Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

Київський політехнічний інститут

УДК 621.9.02.004.6 (048)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Спеціальність: 05.03.01- Процеси механічної обробки, верстати та інструменти

Основи підвищення працездатності різального інструменту шляхом формування зносостійких покриттів дискретного типу

Антонюк Віктор Степанович

Київ 2006

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі “Виробництва приладів” Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства науки і освіти України, м. Київ.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, Лауреат Державної премії України Ляшенко Борис Артемович Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка Національної академії наук України, завідувач лабораторії

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Клименко Сергей Анатолійович,Інститут надтвердих матеріалів ім. В.Бакуля НАН України, заступник директора з наукової роботи (м. Київ)доктор технічних наук, доцент,Пилипенко Олександр Михайлович,Черкаський державний технологічний університет завідувач кафедри автомобілів та технології їх експлуатації доктор технічних наук, професор, Посвятенко Едуард Карпович, Національний транспортний університет,завідувач кафедри виробництва, ремонту та матеріалознавства (м. Київ)

Провідна установа: Національний технічний університет України “Харківський політехнічний інститут” Міністерства науки і освіти України, м. Харків

Захист відбудеться "___ "__________2006 р. о____ годині. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.11 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, Проспект Перемоги, 37, навчальний корпус №1, аудиторія 214.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”

Автореферат розісланий "___"__________2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Майборода В.С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема підвищення ефективності обробки матеріалів різанням гостро ставить задачу пошуку шляхів забезпечення працездатності та надійності різального інструменту. Вихід з ладу різального інструменту переважно обумовлений не його поломкою, а передчасним зношуванням робочих поверхонь. Тому актуальним є питання розробки наукових підходів підвищення зносостійкості різального інструменту.

Нові можливості покращення працездатності різального інструменту відкриваються завдяки цілеспрямованій зміні фізико-механічних і теплофізичних властивостей поверхневого шару шляхом його модифікації, що дозволяє збільшити зносостійкість робочих поверхонь інструменту, особливо непереточуваних пластин з твердих сплавів та різальної кераміки.

Існуючі методи підвищення зносостійкості в результаті використання суцільних покриттів не завжди забезпечують необхідні експлуатаційні властивості інструменту. Підвищити стійкість різального інструменту за рахунок модифікації поверхневого шару можна шляхом формування покриттів дискретного типу. Разом з тим, властивості модифікованого поверхневого дискретного шару досліджені недостатньо, а також відсутнє наукове обґрунтування вибору раціональної конструкції покриття. Явища щодо впливу технологічних параметрів формування та фізико-механічних характеристик покриттів дискретного типу на різальні властивості інструменту вивчені не в повній мірі і не систематизовані. Це обумовлює актуальність розробки методів керування властивостями робочих поверхонь різального інструменту шляхом створення композиції, в якій поєднувались би міцність, твердість та оптимальні трибологічні характеристики.

Результати досліджень дисертаційної роботи є базою для створення технологічних основ процесу формування зносостійких покриттів з заданими конструктивними і фізико-механічними характеристиками та високою адгезійною і когезійною міцністю, що дозволяє одержувати різальний інструмент підвищеної працездатності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

В Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” роботи, пов'язані з пошуком шляхів підвищення працездатності різального інструменту, проводились у відповідності з наступними науковими програмами, темами і проектами: науковою програмою “Дослідження технологічних характеристик нових оброблюваних і інструментальних матеріалів та створення автоматизованої системи для їх визначення” наказ Міністерства освіти та науки України № 633 від 05.11.2002 р. по темі № 2640-Ф “Дослідження та розробка автоматизованих технологічних систем в приладобудуванні” номер державної реєстрації 01030000289, по темі № 2637-П “Створення автоматизованого комплексу моніторингу надточних технологічних процесів в металообробці” номер державної реєстрації 01030000317.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає в створенні науково-обґрунтованих основ підвищення працездатності різального інструменту шляхом формування на його робочих поверхнях покриттів дискретного типу.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі основні наукові та прикладні завдання:

1. На основі аналізу стану проблеми обґрунтувати науковий підхід вирішення завдання підвищення працездатності різального інструменту за рахунок розробки зносостійких покриттів дискретного типу, що забезпечують йому відповідний напружено-деформований стан.

2. Визначити напружено-деформований стан поверхневих шарів різального інструменту з покриттями суцільного та дискретного типу та дослідити особливості впливу на нього конструкції, типу покриття і термосилового навантаження.

3. Дослідити зміни фізико-механічних властивостей і трибологічних характеристик поверхонь інструменту зі зносостійкими покриттями дискретного типу в залежності від основних конструктивних параметрів покриття.

4. Встановити взаємозв'язок фізико-механічних характеристик поверхневого шару інструменту з технологією формування покриття дискретного типу на інструментальних сталях, твердих сплавах та різальній кераміці і на цій основі розробити методологію створення зміцнюючих покриттів з підвищеною адгезійною і когезійною міцністю.

5. Вивчити вплив конструктивних параметрів покриттів на параметри процесу різання, характер зношування різального інструменту та якість обробленої поверхні.

6. Запропонувати методологію визначення оптимальних параметрів технологічного процесу нанесення покриттів на різальний інструмент на основі математичних моделей, що враховують фізико-механічні параметри поверхневого шару і економічні фактори.

7. Розробити на основі узагальнення результатів досліджень технологічні рішення і видати практичні рекомендації щодо використання різального інструменту з покриттями дискретного типу в промисловості.

Об'єкт дослідження - процеси різання інструментом зі зносостійкими покриттями дискретного типу та їх вплив на експлуатаційні характеристики різального інструменту.

Предмет дослідження - робоча поверхня різального інструменту із покриттям дискретного типу та її працездатність.

