Исследование процесса обработки точением инструментами с нанопокрытиями с целью обеспечения требуемого качества поверхностного слоя деталей

Апробация работы.

Основные положения и результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Научно-практическая конференция «Образование и наука в региональном развитии», г. Тутаев, 2008 г.; XV международная выставка-конгресс «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции», С.-Петербург, 2009 г.; XXXV Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения», Москва, 2009 г.; 62-я региональная научно-техническая конференция «Молодежь. Наука. Инновации», г. Ярославль, 2009 г.; Международная научно-техническая конференция «Оптимизация процессов резания, разработка и эксплуатация мехатронных станочных систем», г. Уфа, 2009 г.; Первый молодежный инновационный конвент Центрального федерального округа, г. Дубна, 2009 г.; Научно-техническая конференция «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений», г. Рыбинск, 2009 г.; 8th International Symposium INSYCONT «Energy and environmental aspects of tribology» Krakow, Poland, 2010 г.; Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодёжи «Нанотехнологии в производстве авиационных газотурбинных двигателей летательных аппаратов и энергетических установок» («ГТДнанотехнологии-2010»), г. Рыбинск, 2010 г.

Автором диссертации выполнялись научно-исследовательские работы по грантам и программам Министерства образования и науки РФ совместно с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно технической сфере по программе «У.М.Н.И.К.-2009».

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 30 работ, в том числе 8 - в изданиях, рекомендованных для печати ВАК, 4 учебно-методических пособия, получено 2 патента на полезную модель.

1. Анализ литературных данных по повышению работоспособности режущего инструмента, в том числе при высокоскоростной обработке

Вопросом повышения работоспособности режущего инструмента занимались многие отечественные и зарубежные учёные: Артамонов Е.В., Григорьев С.Н., Клушин М.И., Лоладзе Т.Н., Макаров А.Д., Зорев Н.Н., Полетика М.Ф., Петрушин С.И., Резников А.Н., Розенберг А.М., Розенберг Ю.А., Рехт Р.Ф., Рыжкин А.А., Силин С.С., Талантов Н.В., Утешев М.Х., Чукарин А.Н., Шустер Л.Ш., Carro Cao. G., Fox-Rabinovich G.S., Komanduri R. и др. Наиболее эффективным и активно развивающимся во всем мире является направление, связанное с разработкой и применением методов модификации поверхностных свойств инструментов - пластическим деформированием, электроэрозионным и лазерным упрочнением, ионной имплантацией, нанесением покрытий и др. Проведенный обзор отечественных и зарубежных работ в этой области показал, что из всех методов модификации наиболее перспективным для повышения работоспособности металлообрабатывающего инструмента является нанесение износостойких покрытий. Установлено, что наиболее эффективными являются многослойные покрытия.

Износостойкие покрытия, обладая более низким по сравнению с инструментальной подложкой коэффициентом трения и более высокой температурной стойкостью, в значительной степени влияют на различные параметры процесса резания. В частности, уменьшают длину упругого и пластического контакта стружки с рабочими поверхностями инструмента, снижают силу резания, уменьшают температуру в зоне обработки, изменяют угол условной плоскости сдвига и, как следствие, влияют на формирование параметров качества поверхностного слоя детали.

Проблеме формирования параметров качества поверхностного слоя в процессе механической обработки и их влияния на усталостную прочность и степень поврежденности детали посвящены работы многих ученых: Бабичева А.П., Безъязычного В.Ф., Блюменштейна В.Ю., Бутенко В И., Елизаветина М.А., Евстигнеева М.И., Киричека, А.В., Коршунова В.Я., Кравченко Б.А., Маталина А.А., Мухина В.С., Овсеенко А.Н., Промптова А.И., Рыжова Э.В., Сателя Э.А., Смелянского В.М., Старкова В.К., Сулимы А.М., Суслова А.Г., Gunnberg, F., Wen, Q. и других. Отсутствие методик и расчетных зависимостей для определения параметров процесса резания и параметров качества поверхностного слоя детали с учетом влияния износостойких покрытий инструмента, во многих случаях повышает трудоемкость изготовления деталей и снижает их технико-эксплуатационные показатели.

Автором установлено, что влияние покрытий инструмента на параметры процесса резания и параметры качества поверхностного слоя детали целесообразно учитывать через изменение критерия процесса резания В, который численно равен тангенсу угла наклона условной плоскости сдвига и характеризует степень пластической деформации срезаемого припуска и поверхностного слоя обрабатываемой детали. Данный критерий является важной величиной, входящей в уравнения для расчета силы и температуры резания, оптимальных режимов и режимов резания максимальной производительности, параметров шероховатости обработанной поверхности детали, глубины наклепа и величины остаточных напряжений.

