алмазное шлифование и нанесение износостойких покрытий, от режимов резания при точении и торцевом фрезеровании закаленных сталей;

- исследовать шероховатость обработанной поверхности деталей из закаленных сталей, достигаемую при обработке пластинами из минералоке-рамики, прошедшими поверхностную обработку по предлагаемой технологии (планетарное шлифование и нанесение покрытий);

- произвести производственные испытания пластин из минералокерамики после планетарного шлифования и нанесения покрытий.

Во второй главе исследуются особенности планетарной схемы шлифования минералокерамических пластин, устанавливаются взаимосвязи между режимами

процесса шлифования и параметрами, характеризующими качество поверхностного слоя пластин.

Производство режущих пластин из минералокерамики включает в себя большое количество технологических операций. При этом одна из самых важных - механическая абразивная обработка. Хорошо известно, что процесс алмазного шлифования инструментальной керамики сопровождается высокими контактными температурами и силовыми нагрузками, которые являются следствием ее высокой твердости и низкой теплопроводности.

Главной проблемой шлифования любой инструментальной керамики является образование поверхностного слоя, содержащего значительное количество дефектов - микротрещин, кратеров и пор. При алмазном шлифовании на поверхности керамических пластин формируются видимые риски - следы алмазных зерен, в виде перекрещивающихся под разными углами относительных траекторий. При измерении шероховатости вдоль и поперек рисок, она изменяется на 15-20 % от среднего значения. Под шероховатым рельефом поверхности пластин находится дефектный слой, глубина которого может в 5-8 раз превышать значение параметра шероховатости Ra. На практике для удаления такого слоя нередко приходится применять различные дополнительные виды обработки.

Формирование при шлифовании поверхностного дефектного слоя оказывает крайне негативное влияние на эксплуатационные показатели режущих пластин из керамики, и наряду с низкими прочностными свойствами является основной причиной хрупкого разрушения инструмента в процессе резания в виде сколов и выкрашиваний. Поэтому в настоящее время повышение эффективности технологии абразивной обработки минералокерамических пластин ведется в направлениях рационального сочетания и управления факторами, влияющими на теплонапряжен-ность процесса с целью снижения шероховатости и уменьшения глубины дефектного слоя. При этом вопросы производительности обработки отходят на второй план.

Вопросы, касающиеся повышения эффективности процесса алмазного шлифования пластин из минералокерамики, подробно отражены в работах Лавриненко В.И., Никиткова Н.В., Сытника А.А., Старкова В.К., Кузина В.В, Бурмистрова В.В., Приварникова О.А Перечисленными авторами всесторонне исследовано влияние характеристик алмазного инструмента (марки синтетических алмазов, зернистости, типа связки и т.д.) и режимов шлифования (скорости круга, продольной и поперечной подачи, вида СОЖ, условий правки круга и т.д.) на выходные

показатели процесса шлифования (производительность, шероховатость поверхности пластин, их прочностные характеристики и т.д.).

На сегодняшний день практически неизученным остается лишь влияние целенаправленного изменения кинематики движения шлифовального круга или обрабатываемых пластин на выходные показатели процесса шлифования. В настоящей работе было исследовано влияние планетарного движения обрабатываемых пластин на параметры, характеризующие качество поверхностного слоя, формируемого в процессе шлифования.

Принципиальная схема оборудования для реализации процесса планетарного шлифования пластин из минералокерамики представлена на рис. 1.

Это оборудование имеет планетарную головку и два шлифовальных круга, которые вращаются со скоростью УК. При этом верхний шлифовальный круг воздействует на обрабатываемые пластины с постоянным давлением Р. Планетарная головка, состоит из пяти держателей пластин (сателлитов), которые вращаются вокруг своих осей и

Рис. 1. Принципиальная схема процесса планетарно-оси планетарной головки. Го шлифования пластин из минералокерамики

Держатели пластин находятся в зацеплении с внешним (неподвижным) и внутренним (вращающимся) зубчатыми венцами планетарной головки. Передача вращения держателям пластин осуществляется от электродвигателя станка через внутренний зубчатый венец планетарной головки, который вращается со скоростью Уз. В результате траектория движения пластин представляет собой эпитрохоиду.

Для проведения экспериментов были изготовлены специальные образцы из оксидно-карбидной (АЬОз+'ЛС) и нитридн^йми^ералокерамики. При проведении исследований оценивались: шероховатость обработанной поверхности (Ка), глубина дефектного слоя (Тд) и остаточные напряжения в поверхностном слое. В процессе экспериментов варьировали факторы процесса планетарного шлифования - скорость шлифовальных кругов давление верхне-

го шлифовального круга (Р=8...20 Н/см2) и скорость вращения зубчатого венца (Уз=10.. .48 м/мин).

Планетарному шлифованию подвергались только передние поверхности образцов. Связано это с тем, что именно к состоянию передней поверхности предъявляются особые требования, так как в большинстве случаев отказ пластин в процессе резания в виде хрупкого разрушения наступает из-за развития микротрещины на передней поверхности с последующим ее выходом на режущую кромку.

Исследования методом рентгенографического анализа распределения остаточных напряжений в поверхностном слое керамических образцов после различных схем шлифования (планетарного и обычного торцевого), свидетельствуют об общности характера их изменения в дефектных слоях нитридной и оксидно-карбидной керамики, но значения формируемых напряжений существенно различаются (рис. 2). Хорошо видно, что применение планетарной схемы шлифования существенно снижает максимальные значения остаточных напряжений в поверхностном слое пластин.

1 2 3 4 5

Расстояние от поверхности, мкм Рис. 2. Распределение напряжений в поверхностном слое керамических пластин после различных схем шлифования

При обычном шлифовании на поверхности нарушенного слоя формируются большие сжимающие напряжения (590 МПа для нитридной и 800 МПа для оксидно-карбидной керамики), после чего наблюдается их достаточно резкое уменьшение и переход в напряжения растяжения (220 МПа для нитридной и 310 МПа для оксидно-карбидной керамики), которые затем плавно снижаются и стабилизируются. При использовании планетарной схемы шлифования формируются значительно меньшие сжимающие напряжения (190 МПа для нитридной и 380 МПа для оксидно-карбидной керамики), а растягивающие напряжения не превышают 100 МПа. Глубина, на которой происходит стабилизация остаточных напряжений, обычно принимается за глубину дефектного слоя, формируемого при шлифова-

нии. Было установлено, что глубина дефектного слоя при использовании планетарной схемы шлифования не превышает ~ 4 мкм, тогда как этот показатель для традиционного шлифования составляет ~ 5-8 мкм.