Методи досліджень. Методологічною основою роботи є системний підхід до вивчення досліджуваного об'єкту - процесу різання інструментом з зносостійкими покриттями дискретного типу та впливу технологій його формування і параметрів покриття на експлуатаційні характеристики інструменту. Для вирішення поставлених задач використовувались фундаментальні положення технології машинобудування, теорії різання матеріалів, міцності матеріалів, теорій деформівного твердого тіла та теплопровідності, а також чисельне моделювання - для оцінки температурного та напружено-деформованого стану в умовах дії термосилового навантаження.

При дослідженні особливостей мікроструктури поверхневого шару різального інструменту використовувались методи скануючої і просвічуючої електронної мікроскопії в поєднанні з методами мікрорентгеноспектрального аналізу. Для визначення фізико-механічних та триботехнічних характеристик покриттів, шорсткості і мікротвердості поверхонь з покриттями, параметрів короткочасної статичної міцності та пластичності, декременту коливань, а також залишкових напружень в покриттях застосовувалось технологічне обладнання, сучасні прилади та устаткування. Вивчення процесів зношування різального інструменту та силових і контактних явищ при різанні матеріалів базувались на стандартних та оригінальних методиках з використанням сучасної контрольно-вимірювальної апаратури. З огляду на багатофакторність досліджуваних процесів для одержання математичних моделей застосовувались методи системного аналізу та багатофакторного планування експерименту і математичної обробки статистичних даних.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше розроблено та науково обґрунтовано концепцію підвищення працездатності різального інструменту, яка полягає в розробці методології проектування зносостійких покриттів дискретного типу шляхом мінімізації напружено-деформованого стану робочих поверхонь інструменту в залежності від фізико-механічних характеристик, геометричних параметрів покриттів та умов зовнішнього навантаження.

2. Встановлено закономірності забезпечення когезійної міцності покриттів, адгезійної міцності в системі “покриття-інструмент” та контактної міцності поверхні різального інструменту з покриттями дискретного типу на основі вибору їх параметрів та топографії шляхом розрахунку критичного кроку тріщини при когезійному розтріскуванні, визначення напружень на поверхні адгезійного контакту та обмеження залишкових напружень в покриттях.

3. Розвинуто уявлення про вплив виду покриттів на стійкість різального інструменту, у відповідності з якими зміна конструкції покриття на його робочих поверхнях та режимів їх нанесення забезпечують необхідні фізико-механічні характеристики поверхневого шару та експлуатаційні показники інструменту.

4. Вперше на основі одержаних математичних моделей виконано оптимізацію параметрів процесу формування зносостійких покриттів за критерієм мінімальних загальних витрат та багатокритеріальну оптимізацію режимів експлуатації інструменту з покриттями дискретного типу за критеріями максимальної продуктивності процесу різання та його мінімальної собівартості.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в роботі нові положення і науково обґрунтовані результати, що обумовлюють методологію підвищення працездатності різального інструменту, дають можливість здійснювати вибір раціональних за конструкцією та властивостями зміцнюючих покриттів для підвищення стійкості різального інструменту з швидкорізальних сталей, твердих сплавів та різальної кераміки на етапах його виготовлення.

Запропоновано методики та виконано розрахунки напружено-деформованого стану різального інструменту, які є основою для розробки технологічних процесів формування поверхневого шару покриттів дискретного типу на різальному інструменті.

Розроблено та захищено патентами України на винахід і впроваджено в практику експериментальних випробувань способи нанесення покриттів дискретного типу (Патенти України № 47955А, № 68303) та оригінальні методики визначення характеру процесів зношування різального інструменту (Патенти України № 57552, № 56945, № 57551).

На підставі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено технологічний процес нанесення зносостійких покриттів дискретного типу на різальний інструмент, що дозволяє підвищити його стійкість в 1,5...2,2 рази порівняно з інструментом з суцільним покриттям. Інструмент з зносостійкими покриттями дискретного типу випробувано та впроваджено на підприємствах міст Києва (ВАТ “Завод ім. Г.І.Петровського”, ДАХК “Артем”) і Вишгорода (ВАТ “Карат-Комлекс”) з річним економічним ефектом понад 300 тисяч гривен.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі автором обґрунтовано загальну концепцію роботи, сформульовано мету і завдання досліджень та визначено підходи їх реалізації. Особиста участь автора в одержанні наукових та практичних результатів, що викладені в дисертаційній роботі, полягає:

- у визначенні напрямків розвитку та вдосконалення конструкції покриття дискретного типу на різальному інструменті;

- в розробці, теоретичному обґрунтовані та дослідженні моделей конструкції покриття дискретного типу на різальному інструменті;

- в отриманні нових аналітичних залежностей, що характеризують вплив термосилового навантаження на напружено-деформований стан різального інструменту з покриттями дискретного типу, та визначають параметри конструкції покриття дискретного типу на різальному інструменті;

- в розробці методик та схем чисельного моделювання напружено-деформованого стану різального інструменту з покриттями дискретного типу при термосиловому навантаженні;

- в розробці методики та розв'язанні задачі багатокритеріальної оптимізації параметрів процесів формування покриттів та технологічного процесу різання інструментом з покриттями дискретного типу.

