Исследование влияния износостойких покрытий режущего инструмента на параметры качества обработанной поверхности при фрезеровании концевыми фрезами лопаток и моноколес ГТД тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат наук Елкин Михаил Сергеевич

• Елкин Михаил Сергеевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Елкин Михаил Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Состояние проблемы. Анализ ранее выполненных работ

1.1 Преимущества и область применения износостойких покрытий режущего инструмента

1.2 Разновидности концевых фрез и области их использования

1.3 Особенности процесса фрезерования и расчет параметров процесса резания

1.4 Анализ ранее выполненных работ по определению силы и температуры

в зоне резания

1.5 Анализ ранее выполненных работ по исследованию параметров качества поверхностного слоя, в том числе с использованием инструментов с износостойкими покрытиями

1.5.1 Шероховатость обработанной поверхности

1.5.2 Остаточные напряжения в поверхностном слое

1.5.3 Степень и глубина наклепа поверхностного слоя

1.6 Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2 Обоснование выбора ранее известных и установление авторских зависимостей для расчетного определения параметров процесса резания при концевом фрезеровании

2.1 Расчетное определение геометрии сечения среза

2.2 Расчетное определение силы резания с учетом износостойкого покрытия

2.3 Расчетное определение температуры в зоне резания и поверхностном слое обрабатываемой детали с учетом износостойкого покрытия

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3 Расчетное определение параметров качества поверхностного слоя при фрезеровании концевыми фрезами с износостойкими покрытиями

с учетом упрочнения обрабатываемого материала в поверхностном слое детали

3.1 Расчетное определение остаточных напряжений в поверхностном слое детали с учетом упрочнения поверхностного слоя обрабатываемой поверхности

3.2 Расчетное определение глубины и степени наклепа обработанной поверхности

3.3 Расчетное определение параметров шероховатости обработанной поверхности

3.4 Выводы по главе

Глава 4 Экспериментальное исследование параметров качества поверхностного слоя при обработке концевыми фрезами с износостойким покрытием

4.1 Принятые при исследовании оборудование, режущие инструменты, их геометрия, виды износостойких покрытий режущих инструментов, обрабатываемые материалы и режимные условия обработки

4.2 Результаты экспериментального исследования параметров качества поверхностного слоя образцов, обработанных фрезами с износостойким покрытием и без него

4.2.1 Остаточные напряжения в поверхностном слое обработанных

поверхностей

4.2.2 Степень наклепа поверхностного слоя

4.2.3 Шероховатость обработанной поверхности

4.3 Выводы по главе

Глава 5 Сопоставление расчетных и экспериментальных значений параметров качества поверхностного слоя детали обработанной фрезами с износостойким покрытием и без него

5.1 Порядок расчета параметров качества поверхностного слоя

5.1.1 Расчет остаточных напряжений в поверхностном слое

5.1.2 Расчет глубины и степени наклепа обработанной поверхности

5.1.3 Расчет параметров шероховатости

5.2 Принятое и дополнительно разработанное программное обеспечение для расчета параметров качества поверхностного слоя

5.3 Результаты расчета параметров качества поверхностного слоя и их сопоставление с результатами экспериментов

5.4 Выводы по главе

ГЛАВА 6 Практическое использование результатов исследования

6.1 Методика расчета параметров качества детали при фрезеровании концевыми фрезами с износостойкими покрытиями

6.2 Примеры назначения режимов резания для конкретных условий обработки

6.3 Оценка экономического эффекта от использования результатов исследования

6.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Приложение А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния износостойких покрытий режущего инструмента на параметры качества обработанной поверхности при фрезеровании концевыми фрезами лопаток и моноколес ГТД»

ВВЕДЕНИЕ

Современная техника характеризуется сложностью конструкций и деталей их составляющих. Все это является результатом непрерывной работы инженеров по увеличению прочности и надежности машин вместе со снижением веса, зачастую в ущерб технологичности изделия [1]. Вместе с этим растут эксплуатационные показатели, такие как мощность, КПД новых машин, соответственно растет удельная нагрузка на узлы и отдельные особо ответственные детали [2]. Это вынуждает использовать материалы, обладающие большей прочностью, и, как следствие, пониженной обрабатываемостью [3-4]. При этом рынок диктует свои условия, заставляя производителя снижать себестоимость изготовления для увеличения конкурентоспособности продукции. Все эти факторы находятся в жесткой связи между собой, что вызывает трудности при одновременном улучшении всех параметров. Особенно часто с ними встречаются работники таких наукоемких отраслей, как авиадвигателестроение и ракетостроение, где ко всем вышеперечисленным факторам добавляются жесткие требования безопасности, так как разрушение ответственных деталей с большой долей вероятности приводит к летной катастрофе. Номенклатуры этих производств включают в себя детали сложных пространственных форм, выполняемые из труднообрабатываемых материалов. К последним относятся: моноколеса центробежных компрессоров, лопатки газотурбинного двигателя, корпусные детали и другие детали [5].