Проведенные исследования показали, что на напряженное состояние поверхностного слоя определяющее влияние оказывает давление шлифовального круга, с увеличением которого происходит достаточно сильное увеличение глубины дефектного слоя, что связано с увеличением толщины среза. Так, с увеличением давления с 8 до 16 Н/см2, глубина дефектного слоя увеличивается ~ с 1,1 до 3 мкм. Увеличение скорости вращения зубчатого венца также ведет к увеличению глубины дефектного слоя, что опять связано с ростом толщины среза. С увеличением скорости вращения шлифовального круга, наоборот, глубина дефектного слоя несколько снижается.

На основании обработки результатов проведенных исследований были получены расчетные зависимости, устанавливающие связь между глубиной дефектного слоя, формируемого при планетарном алмазном шлифовании различных инструментальных керамик, и режимами обработки:

Для нитридной керамики: Гд =139,6 К^0,3 К30'32 (Ю_2Р)1'92

Для оксидно-карбидной керамики: Гд =101,б^1^® И^'47 (10"2pj2.11

Исследования шероховатости поверхности образцов из минералокерамики показали, что между ее значениями и значениями факторов процесса планетарного шлифования прослеживается связь, аналогичная той, которая была установлена для глубины дефектного слоя (рис. 3).

Скорость круга. Скорость з/венца, Давление круга, м/с и/мин Н/см2

Рис. 3. Влияние режимов планетарного шлифования на шероховатость поверхности пластин из нитридной керамики

Тот факт, что с увеличением скорости шлифовального круга шероховатость поверхности уменьшается, по-видимому, связан с тем, что при этом уменьшается

толщина среза, приходящаяся на единичное алмазное зерно. Однако такая положительная тенденция наблюдается только в диапазоне скоростей - 15.. .35 м/с. Как показали проведенные исследования, увеличение скорости свыше 35 м/мин резко увеличивает теплонапряженность процесса шлифования и приводит к сколам по краям пластин и их растрескиванию.

Необходимо отметить еще одну важную особенность, обнаруженную при исследовании процесса планетарного шлифования - при шлифовании с постоянным давлением круг после правки глубоко внедряется в поверхность керамических заготовок, формируя высокий шероховатый рельеф, а по мере его притупления, и, как следствие, уменьшения толщины среза, высота микронеровностей может уменьшаться до 2,5 раз (рис. 4).

Рис. 4. Профилограмма, снятая с поверхности керамического образца после алмазного

планетарного шлифования

Сравнение шероховатости поверхности пластин, которая может быть достигнута планетарным шлифованием и обычным торцевым шлифованием по режимам, рекомендуемым в справочной литературе, показывает, что использование планетарной схемы шлифования позволяет снизить параметр шероховатости Ra до 1,3 раза.

Третья глава посвящена вопросам разработки технологии нанесения и конструирования вакуумно-плазменных покрытий, а также выбора их состава для режущих пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики, предназначенных для точения и фрезерования закаленных сталей.

Как известно, повышение работоспособности минералокерамических пластин может быть достигнуто за счет нанесения различных по конструкции и составу износостойких покрытий. При этом роль износостойких покрытий весьма разнообразна и может заключаться в следующем.

1. Нанесение покрытий может обеспечить «эффект залечивания» дефектов (микротрещин, пор и т.д.), формируемых в поверхностном слое керамических пластин на различных этапах их производства (главным образом, при абразивной обработке). 10

2. Поверхностное покрытие может тормозить или останавливать развитие фронта трещин, идущих из глубины пластины в направлении поверхности. Такой механизм наиболее полно можно реализовать применением многослойного покрытия с чередующимися слоями переменной твердости.

3. Нанесение износостойких покрытий может несколько повысить сопротивляемость контактных площадок пластин из минералокерамики абразивному изнашиванию в процессе резания.

4. За счет использования покрытий с высоким коэффициентом теплопроводности, можно уменьшить термическое воздействие на режущую кромку за счет улучшения теплоотвода.

5. Покрытие, нанесенное на пластину из минералокерамики, несколько увеличивает длину контакта стружки с передней поверхностью, что ведет к снижению значений напряжений, действующих в процессе резания на режущую кромку со стороны передней поверхности.

6. Нанесение износостойких покрытий увеличивает радиус округления р режущих кромок, что оказывает положительное влияние на их прочность.

За рубежом на режущие пластины из различных инструментальных керамик и сверхтвердых материалов покрытия наносят методами химического осаждения вещества из парогазовой фазы (СУО), недостатками которых являются высокая токсичность используемых реагентов и невозможность управления свойствами формируемых покрытий. Этих недостатков в значительной степени лишены методы физического осаждения покрытий в вакууме (РУО).

Подавляющее большинство отечественных исследований, посвященных разработке технологий и оборудования для нанесения покрытий методом РУО, выполнены для инструментов из твердых сплавов и быстрорежущих сталей. Вопросы нанесения покрытий на пластины из минералокерамики нашли отражение в работах Шатерина М.А., Верещаки А.С., Сенчило И.А., Кабалдина Ю.Г., Григорьева С.Н. Примеров технологий нанесения покрытий в вакууме на режущие пластины из минералокерамики в промышленных масштабах на сегодняшний день не имеется. Связано это в первую очередь с тем, что минералокерамика обладает очень низкой электропроводностью, что делает невозможным применение к ней традиционных методов, использующихся для электропроводных быстрорежущих сталей и твердых сплавов, например, широко используемого метода конденсации покрытий в вакууме с ионной бомбардировкой, основанного на подаче на обрабатываемые инструменты высокого отрицательного напряжения.