Апробація результатів роботи. Матеріали, основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались і надруковані в збірках докладів і матеріалів понад 30 науково-технічних конференцій, семінарів, симпозіумів, конгресів, в тому числі Міжнародних, зокрема на Міжнародних конференціях “Высокие технологии в машиностроении”, (Харків, 1996 - 2005 р.р.), "Перспективные технологии, оснастка и методология подготовки производств", (Київ, 1997 р.); ”Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии”, (Київ, 1997 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції присвяченій 100-річчю механіко-будівного і 50-річчю зварювального факультету, (Київ, 1998 р.); на Міжнародних конференціях ”Композиционные материалы (КМ) в промышленности” (Славполиком); (Київ, 1998 - 2004 р.р.), “Технология машиностроения: проблемы и перспективы”, (Севастополь, 2000 р.); на II - ІV Міжнародних науково-технічних конференціях “Автомобильный транспорт: тенденции развития, высокие технологии, менеджмент и маркетинг”, (Севастополь, 1998 - 2001 р.р.), “Машиностроение и техносфера на рубеже ХХІ века”, (Донецьк, 1998, 1999 р.р.),; “Процессы абразивной обработки, инструменты и материалы” (Волжский, Росія, 1998 - 2004 р.р.); “Перспективные материалы”, (Київ, 1999 р.); на VII “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я”, (Харків, 1999 р.); на Міжнародному семінарі-виставці ”Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машиностроении”, (Київ, 1999 р.); “Сверхтвердые инструментальные материалы на рубеже тысячелетий: получение, свойства, применение” -“СТИМ - 2001”, (Київ, 2001 р.); на ІІ Міжнародній конференції "Прогресивна техніка і технологія - 2001", (Київ, 2001 р.); на І - ІV Промислових міжнародних конференціях ”Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (Київ, 2001 - 2004 р.р.); на IV Міжнародному симпозіумі по трібофатіці ISTF-2002 (Тернопіль, 2002 р.); на Міжнародному науково-технічному семінарі “Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении” (Запоріжжя, 2002, 2004 р.); на IV Міжнародній конференції “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов“ (Харків, 2003 р.); на ІІІ - ІV Міжнародних науково-технічних семінарах, ”Современные проблемы подготовки производства, обработки и сборки в машиностроении и приборостроении” (Свалява, 2003 - 2006 р.р.); на Міжнародній науково-методичній конференції “Современные проблемы и перспективы развития станко-инструментального производства и совершенствование подготовки кадров”. (Маріуполь, 2003 р.); на Міжнародних науково-технічних конференціях, “Новые процессы и их модели в ресурсо- и энергосберигающих технологиях”, (Одеса, 2003, 2004 р.р.); на ІІ Міжнародній науково-технічній конференції ”Проблеми динамики и прочности в газотурбостроении (ГДТ-2004)”, (Київ, 2004 р.); на ІV Міжнародній науково-технічній конференції “Инженерия поверхности и реновация изделий”, (Ялта, 2005 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Материалы, технологии и оборудование для упрочнения и восстановления деталей машин” (Новополоцьк, Білорусь, 2005 р.); науково-технічних конференціях “Приладобудування: стан і перспективи” (Київ, 2002 - 2005 р.р.) та на науково - технічних конференціях Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” 1996-2006 р.р.

Публікації. Результати досліджень, що подані в дисертації, опубліковані в 60 працях, в тому числі в 1 монографії, 1 брошурі та 32 статтях в наукових журналах і збірках наукових праць, затверджених ВАК України, у 8 патентах України.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, 7 розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел і додатків. Повний обсяг роботи складає 383 сторінки. Вона містить 268 сторінок, в тому числі 158 ілюстрацій, 25 таблиць, 5 додатків на 74 сторінках та список використаних джерел, який складає 403 використане літературне джерело на 40 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі розкрито суть та стан наукової проблеми, обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, викладено наукові положення, які виносяться на захист, наведені дані щодо наукової новизни, обґрунтована достовірність і показана практична цінність отриманих наукових результатів, наведені дані про публікації і апробацію роботи.

У першому розділі виконано огляд літературних джерел стосовно стану досліджень та приведено аналіз причин руйнування робочих поверхонь різального інструменту, у тому числі, з покриттями, розглянуто методи зміцнення робочих поверхонь, визначено фактори, які впливають на зношення робочих поверхонь та сформульовано мету і задачі дисертаційної роботи.

Великий вклад в вирішення багатьох проблем з питань теорії різання матеріалів, проектування різального інструменту, підвищення міцності і довговічності різального інструменту та формування зносостійких покриттів внесли вчені Бобров В.Ф., Верещака А.С., Внуков Ю.М., Гавриш А.П., Грабченко А.І., Зорев М.М., Кабалдін Ю.Г., Клименко С.А., Костюк Г.І., Лоладзе Т.М., Ляшенко Б.А., Мацевитий В.М., Мовшович А.Я., Остаф'єв В.О., Подураєв В.М., Полетіка М.Ф., Посвятенко Е.К., Резников А.Н., Розенберг О.А., Родін П.Р., Табаков В.П., Тимофеєва Л.А., Якубов Ф.Я. та інші.

Аналіз науково-технічної вітчизняної та зарубіжної літератури показав, що розробка принципів направленого впливу на поверхневі шари інструментального матеріалу з метою створення композицій, в яких би оптимально поєднувались твердість, теплостійкість, ударна в'язкість, тощо за рахунок модифікації поверхні шляхом формування спеціальних покриттів, є актуальною і своєчасною.

В той же час, використання суцільних покриттів на робочих поверхнях різального інструменту не завжди забезпечує високі показники працездатності внаслідок адгезійного відшарування і когезійного розтріскування покриття. Підвищити експлуатаційні характеристики робочих поверхонь інструменту можна шляхом формування захисних покриттів дискретного типу.

Разом з тим, існує невизначеність в рекомендаціях щодо параметрів покриттів дискретного типу. Не існує робіт та концепцій, які б чітко визначали необхідні фізико-механічні та геометричні характеристики покриттів дискретного типу, що дозволяють одержувати високі показники зносостійкості робочих поверхонь з покриттями. Крім того, недостатньо досліджено вплив конструкції та типу покриття на працездатність робочих поверхонь інструменту.

Вказані проблеми обумовлюють необхідність розробки науково-обґрунтованих основ та технологічних методів підвищення працездатності різального інструменту шляхом формування покриттів дискретного типу на основі досліджень мікро- і макромеханізмів пошкодження робочих поверхонь та прогнозування напружено-деформованого стану різального інструменту.

Другий розділ присвячено викладенню методик експериментальних досліджень, обґрунтуванню та вибору об'єктів досліджень, опису експериментальних установок та методик математичного планування і обробки даних експерименту.