К авиационным двигателям будущих поколений предъявляются следующие требования, непосредственно связанные с технологией их изготовления [5]: увеличение показателей ресурса и надежности в 1,5-2 раза, повышение экономичности на 10-15 %, сокращение количества деталей на 50 %. В связи с этим, основным направлением развития конструкций компрессоров ГТД на ближайшее будущее является создание мало ступенчатых, высоконапорных компрессоров низкого и высокого давления, обеспечивающих устойчивую работу при суммарной степени повышения давления до 40...50 раз [6]. Для успешного

решения этой задачи требуется создание новых типов компрессорных ступеней с большей производительностью а, следовательно, и с увеличенной нагрузкой. Реализовать подобные условия возможно за счет совершенствования технологии изготовления деталей ГТД. Современное машиностроение находится на пике инновационного процесса и впитывает в себя все существенные достижения науки. В частности, авиаракетостроение и энергетическое машиностроения являются локомотивом в развитии машиностроения и во многом определяют престиж и уровень развития страны. Авиационный двигатель является сложнейшей механотронной системой, полным циклом изготовления которого обладают лишь немногие экономически развитые страны мира, в том числе Россия.

В 90-е годы в период становления рыночной экономики в России отечественное машиностроение и, в частности, авиадвигателестроение пребывало в упадке. Рынок выявил значительное отставание тактико-технических характеристик отечественных двигателей и их неконкурентоспособность по сравнению с зарубежными образцами. На данном этапе государством принимаются меры для создания новой продукции. Совершенство конструкции изделия напрямую зависит от уровня технологий, возможности изготовления деталей с оптимальной себестоимостью и стабильными показателями качества. Все это невозможно без привлечения науки.

Происходит внедрение безотходных, а также совершенствование электрохимических методов обработки, позволяющих обрабатывать детали сложных форм [7]. Однако по экономическим и техническим показателям механическая обработка со снятием слоя материала в виде припуска является наиболее оптимальной и останется одним из главных формообразующих методов получения деталей в обозримом будущем [8]. С появлением высокоточных фрезерных станков с числовым программным управлением значительно расширились применимость и границы такого метода обработки, как фрезерование. Фрезерованием можно получить практически любую поверхность, что открыло широкие возможности для автоматизации серийного и единичного

производства ([9] с. 5). После фрезерования, как правило, проводятся операции финишной обработки: полирование, электрохимическое шлифование, поверхностно-пластическая обработка. Проведение этих операций формирует заданные параметры качества поверхностного слоя детали, такие как шероховатость, уровень остаточных напряжения, степень и глубина наклепа. Соответствие параметров качества поверхностного слоя заданным, обеспечивает максимально возможный эксплуатационный ресурс, износостойкость и коррозионную стойкость деталей [5-6], [10-11].

На данный момент проведено большое количество работ по исследованию процесса фрезерования деталей [12-23] и др. Большая часть работ посвящена исследованию стойкости инструмента, его работоспособности на различных режимах. В части работ затрагивалось влияние режимов обработки на отдельные параметры качества поверхностного слоя. В работе [13] получены зависимости, позволяющие априорно устанавливать технологические условия обработки, обеспечивающие на выходе необходимые параметры качества поверхностного слоя детали при цилиндрическом фрезеровании на получистовых режимах. Работ по исследованию влияния режимов обработки на параметры качества поверхностного слоя при концевом фрезеровании при чистовых режимах недостаточно. Современные труднообрабатываемые материалы: коррозионно-стойкие и теплостойкие хромистые стали, деформируемые жаропрочные сплавы на никелевой основе, титановые сплавы, применяемые в авиакосмической отрасли, требуют значительного увеличения эксплуатационных качеств обрабатывающего инструмента, таких как стойкость, скорость резания, прочность. При расчете себестоимости готовой продукции приходится учитывать использование дорогостоящего станочного оборудования, из цены которого вытекает большая стоимость одной станкоминуты. Это принуждает к интенсификации режимов обработки, что в свою очередь приводит к повышенному расходу инструмента, увеличению простоев станков при его замене.