Процесс осаждения покрытий по методу конденсации покрытий в вакууме с ионной бомбардировкой на электропроводящие подложки условно можно разделить на два этапа - ионная очистка поверхности и непосредственно конденсация покрытия. На этапе очистки при подаче отрицательного напряжения (900-1000 В) происходит ускорение ионного потока и осуществляется интенсивное распыление поверхности. Именно на стадии очистки дефектный слой, сформированный при абразивной обработке пластин, может быть полностью или частично удален. На этапе конденсации покрытия при подаче отрицательного напряжения (150-250 В) также происходит ускорение ионного потока, но поверхность не распыляется, как это происходит в случае очистки, а активируется, в результате чего резко возрастает подвижность атомов и увеличивается прочность адгезионной связи осаждаемого покрытия с субстратом.

Поскольку минералокерамика обладает очень низкой электропроводностью, подать на нее отрицательное напряжение нельзя. В результате этого распыление поверхности минералокерамических пластин при очистке практически не происходит, а на этапе конденсации формируются покрытия низкой плотности и с невысокой прочностью адгезионной связи, которые могут частично разрушаться и отслаиваться уже в первые секунды работы инструмента.

Поэтому для осаждения высококачественных покрытий на пластины из различных марок минералокерамики был разработан новый способ, реализация которого осуществляется вообще без подачи на керамические подложки отрицательного напряжения. На рис. 5 изображена принципиальная схема нового способа в соответствии с которым, обрабатываемые пластины 1 совершают планетарное вращение внутри вакуумной камеры 2 на поворотном устройстве 3. Очистка подложек осуществляется с помощью источников 4, генерирующих пучки ускоренных частиц. Исследования показали, что для распыления поверхности пластин из оксидно-карбидной и нитридной керамики в про-

Рис. 5. Принципиальная схема нанесения покрытий на керамику методом конденсации в вакууме с ионной бомбардировкой

цессе очистки можно использовать молекулы различных газов (например, аргона) с энергией 0,5...0,8 эВ. В процессе конденсации покрытия происходит испарение мишеней 5 электрической дугой в вакууме в присутствии реактивного газа. Одновременно с этим, происходит активация поверхности и бомбардировка осаждаемого покрытия молекулами аргона с энергией 50... 150 эВ. Было установлено, что на однородность распределения покрытий по поверхностям пластин большое влияние оказывает угол а, определяющий расстояние между осями источников металлической плазмы: с его уменьшением однородность распределения возрастает. Таким образом, предложенная схема позволяет исключить в процессе нанесения покрытий подачу отрицательного напряжения на обрабатываемые пластины.

Выбор конструкции и состава износостойких покрытий для пластин из ми-нералокерамики является неоднозначной задачей. На основе имеющегося опыта эксплуатации инструментов с покрытиями, в качестве оптимальной конструкции износостойких покрытий была предложена простая двухслойная композиция -адгезионный слой + износостойкий слой. Можно предположить, что адгезионный слой, расположенный между керамической подложкой и износостойким слоем, будет служить преградой для распространения трещин двух типов: идущих из глубины керамической пластины в направлении поверхности и тех, которые могут образовываться на поверхности покрытия и прорастать в инструментальную основу. Этот слой должен обладать кристаллохимической совместимостью с керамической подложкой и наружным износостойким слоем, иметь высокую теплопроводность и пластичность. Износостойкий слой должен обладать высокими значениями микротвердости и термостойкости и иметь минимальное сродство с обрабатываемым материалом. Использование описанной конструкции износостойких покрытий позволяет в наибольшей степени реализовать описанные выше эффекты от их применения.

Проведенная оценка свойств различных соединений и их стоимости, позволили для режущих пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики обрабатывающих закаленные стали типа ШХ 15 (62-65 ИЯС) предложить следующий состав износостойкого покрытия: в качестве адгезионного слоя использовать слой на основе чистого титана толщиной 1_1,5 мкм, а в качестве износостойкого слоя - двухкомпонентный нитрид (Т^.хАуЫ толщиной 4-7 мкм.

Важным достоинством нитрида является высокая термостойкость

и образование при повышенных температурах резания на его поверхности плотного аморфного слоя который препятствует окислению и взаимодействию с обрабатываемым материалом. Варьируя содержанием алюминия мож-

но получить широкий диапазон твердости покрытия — от 10 до 42 ГПа. Естественно, что в зависимости от характера процесса резания (прерывистое или непрерывное) оптимальное содержание алюминия в покрытии будет различным.

Оценка интенсивности изнашивания пластин с различными покрытиями из оксидно-карбидной керамики при продольном точении, а из нитрид-ной керамики при торцевом фрезеровании стали ШХ15, позволили хоть и приближенно, но установить оптимальное содержание компонентов в двухэлементном нитридном покрытии. Для оксидно-карбидной керамики - (ИодА^в)!^, а для нитридной керамики

Известно, что вследствие неизменности свойств покрытия в пределах одного слоя, на границе раздела с инструментальной основой происходит резкое изменение физико-механических свойств, приводящее к образованию в покрытии высоких остаточных напряжений и, как следствие, к снижению прочности адгезионной связи покрытия с основой, которая является наиболее важным условием успешной эксплуатации режущего инструмента с покрытием. Для того, чтобы обеспечить плавное изменение свойств по глубине износостойкого слоя было предложено в процессе его осаждения линейно уменьшать давление реакционного газа от ~0,3 Па до ~0,01 Па. В результате этого обеспечивается плавное снижение твердости по глубине покрытия с ~38 ГПа до ~30 ГПа (для покрытия (Тло.фАЬ.б)!^) и с ~32 ГПа до ~26 ГПа (для покрытия Т^А^). Было установлено, что при реализации такой схемы осаждения коэффициент отслоения покрытия уменьшается до 2 раз.

В четвертой главе исследуется влияние применения схемы планетарного шлифования и нанесения вакуумно-плазменных покрытий на прочность при изгибе пластин из минералокерамики и их эксплуатационные показатели при обработке закаленных сталей.

Как показали проведенные исследования, использование схемы планетарного шлифования (ПШ) передней поверхности минералокерамических пластин и последующее нанесение покрытий позволяет существенно увеличить прочность на изгиб. В таблице 1 представлены результаты измерения прочности по схеме четырехточечного изгиба пластин, прошедших различные виды поверхностной обработки. Значения прочности рассчитывали по результатам испытаний 20 образцов 4 различных групп.