Для формування зносостійких покриттів на основі нітридів та карбідів титану на інструментальних матеріалах використовували методи конденсації в вакуумі речовин з плазмової фази в умовах іонного бомбардування (PVD). На твердосплавні пластини Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4 наносили суцільні та дискретні одношарові і багатошарові покриття з TiN, TiС, Тi(C,N), (Ti,Al)N, TiC+TiN, TiC+Аl₂O₃, та TiC+Ti(C,N)+TiN, а на різальну кераміку S₃N₄ - покриття TiN, (Cr,Ti)N та (Аl,Cr)N. Для одержання вакуум-плазмових покриттів дискретного типу використовували спеціальні “маски”. Покриття з твердих сплавів ВК8 і Т15К6 на різальному інструменті з швидкорізальних сталей Р6М5 та Р2М10ФК8 формували методом електроіскрового легування.

Викладено методики визначення фізико-механічних характеристик в системі “основа-покриття”. Мікротвердість поверхонь з покриттями визначали методами Вікерса і Кнупа. Дослідження характеристик короткочасної статичної міцності зразків із покриттями проводили на універсальній випробувальній машині ТIRАТЕSТ-2151. Вплив покриттів на демпфувальні властивості інструментального матеріалу досліджували з використанням резонансного методу збудження коливань за допомогою електромагнітної системи на устаткуванні КД_1М. Для визначення залишкових напружень в покриттях застосовували розрахунково-експериментальну методику, яка ґрунтується на вимірюванні прогину або радіусу кривизни плоского зразка, здеформованого під дією залишкових напружень.

Мікроструктурні дослідження виконувалися методами растрової електронної мікроскопії і рентгенівського мікроаналізу на електронному мікроскопі-мікроаналізаторі “CamScan-4DV”. Рентгеноструктурний фазовий аналіз здійснювали на дифрактометрі ДРОН-3.

Вплив виду покриттів на триботехнічні характеристики процесів тертя і зношування досліджували на спеціальному трибологічному устаткуванні МЛ-1 при квазістаціонарних та динамічних режимах навантаження з реверсивним ковзанням індентора. Для вивчення адгезійної взаємодії між різальним інструментом з покриттями і оброблюваною поверхнею проводили дослідження на трибометричному устаткуванні з використанням методики знаходження коефіцієнта К_адг відносної адгезійної активності .

Якість оброблюваної поверхні оцінювали на автоматизованій системі вимірювання профілю на основі профілометра мод. 296 заводу “Калібр”. За критерій зношування різального інструменту приймали ширину фаски зносу по головній та допоміжній задній поверхні, а також величину лунки зношування по передній поверхні.

Для одержання математичних моделей параметрів процесу нанесення покриттів та обробки різанням конструкційних матеріалів в умовах керованості та відтворюваності досліджуваних процесів розроблено методику прийняття неформальних рішень з використанням методів планування експериментів та обробки їх результатів методом регресійного аналізу, а також використовували метод індуктивної самоорганізації (МГУА). Вибрано методики розв'язання задач багатокритеріальної оптимізації та приведено їх алгоритми.

Третій розділ містить аналіз напружено-деформованого стану робочих поверхонь різального інструменту з покриттями, на основі якого визначали параметри покриття дискретного типу з умов когезійної, адгезійної та контактної міцності. При аналізі характеру руйнування покриття шляхом когезійного розтріскування отримали максимальний приведений розмір ділянки дискретного покриття D_max як величину, яка не повинна перевищувати значення критичного кроку тріщини суцільного покриття С :

, (1)

де k -коефіцієнт, який залежить від модулів пружності основи і покриття:

Н_o - напівтовщина основи; h_n - товщина покриття; Е_о, Е_n, G_o, G_n - модулі першого і другого роду основи і покриття; е_кр - критична деформація основи, за перевищенням якої починається когезійне розтріскування; у_n^Т - напруження в покритті, що виникають під дією температурного градієнта; у_n^зал - залишкові напруження в покритті, які з використанням методу розрахунку тонких пластин на вигин визначали як:

, (2)

де _о - коефіцієнт Пуасона матеріалу основи; R - радіус кривизни, який отримує зразок в результаті деформації, що спричиняється залишковими напруженнями.

Аналіз виразу (1) дозволяє отримати залежності критичного розміру дискретної ділянки покриття від величини відношення суми залишкових і температурних напружень до когезійної міцності покриття тобто для конкретного матеріалу покриття можна визначити таке співвідношення товщини і розміру дискретної ділянки покриття, яке дозволить виключити його когезійне розтріскування для заданих умов експлуатації різального інструменту. При цьому збільшення товщини дискретної ділянки покриття досягається за рахунок зменшення залишкових напружень або підвищення когезійної міцності покриття. Таким чином, вид та геометричні параметри дискретної ділянки покриття з урахуванням його характеристик можна визначити на етапі проектування різального інструмента.

В результаті дії зовнішнього навантаження в поверхні адгезійного контакту може спостерігатися відшаровування покриття від основи. Умову відсутності відшарування покриття, коли сумарні дотичні напруження не повинні перевищувати величину адгезійної міцності, запишемо як:

, (3)

де ф^К - дотичні напруження від контактного навантаження:

, (4)

Де ; ; ; - безрозмірні змінні;

- половина довжини площинки, на якій діє контактний тиск стружки на різальний інструмент; а - довжина контакту стружки з інструментом;

; - найбільший тиск, який діє на смужці стискання; Q - інтенсивність контактного навантаження на одиницю довжини вздовж вісі х, при цьому навантаження розподілено вздовж вісі у, а - елементарна сила в точці з координатою у=о.

Напруження ф^Д -дотичні напруження від сил тертя визначали як:

, (5)

де - коефіцієнт тертя; z - координата в площині перпендикулярній смужці контакту, осі х, у лежать в площині контакту, причому, вісь у лежить вздовж середньої лінії смужки контакту, а вісь х перпендикулярна до неї.

Аналіз залежностей (3-5) показує, що обмеження площі контакту, обумовленого дискретною конструкцією покриття, зменшує напруженість на поверхні адгезійного контакту в системі “основа-покриття”.

