автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение надежности концевых фрез путем нанесения многослойно-композиционных покрытий

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ КОНЦЕВЫХ ФРЕЗ И АНАЛИЗ СПОСОБОВ ОЦЕНКИ ИХ НАДЕЖНОСТИ.

1.1. Исследование особенностей эксплуатации твердосплавных концевых фрез и причин их отказов.

1.2. Количественные показатели надежности твердосплавного инструмента.

Глава 2. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ КОНЦЕВЫХ ФРЕЗ.

2.1. Система обеспечения надежности твердосплавного инструмента.

2.2. Классификация и анализ методов повышения надежности твердосплавных концевых фрез.

2.2.1. Разработка новых и совершенствование традиционных марок твёрдых сплавов.

2.2.2. Совершенствование конструкции и оптимизация геометрических параметров твердосплавных фрез.

2.2.3. Разработка и применение методов модификации поверхностных свойств твердосплавного инструмента.

2.2.3.1. Нанесение покрытий на поверхность твердосплавного инструмента промышленными способами.

2.2.3.2. Нанесение покрытий на поверхность твердосплавного инструмента в режиме ассистирования пучком.

Глава 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ НАНЕСЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ТВЕРДОСПЛАВНЫЕ КОНЦЕВЫЕ ФРЕЗЫ.

3.1. Создание экспериментального технологического оборудования и его апробация.

3.2. Экспериментальное исследование процесса осаждения покрытия в режиме ассистирования пучком.

3.3. Принципы конструирования покрытий на твердосплавных концевых фрезах.

Глава 4. РАЗРАБОТКА СОСТАВА МНОГОСЛОЙНО-КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ЕГО НАНЕСЕНИЯ НА ТВЕРДОСПЛАВНЫЕ КОНЦЕВЫЕ ФРЕЗЫ.

4.1. Выбор состава многослойно-композиционного покрытия.

4.2. Оптимизация режимов нанесения многослойно-композиционного покрытия ТьТ^-СТЮг^ТСАНОД*.

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МНОГОСЛОЙНО-КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА НАДЕЖНОСТЬ

ТВЕРДОСПЛАВНЫХ КОНЦЕВЫХ ФРЕЗ.

В современном машиностроении среди различных методов размерной формообразующей обработки изделий, таких как литейная обработка, обработка давлением и электрофизические методы, механическая обработка со снятием стружки занимает, и по прогнозам специалистов до 2050 года будет занимать ведущее место. Достаточно сказать, что сегодня на металлорежущих станках обрабатывается до 80-85% общего объема деталей, применяемых в различных областях техники. Связано это с тем, что процессы механической обработки характеризуются высокой гибкостью, управляемостью, низкой энергоемкостью и позволяют с высокой производительностью получать высокоточные и высококачественные детали практически любых форм и размеров.

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что качество, точность, производительность и себестоимость изготовления машиностроительных изделий в первую очередь зависят от свойств применяемого режущего инструмента. Даже при использовании самого прогрессивного станочного оборудования при несоответствующем качестве инструмента невозможно достичь высоких технико-экономических показателей процесса механической обработки. Режущий инструмент является особым объектом технологии механической обработки. Разнообразные условия его эксплуатации вызывают многообразные виды повреждений и отказов технологической системы, а скорости изнашивания инструмента значительно выше, чем скорости изнашивания деталей и узлов станков. Поэтому работоспособность технологической системы в целом в первую очередь зависит именно от качества применяемого металлообрабатывающего инструмента.

Цельные твердосплавные концевые фрезы с каждым годом находят все большее применение в отечественном автоматизированном механооб-рабатывающем производстве при изготовлении штампов, прессформ, а также сложных корпусных деталей. Указанные инструменты позволяют осуществлять высокоскоростную обработку различных материалов и обеспечивают низкую шероховатость поверхностного слоя и высокую точность размеров обрабатываемых изделий. Особенно широкое распространение цельные твердосплавные концевые фрезы получили при обработке различных пазов и уступов в штампах и прессформах - штамповочных ручьев, канавок для заливки полости и др.