Из представленных данных видно, что средняя прочность на изгиб образцов, передняя поверхность которых была подвергнута планетарному шлифованию, немного возрастает по сравнению с исходными образцами, в то время как

нанесение износостойких покрытий на 15% увеличивает среднюю прочность на изгиб образцов из оксидно-карбидной и на 12% из нитридной керамики.

Таблица 1. Значения прочности на изгиб пластин, прошедших различные виды поверхностной обработки.

Тип керамики Оксидно-карбидная керамика Нитридная керамика

исходная после ПШ с покрытием после ПШ с покрытием исходная после ПШ с покрытием после ПШ с покрытием

О юг (средняя), МПа 539 557 622 659 680 711 759 812

°изг (макс). МПа 580 587 641 682 718 743 789 834

ашг (мин), МПа 502 529 594 638 639 674 725 782

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что как самостоятельная операция, планетарное шлифование не позволяет существенно улучшить прочностные характеристики керамических пластин, но в сочетании с нанесением износостойких покрытий, обеспечивает существенное увеличение прочности - на 22% для оксидно-карбидной и на 19,5% для нитридной керамики, а также снижения разброса ее значений.

В дальнейшем проводились сравнительные испытания исходных пластин и пластин, прошедших поверхностную обработку по предлагаемой схеме. Испытания проводились при продольном точении и торцевом симметричном фрезеровании заготовок из стали ШХ15 (62-65 ЫЯС) в широком диапазоне режимов резания.

При продольном точении использовались квадратные пластины из оксидно-карбидной минералокерамики ВОК-71 (А^Оз+ТЮ) без поверхностной обработки и после планетарного шлифования и нанесения покрытия

дующей геометрией: у=-10о; а=10о; а]=10о; ф=450; ф1=450. Режимы обработки варьировали в широких пределах: У=50...350 м/мин; 5=0,08...0,5 мм/об; 1=0,2...3

мм.

При торцевом фрезеровании использовались сборные фрезы с механическим креплением квадратных пластин из нитридной керамики

- без поверхностной обработки и пластины после планетарного шлифования и нанесения со следующей

геометрией: "^-Ю0; а=10о. Режимы обработки варьировали в широких пределах:

У=50...350 м/мин; 5=0,08...0,5 мм/зуб; 1=0,2...3 мм; В=50..Л00 мм; В=50...1Ю

Проведенные эксперименты показали, что использование пластин после планетарного шлифования передней поверхности и нанесения покрытий увеличивает стойкость инструмента в 1,5-3 раза во всем исследуемом диапазоне режимов резания. Фрагменты экспериментальных данных приведены на рис. 6.

Однако наиболее важным результатом является то, что предлагаемая поверхностная обработка существенно изменяет вид отказов минералокерамических пластин (таблица 2). Было установлено, что при точении до 90% всех отказов удается свести к отказам, связанным с достижением задней поверхностью пластины установленного значения износа (в данном случае 0,3 мм), а при фрезеровании этот показатель приближается к 75 %. Вне всякого сомнения, полученные результаты связаны с описанными выше эффектами от применения планетарной схемы шлифования и нанесения покрытий.

Таблица 2. Структура отказов инструмента из минералокерамики при обработке закаленной стали ШХ15.

Вид обработки Вид отказов (в %)

Изнашивание (0,3 мм) Хрупкое разрушение

Скол Выкрашивание

Точение (А^З +ТЮ) 1) исходная 2) после ПШ с покрытием 45 90 10 45 10

Фоеэеоование (БЩ) 1)исходная 2) после ПШ с покрытием 15 75 30 5 55 20

Конечно данные, представленные в таблице 2, являются усредненными, а процент того или иного вида отказов напрямую будет зависеть от режимов обработки.

На основе математической обработки экспериментальных данных были получены расчетные зависимости для определения стойкости пластин, прошедших вышеописанную поверхностную обработку, при точении и фрезеровании закаленных сталей типа

При продольном точении пластинами из оксидно-карбидной керамики:

592,5 у0,1 £0,3,0,24 ' где V - скорость резания (м/мин); Б - подача (мм/об); I - глубина резания (мм). При торцевом симметричном фрезеровании пластинами из нитридной кера-

мики:

Т =

67,2£>0'39

у 0,53 £ 0,73 ^ 0,21 £0,1420,1 '

где V - скорость резания (м/мин);

Э - диаметр фрезы (мм);

Бг - подача (мм/зуб); I - глубина резания (мм); В - ширина фрезерования (мм); г - число зубьев.

Чтобы проверить возможность замены операции шлифования закаленных сталей на точение инструментом, оснащенным пластинами из минералокерамики с поверхностной обработкой, исследовалась шероховатость обработанной поверхности детали. На рис. 7 представлены полученные экспериментальные данные.

| 1,25 се 1

-о £

5 0,75 §

I 0,5

I

3 0,25

>=0,3 мм 'об

/ 5=0,С 8 мм/об

1=0,3 / ..1мм С-

22

50 100 150 200 Скорость V, м/мин

250 300

0,08 0,12 0,16 0,2 Подача в, мм/об

Рис. 7. Влияние скорости резания (при t=l мм) и подачи (при V=200) на шероховатость обработанной поверхности детали из закалённой стали ШХ15

Видно, что параметр Ra, достигаемый в результате точения пластинами из минералокерамики, соизмерим с тем, который достигается шлифованием. При этом с увеличением глубины резания от 0,3 до 1 мм шероховатость поверхности ухудшается незначительно, а с увеличением подачи шероховатость возрастает более заметно.

Пятая глава посвящена производственным испытаниям пластин из оксидно-карбидной керамики, прошедших поверхностную обработку, на ОАО «Московский подшипник» (ГПЗ-1).

ОАО «Московский подшипник» в настоящее время является одним из ведущих предприятий отечественной подшипниковой промышленности и выпускает свыше 2000 типоразмеров подшипников всех видов и классов точности. Основными конструкционными материалами для их изготовления являются стали ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, 20Н2Н4А, 20ХН и 15Г1.

