автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Влияние теплового фактора на работоспособность инструментов из композиционных материалов при обработке прерывистых поверхностей

/

Читинский государственный технический университет

На правах рукописи

ГЛАЗОВ ВЛАДИМИР ВАЛЕРЬЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО ФАКТОРА НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ ПРЕРЫВИСТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

05.02.08 - «Технология машиностроения» 05.03.01 - «Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструменты»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Е. А. Кудряшов

Научный консультант Заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор Б. А. Кравченко

Чита-1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.....................................................................................4

ГЛАВА 1. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ (Литературный обзор и постановка задачи научного исследования).............................................................8

1.1. Классификация композиционных инструментальных материалов................................................................8

1.2. Общие сведения о физико-механических и режущих свойствах композиционных инструментальных материалов..............13

1.3. О технологических особенностях применения композиционных инструментальных материалов................................27

1 А. Теплообмен при лезвийной обработке..............................36

1.5. Выводы по литературному обзору Постановка задачи

исследования.............................................................55

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.....................................................58

2.1. Область исследования композиционных инструментальных и обрабатываемых материалов........................................58

2.2. Экспериментальный стенд и метрологическое обеспечение исследований............................................................69

2.3. Математический аппарат и использование вычислительной техники...................................................................71

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПЕЦИФИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЦЕССОВ ПРЕРЫВИСТОГО РЕЗАНИЯ...............................................................79

3.1. Общая картина износа композиционных инструментов за период стойкости.......................................................79

3.2. О специфических особенностях процессов прерывистого резания композиционными материалами........................82

3.3. Повышение работоспособности за счет оптимального контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки................................................................87

3.4. Влияние прерывистости обработки на температуру в зоне резания...................................................................95

Выводы.......................................................................102

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

КОМПОЗИЦИОННЫХ ЛЕЗВИЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ С УЧЕТОМ ТЕПЛОВОГО ФАКТОРА............................104

4.1. Характеристики размерной стойкости инструмента.........104

4.2. Оптимальная температура, рациональная температура контакта и температура резания, соответствующая минимальной стоимости обработки..............................117

4.3. О зависимости работоспособности композиционных инструментов от прерывистости резания.......................123

Выводы........................................................................136

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

В ПРАКТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ.........................138

5.1. Выбор факторов, обеспечивающих качественные показатели технологических процессов........................................138

5.2. Использование ЭВМ для оптимизации режимов резания..................................................................144

5.3. Внедрение результатов исследования...........................144

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.....................148

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................151

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................165

ВВЕДЕНИЕ

В силу ряда причин, неустойчивости процессов, происходящих в жизни нашего общества, в последнее десятилетие в России произошел серьезный спад промышленного производства машиностроения и металлообработки в частности. В особенности это коснулось отдаленных регионов Российской Федерации, к которым относится и Забайкалье.

Восстановление промышленного потенциала всех отраслей народного хозяйства невозможно без обладания передовой техникой и технологией машиностроительного производства. Широкое внедрение прогрессивных технологий, совершенного универсального и автоматизированного оборудования должно способствовать массовому изготовлению техники нового поколения, способной дать многократное повышение производительности труда и способствовать выходу России из экономического кризиса.

Известно, что в металлообработке значительную роль играют технологические процессы лезвийной обработки, обладающие высокой производительностью и являющиеся основным методом достижения заданной геометрической и размерной точности и качества обработки. Как правило, внедрение в производство таких технологий не требует существенных капиталовложений и коренной перестройки существующего машиностроительного производства. Знание специфики протекания процессов, полное использование потенциальных резервов позволит при относительно коротком промежутке времени получить рост производства и его экономических показателей.

Одним из таких направлений в металлообработке является возможность использования лезвийных сверхтвердых инструментальных материалов на основе нитрида бора ( торговая марка - композиты ), которые благодаря своим исключительным физико-механическим и режущим свойствам позволяют решить проблему обработки самых сложных и точных поверхностей деталей машиностроительного назначения и достигнуть высоких

технико-экономических показателей. Эти уникальные инструментальные материалы в нашей стране и за рубежом нашли достаточно широкое применение.

Однако, не смотря на имеющиеся в этой области достижения, глубина проработки проблем использования композитов, а также ряд вопросов теории и практики обработки деталей этими инструментами нового поколения требуют дальнейшего развития. Так, отсутствуют теоретические предпосылки и рекомендации к построению технологических процессов обработки деталей машиностроительного назначения в связи с тепловым фактором и характером обработки сложных поверхностей различными марками композитов. Имеющиеся в этой области сведения носят противоречивый характер, практические рекомендации расплывчаты, вследствие чего искусственно заужена область применения отдельных марок лезвийных сверхтвердых искусственных материалов на основе кубического нитрида бора.

Таким образом, совершенствование технологии лезвийной обработки сложных и точных поверхностей деталей машиностроительного назначения лезвийными композиционными материалами за счет использования их потенциальных возможностей является актуальной задачей.