При визначені контактної міцності покриття дискретного типу в умовах експлуатації враховуємо, що на поверхні різального інструменту реалізується тривісний напружений стан. Для розрахунку контактної міцності найбільші напруження стиску визначаємо шляхом розв'язання рівняння:

 (6)

де І₁, І₂, І₃ - перший, другий і третій інваріанти тензора напружень, відповідно.

При цьому залишкові напруження стиску, значення яких в суцільних покриттях, отриманих методами PVD, сягають значних величин, за умов контактного і дотичного навантаження сприяють викришуванню поверхневого шару. В покриттях дискретного типу залишкові напруження знижуються, що дозволяє знизити ймовірність порушення контактної міцності.

Переваги покриттів дискретного типу при наявності сил тертя також виявлено при аналізі напружень в міждискретних проміжках. Для точок поверхні за ділянкою покриття нормальні , та дотичні напруження від дії дотичного навантаження:

; ; (7)

Аналіз (7) показав, що поля напружень в міждискретних проміжках взаємно компенсуються, і поверхня самої основи розвантажується.

Експлуатаційна надійність захисного шару покриття дискретного типу обумовлюється щільністю покриття. Максимум зношування спостерігається в місцях концентрації напружень. Припускаючи, що найбільша концентрація напружень на поверхні спостерігається в точках міжфазової межі “основа-покриття”, визначено і мінімізовано коефіцієнти концентрації напружень як функції щільності покриття.

Для покриттів, сформованих методами фізичного осадження, щільність покриття ш отримуємо із співвідношення:

(8)

де - , - еквівалентні напруження на поверхні суцільного покриття та в основі, відповідно; [q_n], [q_о] - допустиме напруження при стисканні для матеріалу покриття та основи, відповідно; k₁(D,h) - коефіцієнт, що показує частку, яку становлять залишкові напруження в покритті дискретної структури заданого розміру (D) і товщини (h) відносно залишкових напружень в суцільному покритті; k₂(а) - коефіцієнт, що показує наскільки змінюються напруження в основі при зміні кроку а дискретних ділянок покриття

В четвертому розділі наведені результати досліджень, які визначали вплив складу покриттів і технологічних режимів нанесення на властивості поверхневого шару інструменту. Встановлено взаємозв'язок між технологіями вакуум-плазмового нанесення і електроіскрового легування та фізико-механічними характеристикими і трибологічними властивостями інструментальних матеріалів з покриттями.

В залежності від конструктивних варіантів покриттів дискретного типу розглядали найбільш типові види їх поверхневого шару: острівні, мозаїчні, перфоровані, стільникові. Острівні покриття формуються у вигляді окремих ділянок відповідної форми, які розміщують з відповідним кроком мозаїчні - у вигляді вуалі, ділянки якої з'єднанні одна з одною перемичками ( 3б), перфоровані - у вигляді сітки з потужними зв'язками ( 3в), а стільникові - у вигляді сітчастої структури твердої нітрідної, карбідної або карбонітрідної основи ( 3г), .

Для оцінки працездатності конструктивних видів поверхні покриття проведені порівняльні триботехнічні дослідження на універсальній машині тертя УМТ-3 зразків з вакуум-плазмовими покриттями при навантаженнях Р -120...600 МПа та швидкостях тертя V_Т -1,5..3 м/с в залежності від температури .

Аналіз впливу конструктивних варіантів покриттів дискретного типу на триботехнічні характеристики покриття показав, що на режимах з високими навантаженнями та швидкостями, найменша величина зносу, як при нормальних, так і при високих температурах спостерігається для поверхонь із стільниковими та перфорованими покриттями.

Для визначення впливу різних типів модифікації поверхні на трибологічні властивості поверхонь тертя проведено порівняльні дослідження зносостійких поверхонь, модифікованих нанесенням суцільних покриттів та покриттів дискретного типу. Для випробувань використовували зразки з твердого сплаву Т15К6 з покриттями TiN суцільного та дискретного типу. Проведені експериментальні дослідження твердосплавних пластин Т15К6 з покриттями TiN при “квазістаціонарному” навантажені без змащення і в середовищі мастильно холодильної рідини (МХР) МР11 показали, що зразки з дискретними ділянками мають менші глибини доріжок тертя та сили тертя.

Аналіз зношування зразків з вакуум-плазмовими покриттями TiN суцільного та дискретного типу при випробуваннях без змащення та в умовах змащення в середовищі мастильно-холодильної рідини МР-11 показав, що при щільності покриття ш ? 57% спостерігали мінімальну швидкість зношення .

Експериментальні дослідження показали, що триботехнічні властивості робочих поверхонь з покриттями дискретного типу залежать від їх щільності. Так, при щільності покриття ш ? 57% коефіцієнт тертя м знижується в 2,2 рази, а швидкість зношування U - в 1,8 рази порівняно з суцільними покриттями.

Як показав аналіз мікроструктури зразків з поверхнею, легованою твердим сплавом ВК8, модифікація поверхневого шару швидкорізальної сталі Р6М5 виникає внаслідок вихороподібного переміщування елементів розплаву. При цьому виникають області з різними величинами мікротвердості. При аналізі мікрошліфа виділяли світлі ділянки, з високою твердістю 10,3_16,2 ГПа, між якими розміщені темні області з твердістю 8,4-9,8 ГПа ( 7).

Можна допустити, що світлі ділянки представляють собою вторинні структури б-заліза в поверхневих шарах зразків, які виникають за рахунок високих швидкостей нагрівання і охолодження плями в зоні електричного розряду. Встановлено, що під дією потужного електричного розряду ділянки модифікованої поверхні мають значно вищу (1,5...1,8 рази) мікротвердість порівняно з основним матеріалом, причому зміна мікротвердості проходить плавно від центру включення до основи.