Рис. 1

Величина критерия В определяется на основе известного из опыта коэффициента укорочения стружки kL:

, (1)

где г - передний угол инструмента, °; в1 - угол наклона условной плоскости сдвига стружки. Обычно величина коэффициента укорочения стружки определяется весовым способом. На основе проведенных исследований автором диссертации предложен новый метод определения коэффициента укорочения стружки. Известно, что частота вибрации силы резания при установившемся процессе обработки имеет две составляющие, первая из которых совпадает с частотой образования элементов стружки fС, а вторая - с частотой собственных колебаний консольной части режущего инструмента fри. Величина fри незначительно изменяется с изменением условий обработки и зависит от жесткости державки. Анализ вибрационных характеристик процесса резания (рис. 1) позволяет сделать вывод, что вибрации силы Pz могут быть вызваны периодическими сдвигами образующихся сегментов стружки по плоскости схода стружки. Таким образом, определив по частотным характеристикам процесса резания частоту сегментирования стружки fС и измерив длину единичного сегмента стружки путем анализа изображения последнего, можно определить коэффициент укорочения стружки:

,(2)

где v - скорость резания, м/с; l0 - длина единичного сегмента стружки, м.

2. Обоснование выбора обрабатываемых и инструментальных материалов, износостойких покрытий, условий проведения, методы и результаты экспериментальных исследований

В качестве объекта исследований выбраны: коррозионно-стойкая сталь ЭК26 (05Х12Н2К3М2АФ), титановый сплав ОТ4 и жаропрочный сплав на никелевой основе ХН77ТЮР, которые используются для изготовления ответственных деталей газотурбинных двигателей. Метод обработки - точение резцом. Инструментальные материалы: твердый сплав ВК6Р и ТТ7К12. В качестве исследуемых покрытий, на основе приведенных в литературе рекомендаций, были выбраны композитные наноструктурные покрытия (Ti;Si)N, (Ti;Si;Al)N, (Ti;Si;Zr)CN, нанесенные ионно-плазменным вакуумно-дуговым методом и покрытия, полученные методом ионной имплантации наночастиц TiB2, Al2O3, Ta2O5, ZrB2 в рабочие поверхности режущего инструмента. Режимы резания и геометрия инструмента соответствовала чистовому этапу обработки точением. Составляющие силы резания Pz, Ру и Рх регистрировались универсальным динамометром УДМ - 600. Температура резания определялась на основе термо-ЭДС естественной термопары заготовка-резец.

Для перевода значений термо-ЭДС в соответствующие ей значения температуры, необходимо получить тарировочные графики, что связано с высокими затратами времени и ресурсов на изготовление длинных стержней из обрабатываемого и инструментального материалов. В рамках данной диссертационной работы разработан прибор ПГТ - 1 (рис. 2), на который получен патент на полезную модель № 96289. Преимущество данного прибора - возможность градуирования термопар, имеющих любую геометрическую форму, т. е. возможность регистрации термо-ЭДС непосредственно между образцом из материала режущего инструмента (резец, сменная пластина, фреза и т. п.) и образцом, вырезанным из обрабатываемого материала.

Рис. 2. Общий вид прибора ПГТ-1: 1 - силовой блок; 2 - аналогово-цифровой преобразователь; 3 - пассивный термостат; 4 - резистивный нагреватель; 5 - персональный компьютер

Для определения толщины покрытий в данной работе использован усовершенствованный метод наклонного микрошлифа и разработанная совместно с автором экспериментальная установка (патент № 89219). Принцип работы установки заключается в том, что на образце полировальным диском вышлифовывается лунка, глубина которой превышает толщину покрытия. Далее на основе анализа геометрических параметров лунки определяется толщина покрытия.

Экспериментальные исследования по определению обрабатываемости вышеуказанных материалов показали, что покрытия инструмента снижают температуру в зоне резания и в среднем на 50-70 °С, сила резания Pz уменьшается на 10-30%. На основе проведенных исследований для различных сочетаний инструментальный материал - покрытие - обрабатываемый материал, путем использования расчетно-графического метода Силина С. С. получены уравнения обрабатываемости, позволяющие определять оптимальные режимы резания, характеризующиеся максимальной размерной стойкостью режущего инструмента, минимальной толщиной дефектного слоя обработанной поверхности, наилучшими эксплуатационными характеристиками деталей и т.д.

Проведенные расчеты показали, что покрытия инструмента, снижая мощность основных источников теплоты, способствуют повышению оптимальной скорости резания на 20-80%, что является значительным резервом повышения производительности обработки при одновременном увеличении качества продукции.