Шагом в увеличении стойкости инструмента стало нанесение на его поверхность износостойких покрытий [24-26]. Развитие всех инструментальных материалов идет в основном по пути совершенствования методов нанесения покрытий с целью управления их химическим составом и структурой для обеспечения наилучшего сочетания свойств покрытия и материала основы в различных областях применения [27]. Существует направление исследований, посвященное улучшению инструментальных материалов, созданием в них регулярных наноструктур [28]. Однако этот метод представляется более затратным и трудноосуществимым в рамках типичных производственных мощностей. На данном этапе возможности современных металлообрабатывающих станков ограничены способностью инструмента работать на повышенных режимах с достаточным периодом стойкости. Дальнейшее совершенствование технологии позволило создавать наноструктурированные покрытия путем нанесения нанослоев износостойких пленок, каждая из которых выполняет свою функцию, что в комплексе дает синергетический эффект. В таких материалах иной принцип разрушения: если в традиционных материалах разрушение происходит по границам дислокаций и неоднородностей структуры кристаллической решетки, то в наноструктурированных материалах дислокации незначительны, а то и вовсе выходят на границу слоев. Разрушение происходит, как правило, в том случае, если преодолена сила притяжения молекул по всей границе, где произошло приложение нагрузки [29]. Покрытия снижают температуру в зоне резания, благодаря пониженному коэффициенту трения стружки по задней поверхности инструмента. Этим они повышают стойкость инструмента, что позволяет увеличить скорость резания и максимально снизить время простоев станка на смену инструмента и последующую поднастройку. При незначительном удорожании инструмента с покрытием, по сравнению с инструментом без покрытия, экономическая эффективность от его использования окупает затраты [30]. Обзор научно-исследовательских работ показал, что недостаточно исследований, посвященных учету влияния износостойких покрытий инструмента на параметры качества поверхностного слоя деталей при

чистовом концевом фрезеровании. Имеются работы, посвященные изучению влияния режимов обработки на отдельные параметры поверхностного слоя деталей, а также работы направленные на поиск оптимального соотношения обрабатываемый материал-покрытие [20], [29]. В большинстве случаев результат данных работ применим только для конкретных условий обработки. Отсутствуют работы по изучению влияния режимов обработки и покрытий инструмента на всю совокупность параметров качества поверхностного слоя. На производстве и вовсе основным критерием является стойкость инструмента, параметры качества получаются постфактум и формируются исключительно на доводочных операциях. При производстве лопаток компрессора требуется обеспечить шероховатость Ка 0,16-0,32, которая в принципе не достижима при концевом фрезеровании. Однако возможность расчетного получения параметров качества поверхностного слоя после операции фрезерования позволит объединить операцию лезвийной обработки и доводочную в единый комплекс, что приведёт к значительному снижению затрат без снижения качества готовой детали. В связи с этим целью данной работы будет разработка теоретических и экспериментальных положений по исследованию влияния наноструктурированных покрытий на параметры качества поверхностного слоя деталей при чистовом концевом фрезеровании. Будет произведен поиск оптимальных режимов обработки, позволяющих получить заданные характеристики поверхностного слоя.

Работа выполнена на кафедре «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» Рыбинского государственного авиационного университета имена П. А. Соловьева под руководством заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора технических наук, профессора Безъязычного Вячеслава Феоктистовича. Автор выражает благодарность за научно-методическую, техническую и практическую помощь при работе над диссертацией доктору технических наук, профессору Безъязычному Вячеславу Феоктистовичу, к. т. н., доценту М. В. Тимофееву, к. т. н., доценту М. А. Прокофьеву, а также аспиранту кафедры ТАДиОМ А. М. Филипповой.

ГЛАВА 1 Состояние проблемы. Анализ ранее выполненных работ

1.1 Преимущества и область применения износостойких покрытий

режущего инструмента

Одним из основных методов получения поверхностей деталей является снятие стружки в виде припуска. Механическая обработка останется на лидирующих позициях по совокупности присущих ей характеристик в машиностроении в обозримом будущем. Ключевыми элементами, входящими в технологическую систему и непосредственно влияющими на результат является станок и инструмент. В настоящее время производительность станков не является лимитирующим фактором, который ограничивал бы эффективность системы [31]. Слабым звеном является инструмент, оптимизация и улучшение свойств которого может обеспечить значительный прирост производительности [32]. Задача по увеличению производительности обработки, стоящая перед производителями и эксплуантатами режущего инструмента, на данный момент решается несколькими способами, главным из которых представляется улучшение свойств поверхности режущего инструмента. На рисунке 1 представлено процентное соотношение групп методов нанесения покрытий и модификаций поверхности в инструментальном производстве [33].

%

50 40 30 20 10 0

48

25

15

10

2

Комбинированные методы

Нанесение покрытий

Поверхностное легирование

Термическое упрочнение

Деформационное упрочнение

Рисунок 1 - Доля различных групп методов нанесения покрытий и модификации поверхности в инструментальном производстве [33]

Перспективным направлением повышения производительности обработки является оптимизация геометрии режущего инструмента, назначение оптимальных режимов резания, работа при которых позволяет значительно повысить стойкость инструмента. Это расширяет возможности уже имеющихся инструментальных материалов, а вместе с нанесением покрытий или иной модификацией поверхности, способствует значительному приросту производительности [34]. В работе [35] показана возможность изготовления инструмента из твердосплавного порошка, полученного методами переработки из изношенных твёрдосплавных режущих пластин. Применение в качестве сырья для инструмента переработанного твердого сплава даже несколько улучшает характеристики инструмента. Это позволяет в еще большей степени удешевить операции лезвийной обработки, а также общую стоимость твердосплавного инструмента, особенно инструмента, использующего большое количество твердого сплава, например фрезы.

