Основи підвищення працездатності різального інструменту шляхом формування зносостійких покриттів дискретного типу

Основні результати і висновки

В результаті виконання досліджень вирішена важлива науково-технічна проблема, що має велике народногосподарське значення і полягає в можливості керованого впливу на властивості модифікованого матеріалу за рахунок зміни конструкції і процесу формування покриттів, що забезпечує підвищення працездатності різального інструменту при обробці конструкційних матеріалів різанням. На основі проведеного дослідження зроблено наступні наукові висновки та практичні рекомендації:

1. Вперше запропонована концепція проектування зносостійких покриттів на робочих поверхнях різального інструменту, яка полягає в створені мінімального напружено-деформованого стану шляхом формування покриттів дискретного типу, що дозволило вирішити проблему підвищення працездатності різального інструменту.

2. Запропоновано критеріальну оцінку величини максимально допустимого розміру ділянки дискретного покриття на робочих поверхнях різального інструменту, виходячи з умови когезійної міцності поверхневого шару на основі визначення критичного кроку тріщини при термосиловому навантажені в процесі різання з урахуванням залишкових напружень в системі “покриття-основа”.

3. Вперше запропоновано методику розрахунку параметрів покриттів дискретного типу на робочих поверхнях різального інструменту з умов його адгезійної і когезійної міцності та визначено оптимальну щільність покриття, яка становить 55-65%. Показано, що такі покриття дискретного типу мають в 1,6...1,8 рази менший рівень напружень, що знижує ймовірність руйнування покриття при роботі інструменту.

4. Вперше на основі математичних моделей процесу формування покриттів та експлуатації різального інструменту з покриттями проведено багатокритеріальну оптимізацію технологічних процесів формування зносостійких покриттів та різання інструментом з покриттями дискретного типу, що забезпечує необхідні значення характеристик міцності, стійкості різального інструменту та шорсткості оброблюваної поверхні. Визначено оптимальні режими обробки матеріалів різанням інструментом з покриттями дискретного типу, які забезпечують максимальну продуктивність та мінімальну собівартість процесу різання.

5. Встановлено, що застосування зносостійких покриттів дискретного типу на робочих поверхнях інструменту впливає на механізм його взаємодії з оброблюваною поверхнею і зменшує величини зносу та знижує шорсткість оброблюваної поверхні. Використання електроіскрового легування підвищує зносостійкість інструменту з швидкорізальної сталі в 1,9...2,1 рази; застосування вакуум-плазмового покриття дискретного типу на основі нітриду титану на твердому сплаві дозволяє збільшити його стійкість в 1,4-1,8 рази, а на нітридній кераміці в 1,6...2,0 рази в порівнянні з інструментом з суцільними покриттями.

6. Розроблено рекомендації і промислові технології підвищення працездатності різального інструменту та покращення його різальних властивостей на основі проектування і формування зносостійких покриттів дискретного типу, що дозволило суттєво підвищити стійкість інструменту при механічній обробці матеріалів різанням.

7. Високий рівень ефективності результатів проведених досліджень і запропонованих технологій формування на робочих поверхнях різального інструменту покриттів дискретного типу, які забезпечують підвищення його стійкості та подовження терміну експлуатації, підтверджуються впровадженнями на ряді підприємств різних галузей промисловості з річним економічним ефектом понад 300 тис. грн. Результати розробки використовуються в учбовому процесі кількох технічних університетів України.

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

1. Остафьев В.А., Антонюк В.С., Тымчик Г.С. Диагностика процесса металлообработки - К.: Техніка . - 1991. - 152 с. (Визначення основних параметрів технологічного процесу металообробки, аналіз результатів, розробка рекомендацій стосовно математичного моделювання процесів різання і діагностування різального інструменту).

2. Антонюк В.С., Дигам М.С., Климанов А.С. Принципы и возможности формирования упрочнений поверхностей режущего инструмента. // Резание и инструмент в технологических системах. - Межд. Науч.-техн. сборник. - Харков: ХДПУ, 1999, Вып.54. С. 22 - 28. (Ідея, постановка задачі, узагальнення експериментальних даних, формування висновків).