Детали в подшипнике работают в условиях многократного нагружения рабочих поверхностей. Участки поверхностей, на которых концентрируются нагрузки, являются очень небольшими, вследствие чего в них возникают высокие (порядка 3000-5000 Н/мм2) локальные напряжения переменного характера, которые распространяются на значительную глубину и в итоге приводят к усталостному разрушению деталей подшипников. Усталостное разрушение начинается с образования микротрещин с последующим их распространением вглубь материала. Образование и развитие усталостных трещин происходит в наиболее напряженных микрообъемах металла подшипника, ослабленных поверхностными и подповерхностными концентраторами напряжений. Очагами разрушения могут быть дефекты металлургического и технологического характера. Дефекты второго вида закладываются на операциях термической и механической обработки.

При изготовлении деталей крупногабаритных подшипников, в первую очередь колец, в процессе их термообработки происходят существенные деформации, поэтому возникает необходимость в назначении больших припусков на шлифование - до 2 мм на сторону. Столь большие припуски приводят к значительной трудоемкости операции шлифования, а также к повышенному расходу абразивного инструмента. Одновременно с этим, операция шлифования сама является одним из основных источников технологических дефектов, при которых на поверхности детали образуются локальные пятна отпуска (прижоги).

На рис. 8 представлена характерная кривая распределения твердости в поверхностном слое детали из закаленной стали (HRC 61-63) после шлифования. Там

же представлена кривая распределения твердости после токарной обработки инструментом, оснащенным пластиной из минералокерамики ВОК-60.

-1-1-1-1-1-1-1-+

0,02 0,06 0,1 0,14

Расстояние от поверхности, мм

Рис. 8. Характерная кривая распределения твердости в поверхностном слое детали из закаленной стали после различных видов механической обработки.

Сегодня одним из основных направлений совершенствования производства подшипников является замена шлифования на токарную обработку инструментами, оснащенными пластинами из минералокерамики и сверхтвердых материалов (СТМ). Главной проблемой для реализации этого, как уже указывалось, является повышенная склонность минералокерамических пластин к хрупкому разрушению и, как следствие, их пониженная надежность. Например, в некоторых случаях при обработке поверхности кольца большого диаметра приходится сменять до 2-3 режущих кромок (вершин) пластины.

В рамках выполнения настоящей работы были произведены сравнительные испытания квадратных пластин из минералокерамики ВОК-71, используемых на ГПЗ-1 для чистовой и получистовой обработки закаленных сталей, и тех же пластин, прошедших поверхностную обработку в соответствии с разработанными принципами - планетарное шлифование передней поверхности и нанесение износостойких покрытий. Испытания проводились на токарном станке мод. 17К20ПФ30 с ЧПУ при точении наружного диаметра внутреннего кольца подшипника из закаленной стали ШХ15СГ. В таблице 3 представлены режимы испытаний и их результаты, из которых видно, что пластины, прошедшие поверхностную обработку, имеют более высокую надежность.

Таблица 3. Результаты производственных испытаний пластин из минералокерамики при обработке кольца подшипника из закаленной стали ШХ15СГ.

Тип пластины ВОК-71 ВОК-71 после поверхностной обработки

№1 №2 №3 №4 №5 №6 N81 №2 N83 N84 N85 N<6

Режим резания У= 160 и/мин; 5=0,2 мм/ Ш

Стойкость Т (мин) 1 -ч- со о СО см со см г- 04 см со см ш см со см

Причина отказа § к О & 2 а со о* II 2 & 3 со со о" У» л & 2 т со о II г) •С со о* II « .с е-2 ш со о" II п •с со о" II 0> ■С со о* II со .с

Режим резания У=200 и/мин; 8=0,08 ми/об; <=0,5 ии

Стойкость Т (мин) см см 1Л <м 1Л г— СО см СО со <м С» со со со а> см <л со СО со

Причина отказа СО о и со -С СО о" и т ■с а х 3 ш со о" II п ■С & 2 а со о" и т £1 со о II т .с СО о" 9, ■с со о" - и <0 £1 СО о" II £ со о" II со с. со о II п -С

Основные выводы по работе:

1. Анализ условий работы и причин отказа инструмента, оснащенного пластинами из минералокерамики при обработке закаленных сталей, позволил разработать технологию повышения качества поверхностного слоя пластин, заключающуюся в планетарном алмазном шлифовании и последующем нанесении вакуум-но-плазменных покрытий.

2. Сравнительные исследования показателей качества поверхностного слоя керамических пластин после планетарного шлифования и традиционного торцевого шлифования показали, что при использовании планетарной схемы шлифования отмечается снижение значений остаточных напряжений в поверхностном слое в 22,5 раза, уменьшение глубины дефектного слоя в 1,3-2 раза и снижение шероховатости обработанной поверхности в 1,3 раза.

3. На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований была разработана технология нанесения износостойких покрытий в вакууме на пластины из неэлектропроводной минералокерамики и предложена конструкция износостойкого покрытия, представляющая собой двухслойную композицию, содержащую адгезионный и износостойкий слои.

4. Методом четырехточечного изгиба установлено, что использование схемы планетарного шлифования в сочетании с нанесением износостойких покрытий

позволяет увеличить среднюю прочность на изгиб образцов из оксидно-карбидной керамики на 22%, а из нитридной керамики на 19,5%.

5. На основе обработки результатов эксплуатационных испытаний установлено, что применение разработанных принципов поверхностной обработки увеличивает стойкость пластин из оксидно-карбидной керамики при точении, а из нитридной керамики при фрезеровании закаленных сталей в 1,5-3 раза по сравнению с исходными пластинами. Кроме того, установлено, что поверхностная обработка существенно повышает надежность процесса резания - при точении до 90% всех отказов сводятся к отказам, связанным с достижением износа по задней поверхности пластины установленной величины, а при фрезеровании до 75 %.

6. Экспериментально показано, что применение керамических пластин, прошедших поверхностную обработку, включающую планетарное алмазное шлифование и нанесение вакуумно-плазменных покрытий, при точении закаленных сталей с высокой производительностью обеспечивает шероховатость поверхности Ка=0,3-0,6 мкм. Это дает основание рекомендовать использовать точение инструментом, оснащенным пластинами из минералокерамики, вместо шлифования.

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Григорьев С.Н., Боровский В.Г. Разработка технологии нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент на основе минералокерамики и кубического нитрида бора // Обработка металлов. - 2003. -№ 3 (20). - с. 5-6.