Согласно молекулярно механической теории трения повышение износостойкости инструмента можно достичь при выполнении двух основных условий: при высокой твёрдости поверхности инструмента и низкой прочности ее адгезионной связи с обрабатываемым материалом [36-37]. Улучшение характеристик материала инструмента путем создания наноструктур в твердых сплавах (повышение стойкости в 1,5-2,5 раза (таблица 4, [38]) позволяет выполнить первое условие, а нанесение на поверхность инструмента износостойких покрытий с низким коэффициентом трения с обрабатываемым материалом - второе. Создание регулярной нано структуры в инструментах больших размеров (монолитные фрезы, сверла) в настоящее время представляется весьма сложной задачей и применяется для изготовления сменных пластин простых форм. В работе [39] разработана эффективная технология удаления старых или износившихся покрытий с твёрдосплавного инструмента, что значительно расширяет возможности восстановления эксплуатационных характеристик дорогостоящих инструментов.

Нанесение покрытий на режущий инструмент позволяет частично или полностью выполнить требование отказа от СОТС, связанное с требованиями улучшения экологии [40], а также снижения себестоимости производства, так как использование, и утилизация СОТС занимает от 5 до 15 % себестоимости продукции. По мнению авторов работы [29] наибольший потенциал на данном этапе развития промышленности заключается в дальнейшем развитии технологии нанесения покрытий и подборе оптимальных пар покрытие - инструмент.

Анализ покрытий, наносимых на режущие инструменты, выявил две обширные группы, отличающиеся друг от друга технологией нанесения и особенностями применения [41-43]. Это покрытия химического осаждения (CVD - Chemical Vapour Deposition) и физического осаждения (PVD - Physical Vapour Deposition).

В CVD процессе происходит осаждение твердого материала из паровой фазы. Основными компонентами установки для нанесения CVD покрытия являются термокамера, на подложку которой устанавливаются пластины, система накачки газа, вакуумный насос для обеспечения низкого давления в камере и для удаления избыточных газов. Рабочие газы, такие как хлорид алюминия, диоксид углерода, водород, азот и тетрахлорид титана подаются в камеру в предварительно нагретом состоянии в определенных, строго дозированных количествах. Они реагируют с поверхностью пластины и формируют покрытие. Основными параметрами процесса являются расход газа, давление и температура в камере.

Например осаждение покрытия Al2O3 происходит при температурах около 1000 °С, а для TiCN оптимальная температура от 800 до 950 °С. Длительность процесса может достигать 24 часов. Технологические трудности, связанные со сложностью нанесения покрытий CVD, ограничивают его применение специализированными инструментальными предприятиями [24]. Методы нанесения покрытий CVD постоянно совершенствуются, уже сейчас наносятся десятислойные покрытия. На рисунке 2 схематично представлены слои, нанесённые на твердосплавную пластинку.

Рисунок 2 - Износостойкие слои на режущей пластинке, 1 -износостойкий слой, 2 - промежуточный слой, 3 - адгезионный подслой

В работе [32] перечислены требования, предъявляемые к каждому из функциональных слоев. Износостойкий слой минимизирует химическое взаимодействие с обрабатываемым материалом, снижает термомеханические напряжения и трибологическое взаимодействие за счет высокой термодинамической стабильности, твердости и отличия кристалло-химического строения материала покрытия и обрабатываемой детали. Промежуточный слой обеспечивает высокую твердость, теплостойкость и барьерные свойства по отношению к диффузии и тепловым потокам, тормозит развитие трещин, снижает напряжения, создает благоприятные поля напряжений сжатия. Адгезионный подслой создает высокую прочность адгезии по отношению к инструментальному материалу, релаксирует напряжения на границах раздела, формирует диффузионную переходную зону между покрытием и субстратом за счет кристалло-химического подобия структур материалов и субстрата.

Однако существуют значительные недостатки, ограничивающие применение метода CVD. Интенсивность осаждения на заостренных участках снижена, что приводит к значительному округлению режущих кромок. Этот эффект уменьшают, предварительно округляя режущую кромку на величины порядка 20-50 мкм, однако для ряда инструментов, в частности пластин для

тонкого точения, всех типов цельного концевого инструмента кромка должна быть более острой [24]. Существенной проблемой является сложность форм поверхностей концевых и осевых инструментов, которая не позволяет добиться равномерного нанесения покрытия. Этим обусловлено широкое распространение методов CVD при нанесении покрытий на режущие пластины простой формы. На рисунке 3 представлена структура покрытия, нанесенного методом CVD.