3. Андреев С.А., Антонюк В.С. Влияние дискретности поверхностной структуры на энергетическую приспосабливаемость пары трения // Високі технології в машинобудуванні. // Збірник наукових праць ХДПУ. Харків: Вид-во ХДПУ., 1999. - С. 9 - 14. (Розроблено методику, розрахунки і аналіз результатів).

4. Антонюк B.C. Исследование износостойкости неперетачиваемых твердосплавных пластин с покрытиями.// Машинобудування. Вісник Харківського державного політехнічного університету. Збірка наукових праць ХДПУ. Випуск 100. - Харків: ХДПУ, 2000. - С. 7 - 11.

5. Волкогон В.М., Карюк Г. Г., Антонюк В.С. Эффективность и перспективы применения функциональных покрытий в технике. // Вісті Академії інженерних наук України. Машинобудування та прогресивні технології - 2000. - №4/2000.- С. 4 - 10. (Обґрунтування та постановка задачі, узагальнення результатів, формулювання висновків).

6. Ляшенко Б.А., Антонюк В.С. Исследование поверхностных структур покрытий в условиях трибофатического нагружения //Вісник Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”: Машинобудування - К.: НТУУ “КПІ”., 2001. - Вип.40. - С. 85 - 91. (Обґрунтування та постановка задачі, експериментальні роботи, розрахунки, узагальнення результатів).

7. Антонюк В.С. Оптимальное конструирование износостойких инструментальных покрытий // Збірник наукових праць НТУ “ХПI”.- Харків, 2002. Вип. 1(5) - С. 25-31.

8. Ляшенко Б.А., Антонюк В.С. Исследование эффективности дискретных поверхностных структур пар трения //Вестник СевГТУ. Вып. 36 Автоматизация процессов и управление: Сб. Науч. Тр. / Севастоп. Нац.техн.ун-т. - Севастополь, 2002. -С.123 - 128. (Визначення основних параметрів поверхневих структур, аналіз результатів, розробка рекомендацій).

9. Антонюк В.С. Формування покриття підвищеної зносостійкості на робочих поверхнях різального інструменту. // Вісник Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”: Машинобудування - К.: НТУУ “КПІ”., 2003. - Вип. 44. - С.110 - 112.

10. Антонюк В.С. Підвищення зносостійкості інструменту шляхом формування покриття дискретної композиційної структури / Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету 2003. Вып. 13 - Кіровоград КДТУ, 2003. - С. 87 - 94.

11. Антонюк В.С., Выслоух С.П., Мазур В.А., Самотугин С.С. Оптимизация технологических параметров процесса формирования упрочняющих покрытий. // Технологические системы. Киев. 2003 № 4. С. 44 - 48. (Ідея, постановка задачі, розробка методики, узагальнення та трактування результатів).

12. Антонюк В.С. Рутковский А.В. Сравнительные испытания режущих свойств нитридной керамики с многофункциональными покрытиями // Вісник Сумського державного університету. - Суми: Видавництво СумДУ. 2003. №3(49). - С. 162 - 167. (Постановка задачі, експериментальна частина, узагальнення результатів).

13. Антонюк В.С., Усачев П.А., Калиниченко В.И., Возненко В.В., Определение деформаций в режущем клине инструмента при резании труднообрабатывамых материалов. // Високі технології в машинобудуванні: Збірник наукових праць НТУ “ХПІ”. Харків, 2003. - Вип.1 (6)- С. 3 - 8. (Ідея, розроблено методику, розрахунки і аналіз результатів).

14. Ляшенко Б.А Рутковский А. В. Антонюк В. С. Исследование влияния функциональных покрытий на режущие свойства керамики //Артиллерийское и стрелковое вооружение., Международный научно-технический сборник К.: 2003. - Вип. 2. - С. 41 - 49. (Постановка задачі, виконано вимірювання, розрахунки і аналіз результатів).

15. Антонюк В.С., Сорока Е.Б., Бовсуновский А.П., Рутковский А.В., Дослідження впливу вакуум-плазмових покриттів на логарифмічний декремент коливань // Вісник Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”: Приладобудування. - К.: НТУУ “КПІ”., 2003. - Вип. 26. - С. 100 - 104. (Запропоновано методику, узагальнення та трактування результатів роботи).