Триботехнічні випробування для визначення впливу конструктивних параметрів електроіскрового покриття ВК8, одержаного методом електроіскрового легування показали, що поверхня, модифікована покриттями, параметри яких відповідають мінімуму напружено-деформованого стану чинить більший опір зношуванню, порівняно з поверхнями з “квазісуцільними” покриттями. Дослідження покриттів з твердих сплавів Т15К6 та ВК15 умовах сухого тертя показали, що найменше значення коефіцієнту тертя м мають поверхні, зміцнені сплавом ВК8. Результати випробування зразків на зносостійкість з покриттями ВК8 підтвердили перевагу покриттів дискретного типу.

Дослідження адгезійної взаємодії проводили на експериментальному трибометричному устаткуванні в контактних парах Т15К6-сталь 45 з режимами випробувань: кутова швидкість обертання індентора =0,035 с^-1, нормальне навантаження, яке діє на поверхню основи по осі індентора N=1764 H, середній контактний тиск P= 620 МПа. Досліджували взаємодію між поверхнями контртіла та інструментального матеріалу з покриттями TiN, Ti(C,N), TiN+Ti(C,N) суцільного та дискретного типу товщиною 4...8 мкм з розміром ділянок покриття 40х40 мкм; 80х80 мкм; 240х240 мкм.

Аналіз коефіцієнта відносної адгезійної активності К_адг твердого сплаву Т15К6 з покриттями від розміру дискретної ділянки покриття (таблиця 1), показує, що збільшення розміру дискретної ділянки покриття та його щільності призводить до того, що після деякого значення D величина коефіцієнта відносної адгезійної активності починає наближатись до такої, що відповідає покриттю суцільного типу. Встановлено, що використання покриттів TiN і TiN+Ti(C,N) дискретного типу призводить до зниження адгезійної взаємодії між оброблюваним та інструментальними матеріалами.

Таблиця 1.Коефіцієнт відносної адгезійної активності К_адг.

Розмір дискрета, мкм	TiN	Ti(C,N)	TiN+Ti(C,N)
Без покриття	1	1	1
40х40	0,87	0,76	0,74
80х80	0,766	0,77	0,57
240х240	0,78	0,73	0,61
Суцільне покриття	0,8	0,71	0,62

Модифікація поверхневих шарів матеріалів впливає на такі поверхнево чутливі характеристики, як короткочасна статична міцність і пластичність та демпфувальні властивості. Випробування на короткочасну статичну міцність інструментальних матеріалів з покриттями та розв'язання задачі багатокритеріальної оптимізації режимів нанесення показують, що наявність покриття підвищує границю міцності та умовну границю текучості матеріалів зразків з покриттями. При модифікації поверхневого шару інструментальних матеріалів за рахунок нанесення вакуум-плазмових покриттів спостерігається незначне зниження характеристик демпфування.

Проведені експериментальні та розрахункові дослідження показали що, наявність покриттів змінює мікротвердість та шорсткість модифікованої поверхні, впливає на характеристики короткочасної статичної міцності, демпфувальні властивості композиції “основа-покриття” та покращує триботехнічні параметри робочих поверхонь.

У п'ятому розділі відображені результати експериментальних досліджень оцінки впливу виду та конструктивних параметрів покриттів дискретного типу, які визначені на основі аналітичних та експериментально розрахункових досліджень, на сили різання, шорсткість обробленої поверхні та зносостійкість різального інструменту.

Експериментальні дослідження з метою визначення впливу виду та параметрів покриттів на сили різання здійснювали при токарній обробці сталі 40Х (HRC 58…60) та ШХ15 (HRC 62…64) інструментом з Т15К6 без покриття та з покриттями TiN, TiC, (Ti,Al)N суцільного і дискретного типу. Режими різання варіювались в межах: швидкість різання V - 1,0...3,0 м/с; s - 0,3...0,6 мм/об, глибина різання t - 0,1...0,5 мм. В результаті обробки експериментальних даних одержали залежності складових сил різання P_z, P_y, і P_x залежності від матеріалу, типу покриття та режимів різання:

;(9)

;(10)

,(11)

де х₁, х₂, х₃, х₄ - кодовані значення типу покриття, глибини різання, подачі та швидкості різання.

Порівняння величин складових сили різання при обробці сталі 40Х твердосплавним інструментом Т15К6 показало, що застосування покриттів дискретного типу призводить до зниження складових сили різання 15 - 20% і, як наслідок, до зменшення енергетичних параметрів процесу різання.

На рисунку 10 приведено порівняльні значення складової сили різання P_у, при обробці сталі 40Х інструментом Т15К6 без покриття та з покриттями TiN, TiC, Ti(C,N) та (Ti,Al)N дискретного типу. залежність складової сили різання P_z від швидкості та подачі при токарній обробці сталі 40Х інструментом з твердого сплаву Т15К6 з покриттями (Ti,Al)N.

Для визначення впливу виду та параметрів покриттів на шорсткість обробленої поверхні проведені експериментальні дослідження при точінні сталі ШХ15 інструментом з Т15К6 без покриття та з покриттями TiN, TiC, (Ti,Al)N суцільного і дискретного типу. Режими різання: швидкість різання V - 1,0...2,8 м/с; подача s - 0,1...0,4 мм/об; глибина різання t - 0,1...0,5 мм. Порівняльний аналіз профілограм обробленої поверхні з різними типами покриття при одних і тих же умовах обробки показав, що найкращу якість поверхні забезпечили різці з покриттями дискретного типу ( 12). Обробка результатів експериментальних досліджень шорсткості поверхні дозволила отримати залежність шорсткості поверхні від типу покриття та режимів різання:

,(12)

де х₁, х₂, х₃, х₄ - кодовані значення типу покриття, глибини різання, подачі та швидкості різання.

Залежності шорсткості обробленої поверхні від швидкості різання при обробці сталі ШХ15 інструментом Т15К6 без покриття та з покриттями (Ti,Al)N різних типів приведені на 13. Як показали експериментальні дослідження, покриття дискретного типу покращують якість оброблюваних поверхонь. Ця тенденція особливо проявляється при інтенсивних режимах різання, що можна пояснити особливостями зношування, коли суцільні покриття відшаровується великими ділянками, в той час як для покриттів дискретного типу зношування має рівномірний характер. Так, при швидкостях різання V = 2,0...2,8 м/с шорсткість обробленої поверхні в 1,5...2,5 рази нижча при обробці інструментом з покриттям дискретного типу порівняно з інструментом з суцільними покриттями.