Вместе с тем, более широкое применение твердосплавных фрез сегодня сдерживается их низкой надежностью, проявляющейся в виде хрупкого разрушения рабочих поверхностей (скалывания и выкрашивания) в раз-0 личные периоды эксплуатации инструмента. Производственный опыт показывает, что при эксплуатации такого инструмента доля его отказов из-за хрупкого разрушения нередко доходит до 75 %, а связанное с этим время простоя дорогостоящего автоматизированного оборудования - станков с ЧПУ, ГПМ и ГПС составляет более 40% [1].

Поэтому в настоящее время поиск, исследование и внедрение новых технологических решений, направленных на повышение надежности цельных твердосплавных концевых фрез является чрезвычайно ак-ф туальным и эффективным способом обеспечения надежной работы автоматизированного станочного оборудования и получения качественной продукции.

В настоящее время многообразие существующих направлений повышения надежности режущего инструмента условно можно разделить на шесть основных групп:

• разработка новых и совершенствование существующих инструментальных материалов, оптимизация режимов их термической обработки;

• • совершенствование конструкции и оптимизация геометрических параметров режущего инструмента;

• совершенствование технологий и оптимизация режимов обработки давлением и механической обработки режущего инструмента;

• разработка и применение методов модификации поверхностных свойств режущего инструмента;

• оптимизация режимов эксплуатации режущего инструмента;

• разработка и применение систем диагностирования состояния инструмента с реальном масштабе времени.

Проведенный анализ большого количества научно-технической информации показал, что решение проблемы повышения надежности твердосплавного инструмента может быть достигнуто посредством разработки и нанесения многослойно-композиционных покрытий, обеспечивающих снижение интенсивности изнашивания и повышение сопротивления хрупкому разрушению рабочих поверхностей цельных твердосплавных фрез в процессе эксплуатации.

В связи с вышесказанным целью настоящей работы являлось повышение надежности и снижение интенсивности изнашивания цельных твердосплавных концевых фрез при обработке изделий из инструментальных сталей за счет разработки и практического применения технологических принципов нанесения многослойно-композиционных покрытий.

Диссертационная работа выполнялась в рамках совместного научно-исследовательского проекта ГОУ МГТУ «СТАНКИН» и научно-производственной компании «Foshan Shunde Strong Metal Technology Co., Ltd» (КОТ), а также финансировалась Минобрнауки РФ в рамках реализации ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы».

Научной новизной работы являются:

• принципы конструирования и нанесения многослойно-композиционных покрытий с ультрамелкозернистой структурой на цельные твердосплавные концевые фрезы, обеспечивающие повышение их надежности и снижение интенсивности изнашивания при обработке инструментальных сталей;

• функциональные зависимости между режимами нанесения многослойно-композиционных покрытий и интенсивностью изнашивания цельных твердосплавных концевых фрез при обработке изделий из инструментальных сталей.

Практическая ценность работы заключается:

• в созданном экспериментальном технологическом оборудовании для нанесения на режущий инструмент многослойно-композиционных покрытий с ультрамелкозернистой структурой в сопровождении пучка ускоренных частиц;

• в разработанных рекомендациях по выбору состава и режима нанесения многослойно-композиционных покрытий для повышения надежности и снижения интенсивности изнашивания цельных твердосплавных концевых фрез;

• в построенной графической зависимости для определения времени резания до смены цельных твердосплавных концевых фрез с многослойно-композиционным покрытием 77- ЛИ- (Т1Сг)И-(ПАШЬ)И при обработке изделий из инструментальных сталей в зависимости от заданной вероятности безотказной работы.

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

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» ГОУ МГТУ «СТАНКИН», на Международных научно-технических конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью - 2005» в г. Звенигороде, «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении - 2005» и «Измерение, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях - 2004» в г. Бийске, «Производство. Технология. Экология - 2004» в г. Москве, а также были удостоены Диплома Московского международного салона инноваций и инвестиций 2005 года.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы д.т.н., профессору С.Н. Григорьеву, всем преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» и Центра физико-технологических исследований МГТУ «СТАНКИН», а также сотрудникам компании «Foshan Shunde Strong Metal Technology Co., Ltd» за помощь, оказанную при выполнении работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:

1. Анализ условий работы и причин отказа цельных твердосплавных концевых фрез при обработке инструментальных сталей, позволил разработать технологические принципы повышения их надежности и снижения интенсивности изнашивания, заключающиеся в нанесении многослойно-композиционных покрытий с ультрамелкозернистой структурой в сопровождении пучка ускоренных частиц.