16. Антонюк В.С. Определение влияния покрытия на напряженно-деформированное состояние режущей части инструмента // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Технології в машинобудуванні. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2004. - № 44. - С. 173 - 180.

17. Антонюк В.С. Особливості визначення параметрів покриття на різальному інструменті // Вісник Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”: Серія приладобудування. - 2004. - Вип. 28. - С. 129- 132.

18. Антонюк В.С. Перспективы повышения работоспособности режущего инструмента путем выбора топографии поверхности износостойкого покрытиями // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения: Сборник научных трудов. - Вып. 8. - Киев: ИСМ им. В.Н.Бакуля НАН Украины, 2005. - С. 300 - 303.

19. Антонюк В.С., Рутковський А.В. Вплив складу та характеру покриття на працездатність інструмента на основі нітриду кремнію при різанні // Вісник Житомирського державного технологічного університету. 2004. Вип.1(28) - С. 5 - 12. (Запропоновано методику, експериментальна частина, узагальнення та трактування результатів).

20. Антонюк В.С., Вислоух С.П., Мірненко В.І., Рутковський А.В. Багатокритеріальна оптимизація технологічних параметрів формування вакуум-плазмових покриттів // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - Черкаси.: ЧДТУ., 2004. - Вип. № 2. - С. 71 - 76. (Обґрунтування та постановка задачі, розробка методики, розрахунки, узагальнення результатів).

21. Антонюк В.С., Мірненко В.І., Рутковський А.В., Трапезон О.Г. Розробка основ аналітичного розрахунку пружних систем з покриттями на базі вибраних задач механіки і теорії коливань. // Вісник Житомирського державного технологічного університету. 2004. Вип.IV (31), том 1.- С. 5 - 11. (Визначення закономірностей процесу, постановка задачі дослідження, отриманні аналітичних залежностей для розрахунку пружних систем з покриттями, розрахунки і аналіз результатів).

22. Антонюк. В.С., Вислоух С.П., Мірненко В.І. Оптимізація технологічного процесу нанесення вакуум-плазмових покриттів за критеріями короткочасної міцності та пластичності // Технологические системы. Киев. 2004 № 2 (22) / 2004. - С. 37 - 41. (Обґрунтування та постановка задачі оптимізації, виконано розрахунки, узагальнення і трактування результатів).

23. Ляшенко Б.А., Антонюк В.С, Сорока О.Б., Лопата Л.А. Оптимизация дискретных структур электроискровых покрытий //Артиллерийское и стрелковое вооружение., Международный научно-технический сборник К.: 2004. - Вип. 4(13). - С. 30 - 34. (Визначення технологічних закономірностей процесу, обробка і аналіз результатів досліджень).

24. Антонюк В.С., Сорока О.Б., Рутковський А.В. Мірненко В.І. Залишкові напруження в вакуум-плазмових покриттях TiN, (Ti,Al)N, Ti(C,N). // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля . - Луганськ - 2004 - №7(77) (Частина 2). С. 206 - 210. (Аналіз залишкових напружень, визначення закономірностей формування поверхневого шару, аналіз експериментальних результатів).

25. Антонюк В.С., Сорока О.Б., Калініченко В.І. Аналіз напружено-деформованого стану різального інструменту з покриттями // Вісник Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”: Серія приладобудування. - 2004. - Вип. 27. - С. 84 - 89. (Запропоновано методику, виконано розрахунки, формулювання висновків).

26. Антонюк В.С., Сорока Е.Б.,.Калиниченко В.И. Остаточные напряжение в вакуум-плазменных покрытиях // Вібрації в техніці та технологіях. - 2004. - № 5(37). - С. 88 - 89. (Розроблено методику, виконано розрахунки і аналіз результатів).

27. Сорока Е.Б., Бовсуновский А.П., Рутковский А.В., Антонюк В.С. Исследование влияния вакуум-плазменных покрытий на логарифмический декремент колебаний титановых сплавов // Вестник двигателестроения. - 2004. - №4. - С.95 - 98.(Розроблено методику, експериментальна частина, розрахунки, узагальнення результатів).