На основе экспериментальных исследований определено влияние комплекса технологических условий на величину критерия В (таблица 1):

Таблица 1. Значения коэффициентов и показателей степени в формуле для определения критерия

Для определения критерия В с учетом различных покрытий также разработана методика, основанная на учете коэффициента трения инструмента с покрытием. В работе были использованы два подхода, согласно первому подходу коэффициент трения определялся как отношение касательных сил на передней поверхности инструмента к нормальным силам, которые регистрируются динамометром:

, (3)

где мF - коэффициент трения, определяемый соотношением сил резания; ц - главный угол в плане, є; Py, Px, Pz - составляющие силы резания, Н; FTP - сила трения, касательная к передней поверхности инструмента, Н; N - нормальная сила, Н.

На рис. 3 представлена зависимость критерия В и коэффициента трения мF от критерия:

,

где v - скорость резания, м/с; а1 - толщина среза, м; а - коэффициент температуропроводности обрабатываемого материла, м2/с.

Установлено, что зная критерий В1 при обработке инструментом с покрытием i1, коэффициенты трения мF1 покрытия i1 и мF2 покрытия i2, для некоторых режимных условий, соответствующих критерию Б > 30, критерий В2 покрытия i2 будет равен:

(4)

Рис. 3. Зависимость критерия В и коэффициента трения мF от критерия Б

Алгоритм определения критерия В с учетом покрытий инструмента представлен на рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема расчета критерия В с учетом покрытий инструмента, коэффициенты с, х, y, z, q выбираются из таблицы 1, Е - модуль Юнга покрытия, Па; Н - твердость покрытия, Па

Согласно второму подходу, коэффициент трения определялся на одношариковом трибометре (рис. 5), ГОСТ16429-70.

Рис. 5. Схема работы одношарикового трибометра: 1 - образцы из обрабатываемого материала; 2 - индентор из инструментального материала; FЭКС - окружная сила на диске, вращающая индентор, Н; N - нормальная сила, вдавливающая индентор в образцы, Н

Известно, что коэффициент трения равен:

, (5)

где fД - деформационная составляющая коэффициента трения, принимаемая постоянной при контакте отполированных поверхностей; fМ - адгезионная (молекулярная) составляющая коэффициента трения.

,(6)

где Rэкс - радиус диска, м; rотп - радиус отпечатка (лунки) на образцах, м;

На основе проведенных автором диссертации трибомеханических испытаний твердосплавных инденторов H10F, на которые наносились покрытия, использовавшиеся при механической обработке, получены зависимости коэффициента трения от температуры, пример которых представлен на рис. 6.

Сопоставление значений адгезионной составляющей коэффициента трения fM со значениями критерия В для различных покрытий инструмента позволило установить зависимость:

,(7)

где и - соответственно адгезионная составляющая коэффициента трения инструмента без покрытия и с покрытием; и - соответственно критерий В инструмента без покрытия и с покрытием.

Рис. 6. Влияние температуры контакта на адгезионнную составляющую коэффициента трения fM для материала образцов ЭИ437Б

Таким образом, зная критерий В при обработке инструментом без покрытия и зависимости адгезионной составляющей коэффициента трения от температуры вида fM = f(и) для инструмента без покрытия и с покрытием, расчетным путем можно определить критерий В, ожидаемый при обработке инструментом с покрытием. В этом случае на основе степенных зависимостей fM = f(и) наиболее целесообразно рассчитывать поправочный коэффициент:

(8)

Алгоритм расчета требуемых параметров качества поверхностного слоя детали с учетом различных покрытий режущего инструмента приведен на рис. 7.

Рис. 7. Алгоритм расчета требуемых параметров качества поверхностного слоя детали с учетом покрытий режущего инструмента

режущий трибометр адгезионный поверхностный

На основе существующих и разработанных автором математических моделей, расчетным методом определены параметры качества поверхностного слоя деталей, которые были сопоставлены с соответствующими экспериментальными значениями, полученными при следующих условиях: материал детали - коррозионно-стойкая сталь ЭК26; инструмент - ВК6Р; режимы резания: v = 161 м/мин; S = 0,2 мм/об; t = 0,75 мм; геометрия инструмента: ц = ц1 = 45°, б = 7°, г = 8°, r = 1,2 мм. Эпюры тангенциальных остаточных напряжений представлены на рис. 8, значения шероховатости обработанной поверхности и глубины наклепа представлены в таблице 2.