Вплив типу та параметрів покриття на зносостійкість різального інструменту визначали на прикладі токарної обробки сталі ШХ15 інструментом з твердосплавними пластинами Т15К6 без покриття та з покриттями суцільного та дискретного типу TiN, TiС та (Ti,Аl)N. Режими обробки варіювали в таких межах: швидкість різання V - 1,0...2,5 м/с; подача s - 0,1...0,3 мм/об; глибина різання t - 0,1...0,5 мм. За критерій зносу вибирали ширину фаски зносу по задній поверхні різця (h₃ = 0,4 мм). Аналіз цих досліджень дозволив зробити висновок про існування інтервалу значень щільності покриття (ш ? 55...65%), який відповідає умовам оптимального напружено-деформованого стану поверхневого шару покриття і забезпечує максимальну стійкість інструменту (14). Застосування покриттів дискретного типу (Ti,Al)N із щільністю ш = 57% при обробці сталі ШХ15 дозволяє підвищити стійкість інструменту в 2,1 рази порівняно з інструментом без покриття, і в 1,4 рази порівняно з інструментом з суцільними покриттями (15).

Для дослідження впливу електроіскрових покриттів на зносостійкість інструменту з швидкорізальних сталей використовували різці з сталі Р2М10ФК8. На робочих поверхнях інструменту формували покриття із твердого сплаву ВК8 “квазісуцільного” (щільність якого наближалась до 100%) та дискретного типу із щільністю ш = 55…68%. Випробування різців проводили на токарно-гвинторізному верстаті 1А616 при точінні сталі 20. Режими різання: V_max - 0,5...0,8 м/с; s - 0,037...0,045 мм/об. За критеріій зношування вибирали ширину фаски зносу по задній поверхні різця (h₃ = 0,5 мм). Дослідження показали, що найкращу зносостійкість мали різці з покриттям дискретного типу. Так, після 20 хвилин роботи різці без покриття вичерпали свій ресурс - величина зносу по задній поверхні складала 0,47 мм, в той час як різці з покриттями практично не змінили форму різальної кромки і при цьому різець з “квазісуцільним” покриттям ВК8 мав знос 0,30 мм, а різець з дискретним покриттям ВК8 - 0,22 мм ( 16)

З метою визначення зносостійкості різальної кераміки на основі Si₃N₄ проведені дослідження одношарових - TiN, (Cr,Ti)N, (Al,Cr)N та двохшарових - Cr+TiN, (Cr,Ti)N+TiN покриттів суцільного та дискретного типів. Як показали порівняльні випробування зносостійкості різців з силініту-Р при обробці сталі ШХ15 пластини з покриттями дискретного типу мали стійкість в 1,6...2,0 рази вищу порівняно з різцями з суцільними покриттями.

У шостому розділі обґрунтовано ефективність застосування покриттів дискретного типу на основі аналізу напружено-деформованого стану різального інструменту з урахуванням одержаних експериментальним шляхом умов та параметрів експлуатаційного навантаження. Для розрахунку напружено-деформованого стану різальної кромки інструменту застосовано метод скінченних елементів, реалізований у програмному комплексі MSC/NASTRAN for Windows. При цьому враховано, що на напружено-деформований стан впливає як силове, так і температурне навантаження, тобто розглянута комплексна задача - визначення температурного поля та аналіз напружено-деформованого стану.

Проаналізовано напружено-деформований стан різального інструменту з швидкорізальної сталі Р6М5 та твердого сплаву Т15К6 з вакуум-плазмовими покриттями, що дозволило визначити вплив зміни фізико-механічних та силових параметрів, обумовлених наявністю покриття дискретного типу та отримати розподіл напружень і температур в різальному інструменті без покриття та з поверхнею, модифікованою вакуум-плазмовими покриттями суцільного та дискретного типів

Визначено розміри ділянок покриття дискретного типу з точки зору збереження адгезійної міцності покриття на різальному інструменті. Для цього розглянуто вплив розмірів дискретної ділянки на значення і зміну по товщині композиції “покриття - основа” дотичних напружень на прикладі твердосплавної пластини з Т15К6 з вакуум-плазмовим покриттям (Ti,Al)N. Встановлено, що на поверхні адгезійного контакту величини дотичних напружень, які спричиняють відшарування покриття, залежать від розмірів дискретної ділянки. Показано, що зростання коефіцієнту тертя призводить до перерозподілу дотичних напружень. Так, із зростанням сили тертя максимальні дотичні напруження наближаються з глибини матеріалу основи до поверхні адгезійного контакту, переходять в дискретну ділянку, а потім і на її поверхню, а максимум дотичних напружень зміщується в напрямку дії сили тертя. різальний інструмент покриття дискретний

На основі розрахункових даних побудовано залежності співвідношення дотичних напружень на поверхні адгезійного контакту ф^адг до інтенсивності зовнішнього навантаження для різних розмірів дискретної ділянки і коефіцієнтів тертя (18). Аналіз напружено-деформованого стану в системі “основа-покриття” для ділянок покриттів різних розмірів та товщин дозволяє вибрати геометричні параметри ділянки покриття. Для твердого сплаву Т15К6 з вакуум-плазмовим покриттями (Ti,Al)N приведений розмір дискретної ділянки становив 60....120 мкм при товщині покриття 6...10 мкм.

