Повышение надежности режущего инструмента путем нанесения ионно-плазменных покрытий с оптимальным составом газовой среды

Все более широкое применение автоматизированного станочного оборудования в механообрабатывающем производстве обуславливает интенсификацию процесса резания, что является главной причиной повышенного расхода дорогостоящего инструментального материала. В связи с этим повышение надежности и эффективности режущих свойств инструмента в значительной степени определяют рост эффективности механообрабатывающего производства в целом. Поэтому проблема повышения надежности и режущих свойств инструмента является одной из наиболее актуальных в механообрабатывающем производстве.

Среди наиболее эффективных методов повышения режущих свойств инструмента в мировой практике является нанесение износостойких покрытий на их режущие части, которые позволяют повысить износостойкость контактных площадок инструмента, в том числе, в условиях выраженных адгезионно-усталостных, коррозионно-окислительных и диффузионных процессов.

Вместе с тем выбор состава, свойств и оптимизация условий получения износостойких покрытий для повышения надежности и режущих свойств инструмента требует детального изучения физико-химических и механических процессов, определяющих характер и закономерности отказов режущего инструмента. Свойства композиции «покрытие-инструментальный материал» могут заметно отличаться от свойств исходного инструментального материала, а эксплуатация такого инструмента приводит к заметной трансформации процессов, влияющих на отказы режущего инструмента. Указанное, в частности, относится к контактным характеристикам процесса резания, которые трансформируются из-за значительного уменьшения работы трения на контактных площадках передней и задней поверхностей инструмента. Последнее может служить причиной роста нормальных контактных напряжений^ особенно со стороны передней поверхности и смещения эпюр максимальных температур к режущей кромке. Это, в свою очередь, может привести к потере пластической устойчивости режущего инструмента и вязкому пластическому) разрушению режущей части инструмента. Поэтому многие отечественные и зарубежные исследователи техологических систем «инструментальный материал с покрытием — обрабатываемый материал» отмечали повышенную склонность к потере формоустойчивости быстрорежущих пластин с различными покрытиями, особенно при резании труднообрабатываемых материалов, для черновых операций обработки (повышенный уровень термомеханических напряжений) и т. д. .

Таким образом, при разработке технологии нанесения покрытий на быстрорежущий инструмент с целью повышения его надежности, режущих свойств и производительности следует учитывать не только состав, свойства и условия получения покрытий, но также использовать любую возможность повышения сопротивляемости быстрорежущей стали термопластическим деформациям с целью компенсации возрастающих значений нормальных контактных напряжений со стороны передней поверхности и роста концентрации повышенных температур у режущей комки.

Настоящая работа посвящена проблеме повышения надежности режущего инструмента из быстрорежущей стали путем комбинированной поверхностной ионно-плазменной обработки его рабочих поверхностей с целью компенсации потери вязкой прочности режущего клина инструмента и роста долговечности покрытия на контактных площадках инструмента.

В соответствии с поставленной целью работы сформулированы основные задачи исследования. Для решения поставленных задач разработаны рабочие гипотезы и методика формирования «износостойкого комплекса» на субстратах из различных быстрорежущих сталей, состоящего из диффузионно-термостабильного слоя и адгезионного подслоя методом комбинированной ионно-плазменной поверхностной обработки. Оптимизация параметров «износостойкого комплекса» (ИК) позволила получить образцы с ИК для экспериментальных, лабораторных и производственных испытаний по оценке их режущих свойств, надежности и эффективности.

Основной отличительной чертой настоящей работы явилось тщательное исследование условий формирования износостойкого комплекса методом комбинированной ионно-плазменной поверхностной обработки инструмента из быстрорежущей стали. В работе уделено большое внимание температурным условиям формирования диффузионного термостабильного слоя (ДТ-слоя) при ионном азотировании с использованием плазмы несамостоятельного газового разряда при различных схемах его генерирования, а также контрольного состава металлогазовой плазмы. В частности установленная сильная негомогенность температурного поля в рабочем объеме вакуумной камеры позволила установить рациональную зону размещения инструмента в камере для его комбинированной обработки. Разработанные математические модели азотирования в плазме несамостоятельного газового разряда позволили оценить значения оптимальных технологических параметров, обеспечивающих минимум интенсивности изнашивания различных типов инструмента из быстрорежущей стали (пластины, сверла, отрезные резцы).

Особое внимание было уделено контролю состава газовой среды при формировании сложно-композиционных по составу поверхностных износостойких покрытий износостойкого комплекса. Это, в частности, относится к разработке методики и оптимизации составов износостойких покрытий в составе износостойкого комплекса на основе композиции ТЧ-С-Ы.