28. Ляшенко Б.А., Антонюк В.С., Сорока Е.Б., Рутковский А.В. О снижении остаточных напряжений в вакуум-плазменных покрытиях дискретной структуры // Сверхтвердые материалы. - Киев: № 2.- 2005.- С. 72 - 75. (Розроблено методику, виконано вимірювання, розрахунки і аналіз результатів).

29. Антонюк В.С., Сорока Е.Б. Обоснование выбора топографии поверхности модифицированой износостойкими покрытиями // Резание и инструмент в технологических системах. - Межд. науч.-техн. сборник. - Харьков: НТУ “ХПИ”, 2005, Вып.68. - С. 20 - 25. (Виконано дослідження, розрахунки, обробку і аналіз отриманих результатів).

30. Усачев П.А., Антонюк В.С. Определение сил резания на задней поверхности режущего инструмента // Резание и инструмент в технологических системах. - Межд. науч.-техн. сборник. - Харьков: НТУ “ХПИ”, 2005, Вып.69. - С. 335 - 338. (Виконано експериментальні дослідження, розрахунки і аналіз отриманих результатів).

31. Антонюк В.С., Ляшенко Б.А., Сорока Е.Б. Выбор параметров покрытий дискретной структуры при модификации поверхности режущего инструмента // Упрочняющие технологии и покрытия - 2005. - № 3. - С. 49 - 50. (Розроблено методику, розрахунки і аналіз результатів).

32. Антонюк В.С., Сорока О.Б., Панівко В.В. Розрахунковий метод визначення параметрів зносостійкого покриття // "Вісник СумДУ", №11 (83)' 2005 С.13-18. (Ідея, постановка задачі, узагальнення експериментальних даних, формулювання висновків).

33. Антонюк В.С. Вплив конструкції покриття на перерозподіл напружень в різальному інструменті з модифікованою поверхнею / Сучасні процеси механічної обробки інструментами з НТМ та якість поверхні деталей машин: Зб. наук. праць (Серія Г “Процеси механічної обробки, верстати та інструменти”) НАН України. ІНМ ім. В.М.Бакуля. - Київ. 2006 - С. 70 - 75.

34. Патент України №750U В27B 33/08 Дисковий різальний інструмент. /З.С.Сирко, А.С.Климанов, В.С.Антонюк,. В.М, Волкогон, А.К. Шелест - Заявлено. 28.02.2000. Опубл. 15.03.2001. - Бюл. № 2. (Ідея, виготовлення та дослідження зразків, формула винаходу).

35. Патент України № 47955А МПК В23Н9/00. Спосіб формування зносостійких покриттів /Антонюк В.С., Возненко В.В., Волкогон В.М., Ляшенко Б.А. - Заявлено 05.12.2001. - Опубл. 15.07.2002. - Бюл. № 7.(Запропоновано спосіб обробки, виконано його апробацію, формула винаходу).

36. Патент України № 51856 МПК G01N3/58 Спосіб визначення оброблюваності матеріалів різанням /Антонюк В.С. - Заявлено 28.04.1986. Опубл. 16.12.2002. - Бюл. № 12.

37. Патент України № 52846 МКВ B23Q15/00 Спосіб оптимізації процесу різання /Антонюк В.С., Вислоух С.П. - Заявлено 26.01.1987. Опубл. 15.01.2003. - Бюл. № 1. (Ідея методу, спосіб реалізації, формула винаходу).

38. Патент України № 56945 МПК G01N3/56 Спосіб визначення адгезійних процесів при різанні. / Антонюк В.С., Волкогон В.М., Аврамчук С.К., Олейник Г.С., Возненко В.В. Заявлено - Заявлено 12.12.2002. Опубл. 15.05.2003. - Бюл. №5. (Ідея методу, апробація, експериментальне підтвердження, формула винаходу).

39. Патент України № 575552 МПК G01N3/56 Спосіб визначення механізму абразивного зносу при різанні. / Антонюк В.С., Волкогон В.М., Олейник Г.С., Аврамчук С.К., Возненко В.В. - Заявлено 12.12.2002. Опубл. 16.06.2003. - Бюл. №6. (Ідея методу, випробування дослідних зразків, узагальнення результатів, формула винаходу).