Для вивчення впливу вакуум-плазмових покриттів на напружено-деформований стан твердосплавного інструменту в реальних умовах експлуатації проведено розрахунок напружено-деформованого стану в різальному інструменті з Т15К6 без покриття, з суцільним та дискретним покриттям з (Ti,Al)N товщиною 8 мкм при силовому контактному та дотичному навантаженні по передній та задній поверхні різального інструменту з урахуванням зміни складових сил різання та коефіцієнтів тертя. Аналіз отриманих залежностей еквівалентних напружень по Мізесу ^екв, у відносних координатах та , де у - поточна координата в радіальному напрямку У; а - довжина контакту стружки з інструментом; q_0z- найбільший тиск, який діє на смужці стискання, показує переваги покриттів дискретного типу з точки зору величин напружень на робочих поверхнях різального інструменту (19 а). Аналіз розподілу дотичних напружень, які призводять до адгезійного відшарування покриття показує, що застосування покриттів дискретного типу призводить не тільки до зменшення значень дотичних напружень в основі різального інструменту ( 19 б), але і до зміни місця дії максимальних за значеннями напружень ( 20).

Зменшення величин та віддалення місця дії максимальних дотичних напружень від поверхні адгезійного контакту дозволяє підвищити стійкість покриттів проти адгезійного відшарування. Таким чином показано, що для інструменту з покриттями дискретного типу спостерігається зменшення напружень на поверхні та по глибині інструменту.

Розподіл напружень в різальному інструменті з Р6М5 з покриттям TiN суцільного та дискретного типу товщиною 10 мкм з врахуванням зміни складових сил різання показав, що при застосуванні інструменту з покриттями спостерігається розвантаження поверхні різального інструменту та поверхні адгезійного контакту.

Проведений скінченно-елементний аналіз дозволив отримати розподіл температурних полів і еквівалентних напружень при термосиловому навантаженні в різальному інструменті .Отримані результати показали, що модифікація поверхні інструменту формуванням покриттів дискретного типу викликає зміну напружено-деформованого стану як в приповерхневих шарах, так і по глибині різального інструменту.

Таким чином показано, що напружено-деформований стан різального інструменту залежить від геометричних параметрів покриття дискретного типу, що дозволяє прогнозувати напруженість робочих поверхонь і запобігти їх руйнуванню в умовах експлуатаційного навантаження шляхом вибору оптимальної конструкції покриття.

Аналіз чисельних розрахунків напружено-деформованого стану системи “покриття-основа” робочої частини різального інструменту з покриттями в умовах високого контактного термосилового навантаження дає можливість обґрунтувати переваги і пояснити експериментально одержані результати щодо підвищення стійкості при застосуванні різального інструменту з покриттями дискретного типу.

У сьомому розділі поставлені задачі параметричної оптимізації та вибрані методи їх розв'язання.

Розв'язана задача багатокритеріальної оптимізації процесу обробки матеріалів різанням інструментом з покриттями дискретного типу з використанням критеріїв мінімальної собівартості та максимальної продуктивності обробки. Загальний вигляд комплексного критерію представляли як:

,(13)

де П_min, С_min - мінімальні значення продуктивності та собівартості обробки відповідно, а ДП та ДС - різниця між найбільшими та найменшими значеннями цих показників процесу різання. Часткові оптимальності - продуктивність процесу різання П(X) і технологічна собівартість С(Х) визначали згідно формул:

,(14)

де ф - основний час обробки деталі; t_зм - час на заміну інструмента; m₂ - кількість змін інструменту внаслідок поломок або викришування; m₁ - кількість змін інструменту внаслідок його зношування, або кількість переточувань; t_д - додатковий час; Т - період стійкості різального інструменту.

,(15)

де b_n - затрати, які пов'язані з простоєм верстата; a_T - заробітна плата робітника.

Область допустимих рішень задачі оптимізації задана обмеженнями на параметри якості обробленої поверхні, період стійкості та режими різання. Розв'язання задачі дозволило встановити режими різання, які забезпечують максимальне значення комплексному критерію оптимальності ( 23).

Розв'язана задача оптимізації технологічних параметрів процесу нанесення покриттів за критеріями його економічної ефективності. Для цього одержано залежність енерговитрат процесів формування покриття Е від потужності випарника і часу нанесення покриття:

Е=3,0487-0,27944х₁+0,25967х₂+1,31617х₃+0,45512х₄(16)

де х₁, х₃ - потужності випарника при іонному травленні та нанесенні покриття; х₂, х₄ - час іонного травлення та час нанесення покриття в кодованій шкалі виміру.

Отримано також залежність загальних витрат технологічного процесу формування покриття дискретного типу з врахуванням енерго- та експлуатаційних витрат при проведенні процесу іонного травлення та нанесення покриття:

З =(1,99302-0,10909х₁+0,27298х₂+0,13209х₃-0,12519х₄+0,0057х₅)²,(17)

де х₁ - вид покриття; х₂ - енерговитрати процесів іонного травлення та нанесення покриття, які визначали згідно формули (16); х₃ - час нанесення покриття; х₄ - вартість легуючих газів при іонному травленні та нанесенні покриття, відповідно та х₅ - тиск легуючого газу при нанесенні покриття.

Розв'язання задачі оптимізації процесу формування вакуум-плазмових покриттів на основі отриманих математичних моделей дало можливість визначити режими нанесення покриття дискретного типу на робочі поверхні різального інструменту, при яких його енергетичні та вартісні показники будуть оптимальними. Залежність загальних витрат при формуванні покриттів дискретного типу TiN від енерговитрат Е_н та тиску легуючого газу с_н при потужності випарника травлення П_тр 4,78 кВт і часі нанесення ф_тр 42 хв. наведено на рисунку 24 а. На рисунку 24 б приведено залежність загальних витрат при формуванні покриттів (Ti,Al)N від енерговитрат Е та часу нанесення ф_н при вартості легуючого газу С_лг - 0, 33 грн і тиску газу с_н - 0,366 Па.

Виконано оцінку працездатності різального інструменту з покриттями і показано, що ресурс різального інструменту з вакуум-плазмовими покриттями дискретного типу збільшився в 2,14 рази порівняно з інструментом без покриття.

Результати досліджень лягли в основу технологічних рекомендацій ИЛКА 440208.002 “Нанесення зносостійких покриттів на інструмент методом конденсації матеріалу на установках типу “Булат” та використовуються в учбовому процесі при підготовці студентів Вузів.