Наконец, отличительной чертой настоящей работы является строгая корреляция теоретических положений по теории формирования диффузионного термостабильного слоя (кинетика, фазовые составы и т. д.) с экспериментальными изысканиями по технологии ионного азотирования быстрорежущей стали с использованием несамостоятельного газового разряда.

В работе на основе детального анализа причин отказов быстрорежущего инструмента для широкого спектра механических операций резания показана технологическая ниша применения инструмента с износостойким комплексом, только с покрытием или только диффузионным слоем в качестве несамостоятельного элемента упрочнения инструмента из быстрорежущей стали. В частности, в главе 4 работы показаны типичные примеры эффективного использования инструмента с полным износостойким комплексом и только с диффузионным слоем.

В работе уделено также большое внимание вопросам рационального использования инструмента с износостойким комплексом или диффузионным термостабильным слоем. В частности для автоматизированного расчета оптимальных режимов резания подобным инструментом по критериям «производительность» и «себестоимость» разработаны математические модели.

Таким образом, в работе рассмотрен комплекс вопросов, относящихся к проблеме разработки инструмента из быстрорежущей стали с износостойким комплексом (на примерах пластин и сверл из быстрорежущей стали) и его рациональной эксплуатации при продольном точении, сверлении и отрезке. Результаты этих исследований позволяют: оценить оптимальные параметры износостойкого покрытия на пластинах и сверлах из быстрорежущей стали (БРС) для продольного точения и сверления стали: определить экономически целесообразные режимы обработки сталей сборными резцами, оснащенными пластинами из БРС: разработать технические условия (ТУ) на производство быстрорежущих пластин из быстрорежущей стали с ИП для оснащения резцов и сверл. Методические положения, алгоритмы и программа расчета экономически целесообразных режимов резания на многоцелевых обратывающих центрах и станках с ЧПУ используются в учебном процессе МГТУ «СТАНКИН», в АОЗТ «ВИРТУС», НПП «НОВАТЕХ» и IFQ МУ (ФРГ).

Работа выполнена в соответствии с планом научно-технических работ МГТУ «Станкин», программой ГКНТП РФ «Технологии, машины и производства будущего.» (проект 06.01.05) и международным проектом «Kombinirte Ionenstrahlund Beschichtungstechnologie», выполняемом МГТУ «Станкин» и IFQ Магдебургского университета (ФРГ).

На защиту выносятся: функциональные связи между технологическими параметрами процесса формирования износостойкого комплекса, структурно — фазовым составом диффузионного термостабильного слоя и эффективностью быстрорежущего инструмента;

— физическая модель процесса азотирования в плазме несамостоятельного газового разряда с учетом состава газовой смеси и распределения (гомогенности) температуры в рабочей зоне ионно-плазменной установки;

— математические модели резания (точение, сверление) инструментом с разработанными составами ИК (КИПО).

Настоящая работа является продолжением исследований, многие годы выполняемых на кафедре «Резание материалов» МГТУ «СТАНКИН» в области разработки режущего инструмента с износостойким покрытием.

Автор считает долгом выразить глубокую признательность, благодарность коллективу кафедры резание материалов МГТУ «СТАНКИН» и сотрудникам IFQ МУ (ФРГ), а так же научному руководителю д.т.н., профессору Верегцака A.C., директору, IFQ МУ (ФРГ) профессору Ф. Лиерат, а также сотрудникам IFQ док.-инженеру Л. Дюбнер, док.-инженеру А. Панкову за советы и помощь, оказанные при выполнении работы.

Выражаю также глубокую признательность и благодарность в память моему консультанту А. И. Савостикову.

Автор считает долгом выразить благодарность к.т.н., доценту Власову В.И.

Общие выводы:

1. На основе изучения процессов изнашивания и отказов РИ из быстрорежущей стали с износостойким покрытием установлены причины его недостаточной эффективности, позволившие разработать методику г оборудование и технологию комбинированной ионно-плазменной поверхностной обработки рабочих поверхностей инструмента с целью формирования износостойкого комплекса г повышающего пластическую прочность и износостойкость быстрорежущего инструмента.

2. Предложенная схема формирования ДТ-слоя износостойкого комплекса, включающая эжекцию электронной составляющей с помощью специального сепаратора и двойного анода, позволила не только интенсифицировать процессы нагрева и очистки инструмента, исключая: электроэрозию режущих кромок РИ, но и обеспечить интенсификацию процесса азотирования за счет значительного роста степени ионизации плазмы несамостоятельного газового разряда.

3. На основе изучения распределения температуры в рабочей зоне камеры установлено наличие пространства с оптимальным значением температуры 410−450°С, которые и рекомендованы, для установки инструмента подлежащего азотированию или КИПО.