2. Исследования, проведенные в области инженерии поверхностей с применением концентрированных потоков энергии, позволили разработать и создать новое экспериментальное технологическое оборудование, обеспечивающее совмещение на всей обрабатываемой поверхности концевых фрез потоков металлического пара и ускоренных частиц и нанесение многослойно-композиционных покрытий с повышенными эксплуатационными свойствами.

3. На основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований был разработан состав и технология нанесения многослойно-композиционного покрытия 77- 7Ж- (ЛСг)И- (ТгА ШЬ)И, обеспечивающего повышение надежности и снижение интенсивности изнашивания цельных твердосплавных концевых фрез при обработке инструментальных сталей.

4. Экспериментально установлено, что факторами процесса нанесения многослойно-композиционного покрытия 77- 7Ж- (Т1Сг)И- (НА ШЪ)И, оказывающими наибольшее влияние на надежность и интенсивность изнашивания цельных твердосплавных концевых фрез, являются режимы осаждения наружного слоя - давление газа в вакуумной камере, напряжение на мишени, ток в цепи катода, энергия частиц, сопровождающих осаждение, а также время нанесения каждого из слоев покрытия.

5. Произведенные расчеты показали, что для времени резания до смены инструмента Г=30 мин, обычно рекомендуемого в справочной литературе для автоматизированного станочного оборудования, в исследуемом диапазоне режимов резания вероятность безотказной работы концевых фрез без покрытия составляет 35%, в то время как для инструмента с покрытием Л-Ш-(Жг)Ы-(ШМЬ)Ы- 99%.

6. На основе обработки результатов эксплуатационных испытаний цельных твердосплавных концевых фрез при обработке инструментальных сталей установлено, что нанесение многослойно-композиционного покрытия разработанного состава при заданной вероятности безотказной работы 95% позволяет увеличить время резания до смены инструмента в 2,3 раза при увеличении средней наработки до отказа в 1,5 раза по сравнению с инструментом без покрытия.

7. На основе обработки результатов эксплуатационных испытаний цельных твердосплавных концевых фрез при обработке инструментальных сталей построена графическая зависимость, которая может быть использована для определения времени резания до смены цельных твердосплавных концевых фрез с покрытием 77-ЛИ-(ЛСг)И-(ЛАШЬ)И при обработке изделий из инструментальных сталей в зависимости от заданной вероятности безотказной работы.

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Васильев В.Н., Васильев C.B. Гибкие производственные системы Японии. - Экспресс информация. - М.: НИИ экономики, организации производства и тебхнико-экономической информации в энергетическом машиностроении, 1985, 46 с.

2. Справочник металлиста в 5-ти томах / под ред. Маслова А.Н. -М.: Машиностроение, 1977.

3. Зорев H.H. Обработка стали твердосплавным инструментом в условиях прерывистого резания с большими сечениями среза. Вестник машиностроения. №2, 1963.

4. Гостев Г.В., Колюнов В.А., Гусев Е.В. Исследование закономерностей рассеивания стойкости торцевых и концевых фрез.// Физико-химические процессы резания материалов: Межвузовский сборник. Чебоксары. 1986. - с. 75-77.

5. Общемашиностроительные нормативы режимов резания для многоцелевых станков фрезерно-сверлильно-расточной группы. Всесоюзный научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по машиностроению и робототехнике. -М., 1986, 158 с.

6. Богуслаев A.B., Качан А.Я., Карась В.П. Высокоскоростное финишное фрезерование лопаток моноколес // Вестник двигателе-строения, 2002 г.-№1.-С. 110-111.

7. Жеманюк П.Д., Мозговой В.Ф., Качан А.Я., Карась В.П. Формообразование сложно-профильных поверхностей моноколес высокоскоростным фрезерованием // Газотурбинные технологии, 2003 г. —№5 (26) —С. 18-21.