Рисунок 3 - Структура покрытия нанесенного методом CVD [24]

В дальнейшем была создана технология вакуумно-дугового осаждения покрытий PVD, получившая в мировой практике наименование MEVVA (Metal Vapor Vacuum Arc) или КИБ (конденсация с ионной бомбардировкой) [44]. Процесс имеет широкое применение благодаря тому, что позволяет наносить покрытия на острую кромку, не вызывая ее существенного притупления вследствие равномерного осаждения. Твердый материал, например металл или металлический сплав, переводится в паровую фазу, зачастую при помощи плазмы. Различают следующие стадии PVD процесса: создание газа (пара) из частиц, составляющих напыление, транспорт пара к субстрату, конденсация пара на субстрате и формирование покрытия. С помощью PVD процесса получают покрытия толщиной до 5 мкм, обычно после нанесения покрытия поверхность не требует дополнительной обработки. Например, покрытие TiN формируется выпариванием титана в среде азота и затем осаждается на поверхности

инструментов и пластин. Метод PVD позволяет наносить покрытия без повышения хрупкости пластинки, так как температура их нанесения около 500 °С в отличии от 900-1000 °С у метода CVD. Применяется три метода PVD: ионное осаждение, испарение электрической дугой, магнетронное распыление. PVD -экологичный, не требующий высоких давлений и температур метод нанесения покрытий. Расширяется использование таких материалов, как ТЮ^ ^АШ и AlCrN, оксиды А1203, (А1Сг)203, т^СгМ

PVD покрытия в первую очередь находят применения там, где необходимы высокие требования к остроте режущей кромки: нарезании резьбы, сверлении и фрезеровании концевой фрезой. Для цельного осевого инструмента метод PVD является основной технологией нанесения покрытия [45]. PVD покрытия обладают хорошей адгезией, не влияют на прочность основного инструментального материала и создают благоприятные сжимающие напряжения в поверхностном слое материала инструмента. Могут устойчиво работать при скоростях 200-250 м/мин, а также при повышенных, порядка 500-1000 м/мин, скоростях резания при высокоскоростном фрезеровании за счет уменьшения времени контакта зуба инструмента с заготовкой. Для быстрорежущих и твердосплавных фрез применяются покрытие TiCN и более производительное ^АШ. На рисунке 4 изображена структура однослойного PVD покрытия.

Рисунок 4 - Однослойное PVD покрытие при поперечном срезе [45]

Стоит отметить еще один метод модификации поверхностных слоев инструмента - ионную имплантацию [46-48]. При ионной имплантации легирующие элементы наносятся не на поверхность инструмента, а внедряются в нее на определенную глубину, порядка одного микрона. При ионной имплантации в поверхностном слое наблюдается повышение микротвердости, создание благоприятных напряжений сжатия. Отсутствуют проблемы адгезии, не изменяется геометрия инструмента. На рисунке 5 показано покрытие Т^Л1-Ы и микроструктура поверхности инструмента, обработанной ионной имплантацией (с. 10, [48]).

А

д

ж

Л

а) б)

Рисунок 5 - Микрофотографии сечений: а) (Тц Л1; К) при нанесении покрытия; б) (Т1; Л1; К) полученная ионно-лучевой имплантацией [48]

Увеличение удельных нагрузок на режущий инструмент, вызванное широким распространением титана и жаропрочных сплавов, привело к появлению наноструктурированных покрытий [49-51]. По мнению авторов работ [51], технология вакуумно-дугового осаждения наноструктурированных покрытий имеет большие перспективы. Авторы особо выделяют концепцию многослойных наноструктурированных покрытий, так как они удовлетворяют гамме несовместимых требований по сравнению с традиционными материалами.

Большая номенклатура применяемых материалов инструмента и обрабатываемых материалов, специфические особенности, связанные с

геометрией и режимами работы инструмента вынуждают использовать разнообразные покрытия и их комбинации для достижения максимальных результатов. Покрытия для быстрорежущей стали должны отвечать требованиям высокой прочности сцепления покрытия и инструментальной основы, что достигается путем использования переходных слоев, включающих компоненты инструментальной основы и покрытия, которые способствуют снижению перепада напряжений на их границе и покрытии в целом [52]. Материалы с ультрадисперсными зернами и увеличенной площадью межзеренных границ имеют лучшую твердость, износостойкость, прочностные характеристики материала, в том числе, при циклических нагружениях, характерных для фрезерования.