4. Разработанная математическая модель процесса, азотирования инструмента из быстрорежущей стали, позволяет — установить значимость основных факторов азотирования и определить оптимальные значения этих факторов (рд, =9,75×10ПаX] А =0,6кВX =20мин, Т=410°С), обеспечивающих минимизацию интенсивности изнашивания РИ.

5. Разработаны составы износостойкого комплекса и технологии их получения с использованием плазмы НГР, позволяющие использовать в составе наружного слоя ИК карбонитриды титана эквимолярного состава на основе жесткого контроля содержания состава газовой среды.

Установлено оптимальное соотношение ТЧ и Сг в ИП износостойкого комплекса для быстрорежущих инструментов, составляющее (25%Тл, 75%Сг) (по объему) или Ti. CN эквимолярного состава.

6. Подтверждено, что для азотирования в плазме НГР также как и для газового, процесс переноса азота определяется диффузионными процессами, которые могут активироваться путем приложения отрицательного потенциала к инструменту, при этом сформулированный ДТ-слой характеризуется, а — азотистым ферритом (до 0,1% N при температуре 410 — 500°С) и у' - нитридом (Ге4Ы), имеющим решетку гранецентрированного куба. Максимальное время наработки на отказ (доТ =4 0 мин.) имели инструменты из стали Р6М5 с содержанием азота до 30×10~!2 а2/мм, на глубине до 25−30 мкм и с содержанием азотистых фаз типа Ее4Ы, Ее3Ы, Ге2Ы на глубине до 3 мкм.

7. Оценка температурного состояния резцов из быстрорежущей стали показала, что для резцов с ИК (КИПО) снижается относительная температура, поступающая в режущую часть инструмента, причем основной вклад в снижение скорости роста температуры в РКИ оказывает ДТ-слой. Кроме того показано, что для инструмента с ИК (КИПО) заметно (до 12%) снижается температура в зоне контактирования ОМ и ИМ.

8. Резцы оснащенные пластинами Р6М5 с разработанными составами ИК (КИПО) [А-гг-ТЮ*, А- (Т1, Сг) — (25%Тд., 75%Сг) Ы] при точении стали 45 (НВ180) имели стойкость в 10−15 раз выше стойкости контрольных резцов и 1,5−8 раз выше стойкости резцов с азотированием и износостойкими покрытиями стандартного состава.

Сверла с разработанными составами ИК (КИПО) в 1,5−5 раз выше стойкости контрольных сверл и сверл с лучшими составами износостойких покрытий (Т1Ы, Т1СЫ).

9. Показано, что для тяжелых условий термического нагружения режущей части инструмента азотированный слой может служить самостоятельным «упрочняющим» элементом инструмента, в частности,. сверла из быстрорежущей стали повышенной теплостойкости Р12ФЗКЮМЗ с ДТ-слоем (Ь^ = 2530 мкм) имели стойкость в 5−6 раз выше стойкости контрольных сверл при обработке титанового сплава ВТ-20, в то время как сверла со стандартным износостойким покрытием эффекта не имели.

10. Установлено, что комбинированная ионно-плазменная обработка (КИПО) быстрорежущего инструмента может быть достаточно эффективной для широкого применения и в тех случаях, когда инструмент подвергается в процессе эксплуатации повторным затачиваниям по одной из рабочих поверхностей. Поэтому КИПО может быть рекомендовано для РИ подвергаемого в процессе эксплуатации повторным перетачиваниям по одной из рабочих поверхностей.

11. Показано (на примерах точения и сверления), что при формировании ИК (КИПО) заданного состава и конструкции, а также оптимизации его параметров (толщина ДТ-слоя, общая толщина ИК, микротвердость и т. д.) необходимо учитывать состав газовой смеси и температурное поле рабочей зоны камеры. В этом случае сформированный ИК (КИПО) на рабочих поверхностях РИ позволяет заметно повысить его эффективность и прежде всего время наработки на отказ (до 3−15 раз), и производительность резания (на 40−120%) при одновременном снижении коэффициента разброса времени наработки на отказ (на 20−50%).

12. Разработаны стохастические динамические модели резания для операции точения и сверления конструкционных сталей инструментом из быстрорежущей стали с создаными вариантами ИК (КИПО), позволившие установить, что азотирование может служить самостоятельным методом повышения эффективности инструмента из быстрорежущей стали для различных операций механической обработки с высокой тепловой напряженностью режущей части инструмента.

13. Результаты исследований были использованы для разработки технологий КИГ10 различного быстрорежущего инструмента на АОЗТ НПК «Виртус», АОЗТ НПК «Новатех», для отработки технологии КИПО сверл фирмы «Е'е^е» ФРГ в Магдебургском Университете, институт, а также в учебном процессе на кафедре «Технология формообразующей обработки» при проведении лабораторных работ по курсу «Интенсификация резания» .