8. Богуслаев A.B., Качан А.Я., Карась В.П., Жеманюк П.Д., Мозговой В.Ф. Формообразование сложно-профильных поверхностей осевого моноколеса с широкохордными лопатками высокоскоростным фрезерованием // Вестник двигателе-строения, 2004 г. -№3. -С. 16-19.

9. Синопальников В.А., Григорьев С.Н. Надежность и диагностика технологических систем. Учебник. - М.: Высшая школа, 2005. -343 е.: ил.

10. Турин В.Д., Григорьев С.Н., Алешин C.B., Семенов В.А. Диагностирование состояния концевых фрез по силовым параметрам. // «ИТО: инструмент, технология, оборудование». - № 6 (95), 2005.-С. 15-19.

11. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инстру-мента.-М.: Машиностроение, 1982.-320 с.

12. Григорьев С.Н., Турин В.Д., Ромашев А.Н., Синопальников В.А., Фирсов A.M. Надёжность и диагностика при обработке резанием: Учебное пособие. Алт. гос. тех. ун-т, БТИ. - Бийск. Из-во Алт. гос. техн. ун-та, 2005. - 420 с.

13. Бржозовский Б.М., Игнатьев A.A., Мартынов В.В., Схиртладзе А.Г., Виноградов М.В., Добряков В.А., Бурдо Г.Б., Григорьев С.Н. Надежность и диагностика автоматизированных станочных систем. Учебное пособие.- Тверь: ТГТУ, 2005 - 180 с.

14. Синопальников В.А., Григорьев С.Н. Надежность и диагностика технологических систем. Учебник. М.: ИЦ МГТУ Станкин, Янус-К. 2003.-331с.

15. Хает Г.Л. Качество и надежность режущих инструментов. Надежность режущего инструмента. Сб. статей. Киев - Донецк: Виша школа. 1975. Вып. 2. с. 3-11.

16. Турин В.Д. Повышение надежности фрезерования сталей за счет диагностирования состояния инструмента по силовым диагностическим признакам. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Москва, МГТУ «СТАНКИН», 2004.

17. Вальков В.М. Контроль в ГАП. - Л.: Машиностроение, ленинградское отделение 1986.-232 с.

18. Подураев В.Н., Барзов А.А., Горелов В.А. Технологическая диагностика резанием методом акустической эмиссии. - М.: Машиностроение, 1988. - 56 с.

19. Старков В.К. Технологические методы повышения надежности обработки на станках с ЧПУ. - М.: Машиностроение, 1984, 120 с.

20. Палей С.М. Некоторые особенности эксплуатации токарных станков с ЧПУ на участке АСВ-20. - В сб.: Автоматизированные участки из станков с ЧПУ, управляемые ЭВМ. - М.: ЭНИМС, 1981, с. 27-31.

21. А.С. Верещака, А. Калдос Современные тенденции совершенствования технологической производственной среды. Сборник трудов конференции ПРОТЭК-2004, М.: МГТУ «СТАНКИН», 2004.

22. Scherbarth S. Moderne Scheidstoffe und Werkzeuge-Wege zur gesteigerten Productivitat. Sandvik Dusseldorf. Warkzeugtagung 2002. (In German)

23. Koop W. The Integrated High Performance Turbine Engine Technology (IHPTET) Program. ISABE 97-7175. 5p.

24. Terazono H., Tanaka K., Kubo T and etal Development of Fabrication Process for Ceramic Gas Turbine Components// Proc. of the Int. Gas Turbine Congress, 1999. Kobe, pp.81-86.

25. Dceda Y., Mizuta Y., Orda K. Nondestructive Testing for Ceramic Gas Turbine Project// Proc. of the Int. Gas Turbine Congress. 1999. Kobe, p.87-92.

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

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

28. Боровский Г.В., Григорьев С.Н., Маслов А.Р. Справочник инструментальщика. Справочник / Под общ. ред. А.Р. Маслова.-М:.Машиностроение, 2005. 462с.: ил.