При переходе к нанометровым размерам материалы меняют свои фундаментальные свойства. Это происходит из-за изменения соотношения поверхностных и объемных атомов индивидуальных частиц. Поверхность самого идеального кристалла может считаться большим двумерным дефектом (поверхностные атомы имеют односторонние связи). В общем случае поверхностные атомы находятся на более близких расстояниях друг от друга, чем атомы в объеме кристаллической решетки, и обладают повышенным запасом энергии. В частицах, размеры которых не относятся к нанометровым, доля поверхностных атомов мала, и их влиянием на общие характеристики вещества можно пренебречь. У наночастиц свойства поверхностных атомов становятся определяющими. Другими словами, наночастицы проявляют квантовые свойства в зависимости от своих размеров [53-54]. Причиной разрушения материалов микрометрической структуры с размерами зерен больше 1 мкм является формирование трещин, возникающих вследствие концентрации дислокаций у различных дефектов. В наноструктурированных материалах с размерами зерен менее 100 нм проявляется другой механизм разрушения. Для подобных материалов главной причиной разрушения являются процессы на межзеренных границах, что вызвано меньшим количеством атомов в зернах по сравнению с их количеством на границах. Наноструктурированный материал покрытия

практически идеален. Разрушение зерен вследствие дислокаций практически отсутствуют, а если они и происходят, то они быстро тормозятся на границах зерен. В наноматериалах наблюдается препятствование ветвлению и движению трещин вследствие упрочнения границ зерен [24], [51], [55-56]. На рисунке 6 изображена схематичная зависимость твердости материала от размера его зерна [57]. Экстремум функции приходится на область, в которой зерна имеют размер порядка 10 нм.

Рисунок 6 - График зависимости твердости материала от размера зерна [58]

На рисунке 7 представлен график, отражающий зависимость прочности от пластичности наноструктурного и традиционного крупнозернистого материала [58].

Пластичность

Рисунок 7 - График зависимости прочности от пластичности [58]

Широкое распространение получили титаносодержащие покрытия ТЮ и Ti(C, К) Металлическая фаза часто дополняется другими металлами, такими как А1 и Сг. В настоящее время используются наноградиентные покрытия (Т1; А1) N в которых нанослои нитридов титана и алюминия чередуются, создавая градиент концентрации составных элементов. На рисунке 8 представлена структура покрытия (Тц А1) N [24].

Рисунок 8 - Слоистая структура покрытия (Т^ А1)К [24]

Покрытия, работающие в условиях непрерывного резания, будут испытывать разные нагрузки по сравнению с покрытиями, работающими при прерывистом резании. Также будут отличаться свойства покрытий используемых при чистовых и черновых операциях, предназначенных для обработки алюминиевых сплавов или жаропрочных сталей. Профессор Табаков В. П. для твердосплавного инструмента, работающего в условиях прерывистого резания, предложил использовать покрытия, обладающие максимально возможной трещиностойкостью [59]. Это связано с тем, что при прерывистом резании возникают большие температурные колебания, в ходе которых в поверхностном слое происходит постоянное изменение напряжений, вызванное различными коэффициентами линейного расширения материала покрытия и основы. В работе [51] проведены исследования по созданию многослойно-композиционных

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Елкин Михаил Сергеевич, 2015 год

// // /

/ ХН78 , £г=0,0 )3 мм/з уб

•(Без) v=16 м/мин (Без) v=26 м/мин (Без) v=42 м/мин

у, мкм 50

10

20

30

40

50

60

70

80

оЗ

0 -50 -100

8 -150

о

-200 -250

-300

у,

50 0 -50 -100

мкм 10

20

30

40

50

60

70

80

оЗ

90

........... .......... ......

'/ /

/ / ' / / г

/ / ' / Х Ш78, ^ ?г=0,03 мм/зуб

/ / -(Л!, Ti, Cr, К) у=16 м/мин •• (Л1, Ti, Сг, К) v=26 м/мин ■ (Л1, Ti, Сг, К) v=42 м/мин

/ / --/—

1

90

...........

< /•■ /

ХН78, - ^=0,03 - мм/зу - б -

-(Л1, Si, Ti, К) у=16 м/мин .......(Л1, Si, Ti, К) v=26 м/мин --(Л1, Si, Ti, К) v=42 м/мин