40. Патент України № 57551 МПК G01N3/56 Спосіб визначення дифузійних процесів між інструментом і оброблюваною заготівкою / Антонюк В.С., Волкогон В.М., Іващенко Ю.Н., Аврамчук С.К., Возненко В.В. Заявлено 12.12.2002. Опубл. 16.06.2003. - Бюл. № 6. (Ідея методу, апробація, виготовлення та дослідження зразків, формула винаходу).

41. Патент України № 68303 МПК С23 С14/32 Спосіб нанесення зносостійких несуцільних покриттів / Рутковський В.А., Антонюк В.С., Волкогон В.М., Ляшенко Б, А., Осипов О.С., Петруша І.А - Заявлено 03.12.2003. Опубл. 15.07.2004. - Бюл. № 7. (Запропоновано спосіб обробки, виконано його апробацію, формула винаходу).

42. Остафьев В.А., Антонюк В.С. Современные методы интенсификации процесса резания материалов - К.: "Знання", - 1988. - 28 с. (Визначення технологічних закономірностей процесу ефективного використання покриттів на різальному інструменті, обробка і аналіз результатів досліджень).

43. Антонюк В.С. Режущие свойства неперетачиваемых твердосплавных пластин с износостойкими покрытиями // Сб. "Перспективные технологии, оснастка и методология подготовки производств ". - К.: Изд-во "Междунар.фин. агенство", 1997. - С. 44 - 49. (Експериментальна апробація, визначення оптимальних умов експлуатації різального інструменту)

44. Антонюк В.С., Дигам М.С. Новое в формировании упрочняющих покрытий фрикционных поверхностей //Сучасне машинобудування. - Київ: № 1.-1999.-С. 105 - 110. (Визначення технологічних закономірностей процесу, обробка і аналіз результатів досліджень).

45. Трапезон А.Г., Мірненко В.І., Антонюк В.С., Вислоух С.П. Дослідження дискретного покриття, технологія їх нанесення і умови експлуатації. .// Сб. Трібофатика Пр.4-го Міжнародного симпозіуму з трибофатіки (ISTF-2002), Тернопіль (Україна) - Тернопіль: Тернопільський технічний університет ім. Івана Пулюя, 2002, том.І, С.498 -503.

46. Антонюк В.С. Рутковский А.В., Фоменко С.Н. Исследование влияние функциональных покрытий на режущие свойства керамики. // Сб. ”Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов” (Часть II) (Сборник докладов 4-й Межд. конф. “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов”). -- Харьков: ННЦ ХФТИ, ИПЦ “Контраст”, 2003. -- С. 111 - 116. (Проведення експлуатаційних випробувань, розробка методики, аналіз отриманих результатів, визначення рекомендацій).

47. Антонюк В.С., Выслоух С.П., Мирненко В.І., Рутковский А.В. Определение оптимальной структуры дифференциальных покрытий. // Сб. Материалы 4-й межд. научн-техн. конф. 25-27.05.2004 г., г.Ялта - Киев: АТМ Украины, 2004. - с. 20 - 24. (Запропоновано методику, проведення розрахунків, аналіз отриманих результатів, визначення рекомендацій).

48. Райченко А.И., Гринкевич К.Э., Шуригина З.П., Антонюк В.С. Триботехническая оценка износостойких покрытий Сб. ”Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях: Материалы V юбилейной Промышленной конф., 21-25.02.2005 г., п. Славское-Киев: УИЦ “НАУКА. ТЕХНИКА. ТЕХНОЛОГИЯ”, 2005. - С. 286 - 288. (Експериментальні дослідження, розрахунки і аналіз результатів досліджень).

Анотація

Антонюк В.С. Основи підвищення працездатності різального інструменту шляхом формування зносостійких покриттів дискретного типу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю: 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2006 р.

В результаті проведених досліджень розроблено та науково обґрунтовано основи підвищення працездатності різального інструменту, які полягають в розробці теорії створення відповідного напружено-деформованого стану робочих поверхонь шляхом формування зносостійкого покриття дискретного типу. Доведена можливість керованого впливу на властивості інструментального матеріалу за рахунок зміни конструкції та процесу нанесення покриттів. Встановлено закономірності забезпечення адгезійної і когезійної міцності покриттів на різальному інструменті на основі вибору їх параметрів та топографії.