29. Егоров С.А. Электрофизические методы упрочнения поверхностей деталей машин и инструмента: Учеб. пособие. -Иваново, 2001.-129 с.

30. Рыжкин А.А., Бровер Г.И., Пустовойт В.Н. Лазерное упрочнение металлообрабатывающего инструмента: Учеб. пособие. -Ростов н/Д, 1998.-125 с.

31. Беляев С.К., Боровский Г.В., Волосова М.А., Григорьев С.Н., Маслов А.Р., Молодык С.У., Якушева А.Б. Инструмент для современных технологий. Справочник/ Под общ. ред. А.Р. Маслова - М.: Изд-во ИТО, 2005. 248 е.: ил.

32. Mack М. Oberflaechentechnik - Verschleissschutz. // Die Bibliothek der Technik. Band 38. Landsberg/Lech: Verlag Moderne Industrie AG & Co., 1990.

33. Amano J., Lawson R. Thin film deposition using low energy ion beams (3) Mg + ion-beam deposition and analysis of deposits. // J. Vac. Sci. Technol. 1977. V. 14. No 2. P. 695 - 698

34. Weiler M., Sattel S., Jung K. et al. Highly tetrahedral diamond-like amorphous hydrogenated carbon prepared from a plasma beam source. // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 64. P. 2797 - 2799.

35. Modification of thin film properties by ion bombardment during deposition // edited by O. Auciello and R. Kelly, Amsterdam: Elsevier, 1994.

36. Wolf G.K., Ensinger W. Ion bombardment during thin film deposition and its influence on mechanical and chemical surface properties. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 1991. V. 59/60. P. 173 - 181.

37. Wolf G.K. Modification of chemical surface properties by ion beam assisted deposition. //Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 1990. V. 46. P. 369-378.

38. Barth M., Ensinger W., Hoffmann V., Wolf G.K. Stress and adhesion of chromium and boron films deposited under ion bombardment. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 1991. V. 59/60. P. 254-258.

39. Chen Yuanru, Li Shizhuo et al. Mechanical and tribological properties of silicon nitride films synthesized by ion beam enhanced deposition. //Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 1991. V. 59/60. P. 1295 - 1299.

40. Григорьев C.H., Метель A.C., Исайков A.H., Мельник Ю.А. Осаждение упрочняющих покрытий с помощью универсальных источников ускоренных частиц // Упрочняющие технологии и покрытия. - № 9, 2005. - С. 36-40.

41. Григорьев С.Н., Исайков А.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С. Осаждение покрытий на твердосплавные подложки, сопровождаемое широкими пучками электронов и быстрых нейтральных молекул. // Сборник трудов конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», Звенигород. -2005. С. 351-354.

42. Григорьев С. Н., Исайков А.Н., Мельник Ю. А., Метель А. С. Осаждение упрочняющих покрытий в сопровождении пучков быстрых нейтральных молекул // Материалы IV Юбилейной Всероссийской научной конференции «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении». Бийск, 23-24 сентября 2004г., с. 91-95.

43. Григорьев С.Н., Исайков А.Н. Разработка технологии осаждения износостойких покрытий с использованием источника ускоренных частиц и металлического пара // Материалы Международной научно-практической конференции «Производство Технология Экология». Москва: МГТУ «СТАНКИН», 2004г., том 3, с. 669 -675.

44. Григорьев С.Н., Исайков А.Н. Усовершенствование технологии осаждения износостойких покрытий с помощью применения источника ускоренных частиц // Материалы V Всероссийской научно-технической конференции «Измерение, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях». Бийск, 7-8 октября 2004г., с. 124-129.

45. S.N. Grigoriev, A.N. Isaikov, Yu.A. Melnik, A.S. Metel. Universal Sources of Accelerated Particles and Metal Vapor for Industrial-Scale Beam-Assisted Deposition // 7th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Russia, Tomsk, 25-30 July 2004, c. 29 - 34.

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

47. Гаврилов Ю.В. Математическое моделирование процессов реза-4 ния и режущего инструмента: Конспект лекций. -Челябинск: Издво ЮУрГУ, 1998. -78с.

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

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.