2. Боровский В.Г. Нанесение износостойких покрытий на режущий инструмент на основе минералокерамики и кубического нитрида бора // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении. Материалы III Всероссийской научно-практической конференции 2003 г. Алтайский гос. техн. ун-т, БТИ. Бийск. 2003. с. 12-15.

3. Черкасова Н.Ю., Боровский В.Г. Нанесение износостойких покрытий на металлообрабатывающий инструмент на основе режущей керамики и кубического нитрида бора // Материалы Международной научно-практической конференции «Производство Технология Экология». Москва: МГТУ «СТАНКИН», 2003. с. 468474.

4. Григорьев С.Н., Боровский В.Г., Сысоева Н.В., Цымбалова Т.А. Разработка технологии поверхностной ионно-плазменной обработки керамических из-

делий // Взаимодействие ионов с поверхностью ВИП-2003: Материалы XVI международной конференции. Т.2. М.: МАИ, 2003. с. 343 -346.

5. Григорьев С.Н., Боровский В.Г. Улучшение эксплуатационных свойств керамического инструмента за счет нанесения вакуумно-плазменных покрытий // Материалы Межрегиональной научно-практической конференции «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды». Алтайский гос. техн. ун-т, БТИ. Бийск. 2004 г. с 138-142.

6. Боровский В.Г. Технология изготовления керамического инструмента повышенной износостойкости // Материалы Международной научно-практической конференции «Производство Технология Экология». Москва: МГТУ «СТАН-КИН», 2004г., с. 514-517.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Боровский Владислав Георгиевич

Технологическое обеспечение качества

поверхности керамического инструмента для повышения

его износостойкости при обработке закаленных сталей

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 21.10.2004. Формат 60х901/16 Уч.изд. л. 1,5. Тираж 50 экз. Заказ № 195

Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИН» 103055, Москва, Вадковский пер., д.3а

Ш20 2 5 О

РНБ Русский фонд

2005-4 20658

ВВЕДЕНИЕ

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

1.1. Преимущества использования инструмента, оснащенного пластинами из минералокерамики при механической обработке закаленных сталей.

1.2. Особенности изнашивания инструмента, оснащенного пластинами из минералокерамики, и основные причины его отказа.

1.3. Основные направления повышения работоспособности режущих пластин из минералокерамики.

1.4. Постановка цели и задач исследований.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛАНЕТАРНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПЛАСТИН ИЗ МИНЕРАЛОКЕРАМИКИ.

2.1. Оборудование для реализации схемы планетарного движения керамических пластин в процессе шлифования и образцы, используемые при экспериментах.

2.2. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое образцов из минералокерамики и глубина дефектного слоя.

2.3. Шероховатость поверхности образцов из минералокерамики после шлифования. ^

Глава 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ В АКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПЛАСТИНЫ ИЗ

МИНЕРАЛОКЕРАМИКИ.

3.1. Возможные эффекты, достигаемые при нанесении покрытий на пластины из минералокерамики.

3.2. Особенности нанесения покрытий на пластины из минералокерамики.

3.3. Разработка оборудования для нанесения покрытий на пластины из минералокерамики.

3.4. Выбор конструкции и состава износостойких покрытий для пластин из минералокерамики, обрабатывающих закаленные стали.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ИЗ МИНЕРАЛОКЕРАМИКИ ПРИ РЕЗАНИИ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ.

4.1. Оценка прочности на изгиб керамических образцов, прошедших поверхностную обработку.

4.2. Эксплутационные испытания керамических пластин, прошедших поверхностную обработку, при резании закаленных сталей.

4.3. Шероховатость поверхностного слоя деталей из закаленных сталей, обработанных керамическими пластинами, прошедшими поверхностную обработку.

Глава 5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ИЗ МИНЕРАЛОКЕРАМИКИ С ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКОЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ ИЗ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ.

В современном производстве вопросы финишной обработки деталей высокой твердости в основном решаются шлифованием. Характерной особенностью шлифования является его высокая теплонапряженность, вызывающая в поверхностном слое деталей структурные превращения и образование значительных остаточных напряжений. Благодаря совершенствованию инструментальных материалов и увеличению жесткости, виброустойчивости и точности перемещений станков, сегодня появилась реальная возможность заменить шлифование высокотвердых материалов лезвийной обработкой.

Одними из наиболее перспективных инструментальных материалов для обработки материалов с твердостью выше 50 HRC являются различные виды инструментальной минералокерамики - оксидно-карбидная, нитридная и др. Эти материалы имеют относительно низкую стоимость исходного сырья, обладают высокой твердостью и термостойкостью в широком диапазоне температур, а также химической пассивностью по отношению к обрабатываемым материалам. Вместе с тем, широкое применение инструмента, оснащенного пластинами из минералокерамики, ограничено из-за его недостаточно высокой надежности, проявляющейся в виде хрупкого разрушения режущей части (скалывания и выкрашивания) в различные периоды работы инструмента.

Так, на отказы, вызванные хрупким разрушением инструментального материала, приходится до 55% всех отказов керамических пластин при точении и до 80% при фрезеровании. Причиной этого являются, во-первых, низкие прочностные свойства и чувствительность минералокерамики к циклическим нагрузками и термическим ударам и, во-вторых, дефекты поверхности, образующиеся при алмазном шлифовании пластин.

Поэтому исследования, направленные на повышение прочностных свойств минералокерамики с целью повышения ее сопротивления хрупкому разрушению и расширения областей технологического применения, являются актуальными.

В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы являлось повышение сопротивления инструмента из минералокерамики хрупкому разрушению при точении и фрезеровании закаленных сталей за счёт улучшения качества поверхностного слоя режущих пластин, обеспечиваемого применением планетарного алмазного шлифования с последующим нанесением вакуумно-плазменных покрытий.

Диссертационная работа выполнялась в рамках совместного проекта МГТУ «СТАНКИН» и Берлинского технического университета «Повышение прочности режущей керамики в результате целенаправленного воздействия на поверхностный слой материала абразивного инструмента и физического осаждения покрытий» (№ 02-02-04015) и финансировалась Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ) и Немецким научно-исследовательским обществом (DFG).

Научной новизной работы являются:

- установленные функциональные зависимости глубины дефектного слоя и шероховатости поверхности от условий процесса планетарного алмазного шлифования пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики;

- разработанные и научно обоснованные принципы конструирования и нанесения вакуумно-плазменных покрытий на пластины из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики, обеспечивающие повышение сопротивления хрупкому разрушению при обработке закаленных сталей.