Визначено, що триботехнічні властивості робочих поверхонь з покриттями дискретного типу покращуються порівняно з властивостями поверхонь з суцільними покриттями: знижується коефіцієнт тертя та швидкість зношування, зменшується адгезійна взаємодія між оброблюваним та інструментальним матеріалами. Застосування вакуум плазмових покриттів дискретного типу на різальному інструменті дозволяє зменшити величини складових сили різання при обробці конструкційних сталей на 10...15% порівняно з інструментом з суцільними покриттями та покращити якість оброблюваних поверхонь.

Вакуум-плазмові покриття дискретного типу на основі нітриду титану та твердому сплаві дозволили збільшити стійкість в 1,4...1,8 рази, а на нітридній кераміці в 1,6...2,0 рази в порівнянні з інструментом з суцільними покриттями, використання електроіскрового легування підвищує зносостійкість інструменту з швидкорізальної сталі в 1,9...2,1 рази. На основі одержаних математичних моделей виконано багатокритеріальну оптимізацію параметрів процесу формування зносостійких покриттів та режимів експлуатації інструменту з покриттями дискретного типу при обробці конструкційних матеріалів.

В дисертаційній роботі розроблено рекомендації та промислові технології підвищення працездатності різального інструменту та покращення його різальних властивостей на основі проектування та формування зносостійких покриттів дискретного типу, що дозволило вирішити актуальну проблему підвищення продуктивності процесу механічної обробки матеріалів різанням.

Ключові слова: різальний інструмент, лезова обробка, зносостійкі покриття, покриття дискретного типу, когезійна міцність, адгезійна міцність, тертя, зношування, стійкість.

Abstract

Antonyuk V.S. Principles of cutting tool performance improvement by means of wear-resistant discontinuous coatings. Manuscript.

Thesis for a Doctor degree in Techniques by specialty 05.03.01- Processes of mechanical machining, machines and tools - National technical university of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2006.

In a result of investigation the basis principles of increasing cutting tool wear-resistance due to design of discontinuous coatings that ensure suitable stress-strain are worked up and scientifically grounded. Possibility of controlled influence on the properties of tool by means of changing the design and coating process is proved.

The methods to ensure adhesion and cohesion strength of tool discontinuous coatings based on the right choice of their parameters and structuring are suggested. The dimension of the section (D_max) of discontinuous coating is determined as a critical step for crack calculated for continuous coatings.

It is shown that tribotechnical properties of discontinuous coated working surface depend on coating parameters and turn into better as compared to continuous coated surface: friction coefficient reduces by a factor of 1,5...2,5; wear speed reduces by a factor of 1,14...1,4; reduction of adhesion interaction between tool and machined materials is observed.

The application of PVD discontinuous coated cutting tool allows to reduce cutting forces by 10...15% as compared to tool with continuous coatings and to improve quality of machined surface.

The application of PVD discontinuous coated hard alloy tool allows to increase wear-resistance 1,4...1,8 times as compared to continuous coated cutting tool, for PVD discontinuous coated nitride ceramic tool wear-resistance rises 1,6…2,0 times as compared to continuous coated tool. Electro-spark with suitable parameters increases wear-resistance of hard speed steel tool 1,9...2,1 times as compared to coating with arbitrary parameters.

In terms of mathematical models multicriteria optimization of coating process and cutting conditions when machining of structural materials with discontinuous coated tools is done.

Recommendations and industrial technologies to improve wear-resistance and parameters, which govern machining performance of cutting tool on the basis of design and deposition of discontinuous coatings, are developed.

Key words: cutting tool, machining, wear-resistant coating, discontinuous coating, cohesion strength, adhesion strength, friction, wear, wear-resistance.

Аннотация

Антонюк В.С. Основы повышения работоспособности режущего инструмента путем формирования износостойких покрытий дискретного типа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности: 05.03.01- Процессы механической обработки, станки и инструменты. Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2006 г.

В результате проведенных в работе исследований разработаны и научно обоснованы основы повышения работоспособности режущего инструмента, которые состоят в разработке теории создания соответствующего напряженно-деформированного состояния рабочих поверхностей путем формирования износостойкого покрытия дискретного типа. Доказана возможность управляемого влияния на свойства инструментального материала за счет изменения конструкции и процесса нанесения покрытий.