о0-150 -200

-250

-300

Рисунок 106 - Экспериментальные эпюры остаточных напряжений сплав ХН78. Одно покрытие при различных скоростях резания

y, мкм 100

30

0 ■100 -200

g -300

о

-400 -500 -600 -700

» — — —

(р

/[

/ .7 ' •:/

40Х13(Встречное), Sz=0,02 мм/зуб; v=105 м/мин

•(Al, Ti, Cr, N) Sz(B)=0,02 мм/зуб (Al, Ti, N) Sz(B)=0,02 мм/зуб (Al, Si, Ti, N) Sz(B)=0,02 мм/зуб

y, мкм 100

10

20

30

40

50

60

0

-100 g -200 § -300

o-400

-500 -600 -700

—---- —. _ _

/у f/

40 ЗХЩВстр >ечное), Sz =0,04 мм/ зуб; v=10f 5 м/мин

-(Al, Ti, Cr, N) Sz(B)=0,04 мм/зуб .......(Al, Ti, N) Sz(B)=0,04 мм/зуб --(Al, Si, Ti, N) Sz(B)=0,04 мм/зуб i i i

сЗ

y, мкм 100 0 -100

10

20

30

40

50

60

—-T:.

f A

/ f К 4 МХЩВст речное), S ;»z=0,06 мм л/зуб; v=1< )5 м/мин

-(Al, Ti, Cr, N) Sz(B)=0,06 мм/зуб .......(Al, Ti, N) Sz(B)=0,06 мм/зуб --(Al, Si, Ti, N) Sz(B)=0,06 мм/зуб

g -200 H -300

о о

° -400 -500 -600 -700

Рисунок 107 - Экспериментальные эпюры остаточных напряжений сталь 40Х13. Встречное фрезерование при различных покрытиях и подачах на зуб

30

100

0

-100

а -200

-300

о о -400

-500

-600

-700

я

100

0

-100

а -200

-300

о о -400

'¿'»'■••о.я

&—

4/

1 40 Х13(Попутное), 8г=0,02 мм/зуб; у=105 м/мин

-(Л1, Ti, Сг, К) Sz(П)=0,02 мм/зуб .......(Л1, Ti, К) Sz(П)=0,02 мм/зуб --(Л1, Si, Ti, К) Sz(П)=0,02 мм/зуб 1111

у, мкм

10

20

30

40

50

60

-500 -600 -700

у, мкм 100

............... ......... • • • •— • -.....

у / / / / /

/ / Г 1

• /

/ ( 40Х13(Попутное), 8г=0,04 мм/зуб; у=105 м/мин

-(Л1, Ti, Сг, К) Sz(П)=0,04 мм/зуб .......(Л1, Ti, К) Sz(П)=0,04 мм/зуб --(Л1, Si, Ti, К) Sz(П)=0,04 мм/зуб 1 1 1

10

20

30

40

50

60

оЗ

0 100 ^ -200 ~Г300

о

°0-400 -500 -600 -700

40Х13(Попутное), 8г=0,06 мм/зуб; у=105 м/мин

_

■(Л1, Ti, Сг, К) Sz(П)=0,06 мм/зуб (Л1, Л, К) Sz(П)=0,06 мм/зуб (Л1, Si, Ti, К) Sz(П)=0,06 мм/зуб

Рисунок 108 - Экспериментальные эпюры остаточных напряжений сталь 40Х13. Попутное фрезерование при различных покрытиях и подачах на зуб

у, мкм 100

30

0 -100 ^ -200 Ч -300

н

о8 -400 -500 -600 -700

»»»•

я #* / / ^ 7-' - - ^

^ Г »7

„• |

40Х13 »(Встречн ое), у=105 м/мин

| 1 -(А1, Т1, Сг, К) 82(В)=0,02 мм/зуб .......(А1, Т1, Сг, К) Б2(В)=0,04 мм/зуб --(А1, Т1, Сг, К) Б2(В)=0,06 мм/зуб

у, мкм 100

0 -100 ^ -200 ^ -300

н

О8 -400 -500 -600 -700

у, мкм 100

сЗ

0 -100 -200 -300 -400 -500 -600 -700

10

20

30

40

50

60

...... " ■ ■■».гг. гг.;

•С

у/ г 40Х13(Встречное), у=105 м/мин 1 1 1

-(А1, Т1, К) Б2(В)=0,02 мм/зуб

.......(А1, Т1, К) Б2(В)=0,04 мм/зуб --(А1, Т1, К) Б2(В)=0,06 мм/зуб

10

20

30

40

50

60

............ * ш № 'ЛЛ ^

Л / /

// ?/

/ ( 40Х13(Встречное), у=105 м/мин 1111

-(А1, Б1, Т1, К) Б2(В)=0,02 мм/зуб .......(А1, Б1, Т1, К) Б2(В)=0,04 мм/зуб --(А1, Б1, Т1, К) Б2(В)=0,06 мм/зуб

Рисунок 109 - Экспериментальные эпюры остаточных напряжений сталь 40Х13. Встречное фрезерование при одном покрытии и разных подачах на зуб

у мкм 100

30

-100

-300

-400

Я 100

> ............ — м ....... * » I*

А ^— /:/ т т

( / 40 Х13(Попу тное), у=] 05 м/мин

-(А1, Т1, Сг, К) Б2(П)=0,02 мм/зуб .......(А1, Т1, Сг, К) Б2(П)=0,04 мм/зуб --(А1, Т1, Сг, К) Б2(П)=0,06 мм/зуб

мкм 10 20 ................