Рис. 8. Эпюры тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое обработанной детали

Таблица 2. Расчетные и экспериментальные значения глубины наклепа и шероховатости обработанной поверхности

Результаты экспериментов показали, что при использовании инструментов с покрытиями, параметры шероховатости обработанной поверхности, величина остаточных напряжений и глубина наклепа уменьшаются по сравнению с инструментом без покрытия на величину, зависящую от коэффициентов трения инструментов с покрытием и без покрытия.

Приведены рекомендации по выбору видов покрытий и области их рационального использования. При точении коррозионно-стойких сталей твердосплавным инструментом с температурой в зоне резания, порядок эффективности износостойких покрытий в сторону убывания следующий: (Ti,Si)N (лучший выбор), (Ti,Si,Al)N, TiB2, Al2O3. Под эффективностью понимается стойкость режущего инструмента, способность покрытия снижать силы адгезионного взаимодействия с обрабатываемым материалом и степень пластической деформации срезаемого металла. При обработке точением жаропрочных сплавов на основе никеля, порядок эффективности износостойких покрытий в сторону её убывания следующий: (Ti,Si,Al)N (лучший выбор), (Ti,Si)N, TiB2, Al2O3. При обработке точением титановых сплавов, порядок эффективности износостойких покрытий в сторону её убывания следующий: ZrB2 (лучший выбор), Al2O3, (Ti,Si)N, (Ti,Si,Zr)CN.

Приведена оценка возможной экономической эффективности от использования инструмента с покрытиями при чистовой обработке дисков турбин ГТД с учетом обеспечения требуемых параметров качества поверхностного слоя.

Заключение

режущий трибометр адгезионный поверхностный

1. Проведенный анализ литературных источников показал, что обеспечение на чистовых операциях требуемых параметров качества поверхностного слоя ответственных деталей, работающих в тяжелых условиях, является актуальной задачей современного производства. Износостойкие покрытия инструмента, обладая низким коэффициентом трения, существенно влияют на параметры процесса резания. Отсутствие методик и расчетных зависимостей для определения влияния износостойких покрытий на параметры процесса резания и, как следствие, параметры качества поверхностного слоя детали, во многих случаях повышает трудоемкость изготовления деталей и снижает их технико-эксплуатационные показатели, что подтверждает актуальность проведенных исследований.

2. Анализ ранее выполненных работ и математических моделей для расчетного определения параметров процесса резания и параметров качества поверхностного слоя детали показал, что учет при расчетах различных покрытий инструмента целесообразно осуществлять через критерий В, характеризующий степень пластической деформации металла срезаемого припуска и поверхностного слоя обрабатываемой детали. Влияние покрытий режущего инструмента на критерий В проявляется в большей степени при режимных условиях, соответствующих значению критерия Б > 25. Предложен новый метод определения критерия В посредством измерения частоты сегментирования стружки путем регистрации частоты колебаний режущего инструмента в процессе обработки.

3. Полученные уравнения обрабатываемости позволяют назначать оптимальные режимы резания для различных сочетаний инструментальный материал - покрытие - обрабатываемый материал. Оптимальные значения скоростей vO для инструментов с покрытиями выше, чем у инструментов без покрытий на 20-80%.

4. Установленные степенные зависимости критерия В от технологических условий обработки позволяют рассчитывать значения параметров качества поверхностного слоя деталей и их эксплуатационные показатели.

5. На основе взаимосвязи критерия В с коэффициентами трения, определяемыми посредством одношарикового трибометра и как отношение касательной силы трения к нормальной, предложены две методики учета трибологических свойств различных покрытий инструмента при расчетом определении критерия В, которые отличаются оригинальностью и новизной.

6. Использование инструмента с покрытием снижает значения параметров шероховатости обработанной поверхности, глубины и степени наклепа, величины и глубины залегания остаточных напряжений тем больше, чем меньше коэффициент трения. Расчетные и экспериментальные значения параметров шероховатости обработанной поверхности, глубины и степени наклепа, величины и глубины залегания остаточных напряжений коррелируют со степенью пластической деформации срезаемого припуска и обрабатываемой поверхности, т.е. с критерием В. Относительная погрешность между расчетными и экспериментальными значениями указанных параметров изменяется в пределах 10-25 %, что говорит о достаточной точности расчетных моделей для их использования на практике.

7. Приведенные рекомендации по выбору покрытий режущего инструмента и технологических условий их работы, позволяют обеспечивать требуемые параметры качества поверхностного слоя детали и повышать производительность обработки. Увеличение производительности обработки при использовании инструмента с покрытием для рассматриваемых условий составляет в среднем 10-25 %.

Литература

1. Кордюков, А.В. Влияние износостойких покрытий инструмента на различные параметры процесса резания [Текст] / А.В. Кордюков, М.В. Тимофеев, Р.Н. Фоменко // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. - №. 8 - С. 10-15.