Практической ценностью работы являются:

- расчетные формулы для определения глубины дефектного слоя, формируемого при планетарном алмазном шлифовании пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики, в зависимости от режимов шлифования;

- предложенная конструкция и составы вакуумно-плазменных покрытий для пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики, предназначенных для точения и торцевого фрезерования закаленных сталей;

- расчетные формулы для определения стойкости пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики после поверхностной обработки, включающей планетарное алмазное шлифование и нанесение вакуумно-плазменных покрытий, при точении и торцевом фрезеровании закаленных сталей в широком диапазоне режимов резания.

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки МГТУ «СТАНКИН» и семинаре в Берлинском техническом университете, на Международных научно-технических конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью - 2003» в Звенигороде, «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении - 2003» и «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды -2004» в Бийске, «Производство. Технология. Экология - 2003 и 2004» в Москве, а также были удостоены серебряной медали третьего Московского международного салона инноваций и инвестиций 2003 года.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы д.т.н., профессору С.Н. Григорьеву, всем преподавателям кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» МГТУ «СТАНКИН», а также сотрудникам Технического Университета и Научно-исследовательского института им. О. Гана и JI. Майтнер г. Берлина за помощь, оказанную при выполнении работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ условий работы и причин отказа инструмента, оснащенного пластинами из минералокерамики при обработке закаленных сталей, позволил разработать технологию повышения качества поверхностного слоя пластин, заключающуюся в планетарном алмазном шлифовании и последующем нанесении вакуумно-плазменных покрытий.

2. Сравнительные исследования показателей качества поверхностного слоя керамических пластин после планетарного шлифования и традиционного торцевого шлифования показали, что при использовании планетарной схемы шлифования отмечается снижение значений остаточных напряжений в поверхностном слое в 2-2,5 раза, уменьшение глубины дефектного слоя в 1,3-2 раза и снижение шероховатости обработанной поверхности в 1,3 раза.

3. На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований была разработана технология нанесения износостойких покрытий в вакууме на пластины из неэлектропроводной минералокерамики и предложена конструкция износостойкого покрытия, представляющая собой двухслойную композицию, содержащую адгезионный и износостойкий слои.

4. Методом четырехточечного изгиба установлено, что использование схемы планетарного шлифования в сочетании с нанесением износостойких покрытий позволяет увеличить среднюю прочность на изгиб образцов из оксидно-карбидной керамики на 22%, а из нитридной керамики на 19,5%.

5. На основе обработки результатов эксплуатационных испытаний установлено, что применение разработанных принципов поверхностной обработки увеличивает стойкость пластин из оксидно-карбидной керамики при точении, а из нитридной керамики при фрезеровании закаленных сталей в 1,5-3 раза по сравнению с исходными пластинами. Кроме того, установлено, что поверхностная обработка существенно повышает надежность процесса резания - при точении до 90% всех отказов сводятся к отказам, связанным с достижением износа по задней поверхности пластины установленной величины, а при фрезеровании до 75 %.

6. Экспериментально показано, что применение керамических пластин, прошедших поверхностную обработку, включающую планетарное алмазное шлифование и нанесение вакуумно-плазменных покрытий, при точении закаленных сталей с высокой производительностью обеспечивает шероховатость поверхности Ra=0,3-0,6 мкм. Это дает основание рекомендовать использовать точение инструментом, оснащенным пластинами из минералокерамики, вместо шлифования.

1. D. Dudzinski, A. Molinari, Н. Schulz. Metal Cutting and High Speed Machining. Kluwer Academic / Plenum Publisher, New York, 2002. 490 p.

2. Пронин А.И. Повышение работоспособности инструмента, оснащенного режущей керамикой и сверхтвердыми материалами Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. -Комсомольск-на-Амуре, КГТУ. 1995 г.

3. Шлифование металлов / Под ред. Кожуро J1.M. Учебное пособие. М.: Издательство Дизайн ПРО, 2000г. 352 стр.

4. Nabhani Farhad. Wear mechanisms of ultra-hard cutting tools materials. Journal of Materials Processing Technology 115, 2001, p.402-412.

5. Luo S.Y., Liao Y.S., Tsai Y.Y. Wear characteristics in turning high hardness alloy steel by ceramic and CBN tools. Journal of Materials Processing Technology 88, 1999, p.114-121.

6. D'Errico G.E., Bugliosi S., Calzavarini R., Cuppini D. Wear of advanced ceramics for tool materials. Wear 225-229, 1999, p.267-272.

7. Schulz Herbert, Reuter Ulrich. Wear mechanism for the high speed machining of CGI. Production Engineering Vol. VII/1, 2000, рЛ 3-16.

8. Li L., He N., Wang M., Wang Z.G. High speed cutting of Inconel 718 coated carbide and ceramic inserts. Journal of Materials Processing Technology 129, 2002, p. 127-130.

9. Пронин А.И. Повышение работоспособности инструмента, оснащенного режущей керамикой и сверхтвердыми материалами Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. -Комсомольск-на-Амуре, КГТУ. 1995 г.

10. Попов А.И. Повышение работоспособности минералокерамических пластин путем ионной модификации их рабочих поверхностей Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. Санкт-Петербург, СпбТУ. 1993 г.

11. Судьин Ю.А. Свойства и особенности применения сверхтвердых материалов и минералокерамики для обработки материалов резанием. Серия X «Подшипниковая промышленность». Москва. 1991. 65с.

12. Когина Т.Б. Высокоскоростное резание жаропрочных сплавов на никелевой основе инструментами из минералокерамики. Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. Санкт-Петербург, СпбТУ. 1993 г.

13. Бурмистров В.В., Гусев В.В., Каплун В.А., Назаренко В.В. Выбор рациональных параметров процесса алмазного шлифования керамики из нитрида кремния // Сверхтвердые материалы. 1990, №4. -С. 68-70.

14. Н. Tonshoff, Т. Friemuth. Effects of grinding on the performance of cutting tools. Production Engineering Vol. VI/2 (1999), p. 9-15.