Установлены закономерности обеспечения адгезионной и когезионной прочности покрытий дискретного типа на режущем инструменте на основе выбора их конструктивных параметров и топографии. Предложена критериальная оценка величины максимально допустимого размера участка дискретного покрытия, исходя из условия когезионной прочности поверхностного слоя при термосиловом нагружении с учетом остаточных напряжений. Размер участка дискретного покрытия не должен превышать значение критического шага трещины для сплошного покрытия, а его сплошность должна обеспечить контактную прочность и составляет 55...65%. На основе экспериментально-расчетной методики и численного моделирования рекомендованы размеры дискретных участков вакуум-плазменных покрытий из условия снижения уровня остаточных напряжений в покрытии и с точки зрения сохранения адгезионной прочности покрытия.

Установлено, что триботехнические характеристики рабочих поверхностей с покрытиями дискретного типа зависят от параметров последних и улучшаются по сравнению с характеристиками поверхостей со сплошными покрытиями: коэффициент трения уменшается в 1,5...2,5 раза, а скорость изнашивания - в 1,16...1,4 раза. Применение покрытия дискретного типа позволило также снизить адгезионное взаимодействие между обрабатываемым и инструментальным материалами на 43 % по сравнению с образцами без покрытия, в то время как для образцов со сплошным покрытием этот показатель составляет 36%.

Применение вакуум-плазменных покрытий дискретного типа на режущем инструменте позволяет уменьшить величины составляющих сил резания при обработке конструкционных сталей на 10...15% по сравнению с величинами составляющих сил резания при применении инструмента со сплошными покрытиями и на 25...30 % по сравнению с инструментом без покрытий. Величины составляющих сил резания зависят от типа и конструктивных параметров покрытий, что позволяет создать такую структуру поверхности режущего инструмента, которая обеспечит эффективность процесса резания.

Показано, что инструмент с покрытиями дискретного типа позволяет улучшить качество обрабатываемых поверхностей, особенно при интенсивных режимах резания. Выбор конструктивних параметров покрытия с учетом режимов резания позволяет уменьшить шероховатость обрабатываемой поверхности в 2...2,5 раза по сравнению с обработкой инструментом со сплошным покрытием.

Применение вакуум-плазменного покрытия дискретного типа на основе нитрида титана на твердом сплаве позволяет увеличить стойкость в 1,4…1,8 раза, а на нитридной керамике - в 1,6...2,0 раза по сравнению со стойкойстью инструмента со сплошным покрытием. Применение электроискровых покрытий дискретного типа повышает износостойкость инструмента из быстрорежущей стали в 1,9...2,1 раза.

Эффективность применения покрытий дискретного типа на режущем инструменте обоснована путем анализа напряженно-деформированного состояния режущего инструмента с учетом модификации поверхности, а также условий и параметров термосилового нагружения.

Показано, что наличие покрытия дискретного типа на инструменте из быстрорежущей стали Р6М5 и твердого сплава Т15К6 приводит к уменьшению напряжений на поверхности режущего инструмента и на поверхности адгезионного контакта в системе “основа-покрытие”, что обеспечивает когезионную и адгезионную прочность покрытий и способствует повышению стойкости режущего инструмента.

На основе полученных математических моделей выполнена многокритериальная оптимизация параметров процесса формирования износостойких покрытий и режимов эксплуатации инструмента с покрытиями дискретного типа при обработке конструкционных материалов. Выполнена оценка работоспособности режущего инструмента с покрытиями и показано, что ресурс инструмента с вакуум-плазменными покрытиями дискретного типа увеличился в 2,14 раза по сравнению с инструментом без покрытий.

В диссертационной роботе разработаны рекомендации и промышленные технологии повышения работоспособности режущего инструмента и улучшения его режущих свойств на основе проектирования и формирования износостойких покрытий дискретного типа, что позволило решить актуальную проблему повышения производительности процесса механической обработки материалов резанием.

Ключевые слова: режущий инструмент, лезвийная обработка, износостойкое покрытие, покрытие дискретного типа, когезионная прочность, адгезионная прочность, трение, изнашивание, стойкость.

Размещено на Allbest.ru