30

40

50

60

оЗ

100

-200

-300 I

-400

40Х13(Попутное), у=105 м/мин

_

(А1, Т1, К) Б2(П)=0,02 мм/зуб (А1, Т1, К) Б2(П)=0,04 мм/зуб (А1, Т1, К) Б2(П)=0,06 мм/зуб

у, мкм 100

10

20

30

40

50

60

.ее -100

8 -200

о

-300

-400

/ / ^............ и * Г ■--

'Г //•■ //'

// // 40 Х13(Попу тное), у=] 05 м/мин

// // // -(А1, Б1, Т1, К) Б2(П)=0,02 мм/зуб .......(А1, Б1, Т1, К) Б2(П)=0,04 мм/зуб --(А1, Б1, Т1, К) Б2(П)=0,06 мм/зуб

Рисунок 110 - Экспериментальные эпюры остаточных напряжений сталь 40Х13. Попутное фрезерование при одном покрытии и разных подачах на зуб

0

о-200

0

0

30

оЗ

0 -200 -400 -600 -800

у, мкм 100 0

-100 -200 -300 -400

10

8 -500 -600 -700 -800

у, мкм 100

10

0

-100 ^ -200 § -300 Н -400 о8 -500 -600 -700 -800

у, мкм 100

10

■Без у=80 м/мин; 82=0,019 мм/зуб (А1, 81, Т1, К) у=80 м/мин; 82=0,019 мм/зуб

20

30

40

50

60

--1- —1 ш

Ста шь 5ХНМ VI

-Без у=80 м/мин; 82=0,038 мм/зуб --(А1, 81, Т1, К) у=80 м/мин; 82=0,038 мм/зуб 1111

20

30

40

50

60

--

таль 5ХН ■ ■ \ ■

/ С ИМ

•Без у=130 м/мин; 82=0,012 мм/зуб (А1, 81, Т1, К) у=130 м/мин; 82=0,012 мм/зуб

20

30

40

50

60

0

-100 ^ -200 § -300 Н -400 О8 -500 -600 -700 -800

/ —1 — — !

/ X //

//

// // Сталь 5ХНМ -1-1-

■Без у=130 м/мин; 82=0,024 мм/зуб (А1, 81, Т1, К) у=130 м/мин; 82=0,024 мм/зуб

Рисунок 111 - Экспериментальные эпюры остаточных напряжений при встречном

фрезеровании стали 5ХНМ

35 30 25 20 15 10 5

ОТ4, у=65 м/мин

0,02

•Без покрытия)

0,04

А1, И, Сг, N

&, мм/зуб 0,06 (А1, И, N)--А1, Б1, И, N

35 30

Я 25 ^ 20 15 10 5

3,5 3,0

ОТ4, 5г=0,03 мм/зуб

1 --II

II______ 1

33

Без покрытия

52

(А1, И, Сг, N)

V, м/мин 85

(А1, И, N--(А1, Б1, И, N)

и

2,5

^ 2,0

1,5 1,0

ОТ4, у=65 м/мин . • • •

................... \ ................ ^А

................. .________

........... ....... _ ...... ——«ж»» ^—^ ^^ »

~ —-_ , и 1 I* — "

0,02

Без покрытия

0,04

А1, И, Сг, N

&, мм/зуб 0 06 (А1, И, К)--А1, Б1, И, N

3,5 3,0

а 2,5

ОТ4, 57=0,03 мм/зуб

33 52 V, м/мин 85 -Без покрытия ......(А1, И, Сг, N--(А1, И, N)--(А1, Б1, И, N

Рисунок 112 - Экспериментальные значения силы резания и шероховатости Ка

для сплава ОТ4

ОТ4, у=65 м/мин

0,02

■Без покрытия

0,04

Л!, Ti, Сг, N

&, мм/зуб 0 06

(Л1, Ti, К)--Л1, Si, Ti, N

33

Без покрытия

52

(Л1, Ti, Сг, К)

V, м/мин 85 (Л1, Ti, К)--(Л1, Si, Ti, К)

1,1

0,9

м

к

м 0,7

й

0,5

0,3

ОТ4, у=65 м/мин ........... ............ ..\

........ ...................

...............

1 - | "" ~~ ......

0,02

Без покрытия

0,04

Л1, Ti, Сг, N

&, мм/зуб 0 06

(Л1, Ti, К)--Л1, Si, и N

1,1

м 0,9

и

51 0,7

й

0,5

ОТ4, £г=0,03 мм/зуб

0,3

33