15. Синопальников В.А., Григорьев C.H. Надежность и диагностика технологических систем. Учебник. -М.: ИЦ Ml ТУ «СТАНКИН», Янус-К. -2003,331с.

16. Liu Z.O., Ai X., Zhang Н., Wang Z.T., WanY. Wear patterns and mechanisms of cutting tools in high-speed face milling. Journal of Materials Processing Technology 129, 2002, p.222-226.

17. Leopold J. Werkzeuge fur die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Mtinchen, WienCarl. Hanser Verlag, 1999. - 300 s.

18. Турин В.Д. Повышение надежности фрезерования сталей за счет диагностирования состояния инструмента по силовым диагностическим признакам. Диссертация на соискание уч. степ. канд. техн. наук по специальности 05.03.01. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2004.

19. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента.-М.: Машиностроение, 1982.-320 с.

20. Братухин А.Г., Бондарев Б.И., Полькин И.С., Попов В.Ф. Высокоплотная керамика для резания труднообрабатываемых материалов. СТИН. 1994. №1, стр. 20-23.

21. Вильдман Г.М., Малочкин О.В., Панов B.C. Свойства и закономерности прессования порошков диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттербия: Автореферат. М.: Цветные металлы, 2000, №5.

22. А.С. Верещака, А. Калдос Современные тенденции совершенствования технологической производственной среды // Производство. Технология. Экология: Сборник трудов конференции. Москва: МГТУ «СТАНКИН», 2004. С. 517-551.

23. A. Gatto, L. Iuliano. Advanced coated ceramic tools for machining superalloys. 1995, p. 591-605.

24. Zhao J., Deng J., Zhang J., Ai X. Failure mechanisms of a whisker-reinforced ceramic tool when machining nickel-based alloys. Wear 208, 1997, p.220-225.

25. Васин C.A., Верещака A.C., Кушнер B.C. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: Учеб. для техн. ВУЗов. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001. - 488 с.

26. Zhao J., Zhang J., Ai X. Relationship between the thermal shock behavior and cutting performance of a functionally gradient ceramic tool. Journal of Materials Processing Technology 129,2002, p. 161-166.

27. K.-H. Zum Gahr, J. Schneider. Surface modification of ceramics for improved tribological properties. 1999, p. 363-370.

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

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

30. Кабалдин Ю.Г. Механизмы изнашивания рабочей части инструмента из режущей керамики // Вестник машиностроения. 1991, №2. -С.40-43.

31. Фадеев B.C., Аникин В.Н., Максимов А.А. Изнашивание и разрушение оксидной керамики при обработке конструкционных материалов // Цветные металлы. 1989, №9. -С.97-100.

32. Сытник А.А. Повышение эффективности алмазного шлифования многогранных пластин из режущей керамики. Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. Москва, РУДН. 1991 г.

33. Никитков Н.В., Рабинович В.Б., Субботин В.Н. Скоростная алмазная обработка деталей из технической керамики. JL: Машиностроение. 1984. 131с.

34. Лавриненко В.И., Шкляренко В.В., Шепелев А.А. Шероховатость поверхности керамических пластин при их алмазном шлифовании // Станки и инструмент. 1990, №10. -С.28-29.

35. Кузин В.В. Технологические особенности алмазного шлифования деталей из нитридной керамики // Вестник машиностроения. 2004, №1. — С.37-41.

36. Бурмистров В.В., Гусев В.В., Каплун В.А., Назаренко В.В. Выбор рациональных параметров процесса алмазного шлифования керамики из нитрида кремния // Сверхтвердые материалы. 1990, №4. -С. 68-70.

37. Приварников О.А., Шевченко В.Н. Оценка напряжений, прогибов и механической прочности пластин кремния при шлифовании // Сверхтвердые материалы. 1987, №3.-С. 52-55.

38. Степанов Ю.Н. Разработка и исследование процесса плоского торцевого планетарного шлифования. Автореферат диссертации насоискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.02.08. Пермь, ПГТУ. 2000 г.

39. A. Fritsch. Schleifen von Cermets. Dissertation, Universitat Hannover,1997.

40. Гусева Л.Ю. Технологическое обеспечение эффективности алмазной обработки плоских заготовок из термостойкой керамики. Автореферат диссертации на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.02.08. Санкт-Петербург, СпбТУ. 2000 г.

41. Ch. Genzel, М. Broda, D. Dantz, W. Reimers. A self consistemt method for X-ray diffraction analysis of multiayial residual stress fields in the near surface region of polycrystalline materials, II. Examples. J. Appl. Cryst. 32 (1999), p. 779790.

42. E. Macherauch, P. Miiller Das sin vj/-Verfahren der rontgenographischen Spannungsmessung. Zeitschrift angewandte Physik 13 (1961), p. 305-315.

43. Абдулов B.H. Розовский Б.Я., Черняков M.K. Повышение эффективности и качества процесса алмазной обработки минералокерамических материалов // Алмазы и сверхтвердые материалы. 1981, №8. -С.1-2.

44. М. Хокинг, В. Васантасри, П. Сидки. Металлические и керамические покрытия: Получение, свойства и применение: Пер. с англ. -М.: Издательство «Мир», 2000г. 518 с.

45. Григорьев С.Н., Верещака А.С., Старков В.К., Кабалдин Ю.Г., Ковалев О.Б. Способ формирования износостойкого покрытия на керамике. SU 1736124 Al, С04 В 41/00, С23 С14/48. Авт. свид. СССР №1100049, кл.

46. В32 В27/16, 1984. Авт. свид. №1520890 кл. С23 С14/48, 1987. Заявка № 4609904/33; опубл. 29.11.88.

47. Григорьев С.Н., Боровский В.Г. Разработка технологии нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент на основе минералокерамики и кубического нитрида бора// Обработка металлов. -2003. -№ 3 (20). с. 5-6.

48. Зимина Е.Г., Зимин М.С., Помигалова Т.Е. Основы математического моделирования и оптимизации процессов резания металлов и инструментов: Учеб. пособие. -Тюмень, 2002. -111 с.

49. Задгенидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука, 1976. - 360 с.

50. Судьин Ю.А., Стародубровский В.Н. Технология обработки колец крупногабаритных подшипников на станках с ЧПУ: Обзор. -М.: ЦНИИТЭИавтопром, 1990.