Научная новизна работы заключается в раскрытии основных закономерностей процессов лезвийной обработки сложных и точных поверхностей деталей инструментами из композиционных материалов за счет теплового фактора процесса резания.

Исследованием теплофизических особенностей процессов резания сложных и точных поверхностей деталей выявлены закономерности использования различных марок композитов в наивыгоднейших условиях.

Установлены технологические особенности модернизации и построения процессов, показаны возможности и пути практического использования прогрессивных инструментальных материалов - композитов.

Практическая ценность диссертационной работы подтверждается высокой технологической и экономической эффективностью от разработки и

внедрения результатов в производство ряда машиностроительных заводов Забайкальского региона.

Диссертационная работа выполнена в рамках региональной программы восстановления промышленного потенциала Забайкалья. При ее выполнении использованы результаты предыдущих научных исследований направления «Комплексное обеспечение качества продукции машиностроительного назначения Забайкальского региона», разрабатываемого кафедрой «Технология машиностроения» Читинского государственного технического университета.

Общий экономический эффект от внедрения результатов составил свыше 57,4 тыс. руб. (в ценах 1998г.).

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю доктору технических наук, профессору Кудряшову Евгению Алексеевичу и научному консультанту Заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Кравченко Борису Алексеевичу, за внимание, помощь и ценные указания, полученные в период работы и подготовки диссертации к защите.

1. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ЛЕЗВИЙНОЙ

ОБРАБОТКИ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ (Литературный обзор и постановка задачи научного

исследования)

1.1. Классификация композиционных инструментальных

материалов

Эффективным направлением интенсификации процесса лезвийной обработки является применение инструментов из синтетических сверхтвердых материалов. Существующая у нас в стране и за рубежом технология дает возможность промышленного выпуска этих инструментальных материалов в виде заготовок, размеры которых позволяют обеспечить надежное их крепление в любом лезвийном инструменте.

В настоящее время номенклатура режущих композиционных элементов достаточно обширна. Существуют различные подходы к классификации современных сверхтвердых материалов, выпускаемых в России, СНГ и других странах.

Так, авторы [100] в зависимости от вида основного процесса, протекающего при синтезе и определяющего свойства сверхтвердых материалов, разделяют их на три группы.

1. Материалы, синтез которых основан на фазовом превращении графи-топодобного нитрида бора в кубический.

Поликристаллические сверхтвердые материалы, полученные таким образом, отличаются друг от друга наличием или отсутствием катализатора, его видом, структурой, параметрами синтеза и т.д. К материалам этой группы относятся композит 01- эльбор-Р и композит 02- белбор. За рубежом материалы этой группы не выпускаются.

2. Материалы, получение которых основано на частичном или полном превращении вюрцитного нитрида бора в кубический.

Отдельные материалы этой группы отличаются друг от друга в основном составом исходной шихты. У нас в стране из материалов этой группы производят однослойный и двухслойный композит 10 (гексанит-Р) и различные модификации композита 09 (ПТНБ и др.). За рубежом выпуск материалов этой группы осуществляется в Японии фирмой «Ниппон Ойл Фате» и имеет торговую марку вюрцин.

3. Материалы, получение которых основано на спекании частиц кубического нитрида бора.

Эта группа материалов является самой многочисленной, так как возможны различные варианты связки и технологии спекания. По этой технологии отечественной промышленностью производятся композит 05, киборит и ниборит. Наиболее известными за рубежными материалами являются бора-зон, амборит и сумиборон.

Авторы [ 9, 26, 72, 74, 117, 134] предлагают несколько иную классификацию современных синтетических сверхтвердых материалов :

1. Сверхтвердые материалы на основе углерода - синтетические алмазы марок АСБ, АСПК, СВ и СВС, дисмит, диамет, мегадаймонд и др.

2. Сверхтвердые материалы на основе нитрида бора - эльбор-Р (композит 01), белбор (композит 02), композит (композит 05), ПТНБ (композит 09), гексанит-Р (композит 10) и др.

3. Композиционные материалы, содержащие как алмаз, так и нитрид бора, карбиды, сверхтвердые оксиды - ДАП, компакс, СВАБ, синдайт-Де-Бирс, славутич, полиблок и др.

В основе известной классификации сверхтвердых материалов [135] лежит одна из их важнейших механических характеристик - микротвердость.

Значительное число названий сверхтвердых материалов вызывает определенные трудности при их выборе. В целях унификации терминов ВНИИ инструментом предложена единая торговая марка - композиты [ 71], а так же классификация, напоминающая классификацию режущих инструментов [113, 124] :

1. Кубический нитрид бора : эльбор-Р, эльбор-РМ, белбор, исмит (ис-мит-1, исмит-2, исмит-3), ниборит, тибор, киборит, ПТНБ.

2. Вюрцитный нитрид бора : ПТНБ-ИК, гексанит-Р, гексанит-РЛ.

В теории и практике материаловедения композитом называют материал, не встречающийся в природе, состоящий из двух и более различных по химическому составу компонентов. Для композита характерно наличие отчетливых границ, отделяющих его компоненты. Композит состоит из наполнителя и матрицы. Наибольшее влияние на его свойства оказывает наполнитель. В зависимости от наполнителя композиты подразделяются на две группы :

1) композиты с дисперсными частицами;

2) волокнистые композиты, армированные непрерывными волокнами и армированные волокнами в нескольких направлениях.

Физико-механические свойства композитов примерно одинаковые во всех направлениях синтезированных заготовок (свойство изотропии).

Композит 01 (эльбор-Р) — создан в начале 70-х годов [78]. Этот материал состоит из беспорядочно ориентированных кристаллов кубического нитрида бора, полученных «каталитическим синтезом». В результате высокотемпературного прессования под действием высокого давления первоначальные кристаллы ВЫК дробятся до размеров 5 ... 20 мкм. Физико-механические свойства композита 01 зависят от состава исходной шихты и термодинамических параметров синтеза (давление, температура, время). Примерное массовое содержание композита 01 следующее : до 92% ВИК , до 3% ВЫг , остальное - примеси добавок-катализаторов.

Модификация композита 01 (эльбор-РМ) в отличие от эльбора-Р получается прямым синтезом ВЫг ВМК, осуществляемым при высоких давлениях (4,0...7,5 ГПа) и температурах (1300...2000 °С). Отсутствие в шихте катализатора позволяет получить стабильные эксплуатационные свойства.

Композит 02 (белбор) - создан в Институте физики твердого тела и полупроводников АН БССР [127]. Получается прямым переходом из ВЫг в

аппаратах высокого давления при статическом приложении нагрузки (давление до 9 ГПа, температура до 2900 °С). От ранее известных методов синтеза поликристаллов кубического нитрида бора отличается следующими преимуществами : процесс осуществляется без катализатора, что обеспечивает высокие физико-механические свойства композита 02. При упрощенной технологии изготовления, за счет введения определенных легирующих добавок, имеется возможность варьирования физико-механическими свойствами поликристаллов.

Белбор по твердости сравним с алмазом и значительно превосходит его по термостойкости. В отличие от алмаза он химически инертен к железу, а это позволяет эффективно использовать его для обработки чугуна и сталей -основных машиностроительных материалов.

Композит 03 (исмит) - впервые синтезирован в ИСМ АН УССР. Выпускаются три марки материала : исмит-1, исмит-2, исмит-3, отличающиеся друг от друга физико-механическими и эксплуатационными свойствами, что является следствием различия исходного сырья и параметров синтеза [9, 74].

Ниборит - получен ИФВД АН СССР [81, 92]. Высокая твердость, теплостойкость и значительные размеры этих поликристаллов предопределяют и высокие эксплуатационные свойства.

Киборит -синтезирован впервые в ИСН АН УССР. Поликристаллы получают горячим прессованием шихты (спеканием) при высоких статических давлениях. В состав шихты входят порошок кубического нитрида бора и специальные активирующие добавки. Состав и количество добавок, а так же условия спекания обеспечивают получение такой структуры, в которой сросшиеся кристаллы ВИК образуют непрерывный каркас (матрицу). В межзерен-ных промежутках каркаса образуется тугоплавкая твердая керамика [57].

Композит 05 - структура и технология получения разработаны в НПО ВНИИАШ. Материал в своей основе содержит кристаллы кубического нитрида бора (85...95%), спекаемые при высоких давлениях с добавками оксида алюминия, алмазов и др. элементов. По своим физико-механическим свойст-

вам композит 05 уступает многим поликристаллическим сверхтвердым материалам. Модификация композита 05 является композит 05ИТ. Этот материал отличается высокими теплопроводностью и теплостойкостью, которые получены за счет введения в шихту специальных добавок. Композит 05ИТ выпускается ЛПО «Абразивный завод Ильич».

Композит 09 (ПТНБ) разработан в Институте химической физики АН СССР, выпускает нескольких марок (ПТНБ-5МК, ПТНБ-ИК-1 и др.), которые различаются составом исходной шихты (смесью порошков ВЫв и ВИК). Отличие композита 09 от других композиционных материалов заключается в том, что его основу составляют частицы кубического нитрида бора размерами 3...5 мкм., а в качестве наполнителя выступает вюрцитный нитрид бора [12, 20]. За рубежом выпуск материалов данного класса с использованием превращения вюрцитного нитрида бора осуществляется в Японии фирмой «Ниппон Ойл Фате». Материал разработан фирмой совместно с токийским государственным университетом и выпускается под торговой маркой вюр-цин.

Композит 10 (гексанит-Р) создан в 1972 году Институтом проблем материаловедения АН УССР совместно с Полтавским заводом искусственных алмазов и алмазно