Повышение стойкости и производительности протяжек из порошковой быстрорежущей стали при обработке жаропрочных материалов за счет применения комплексного ионно-плазменного упрочнения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Филатов, Павел Николаевич

• Филатов, Павел Николаевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Филатов, Павел Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ УПРОЧНЕНИЯ ПРОТЯЖНОГО ИНСТРУМЕНТА. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Конструктивные особенности протяжек.

1.2. Свойства жаропрочных и жаростойких материалов и основные трудности, возникающие при их обработке

1.3. Материалы, используемые при изготовлении протяжного инструмента.

1.4. Методы повышения режущей способности инструмента.

1.5. Постановка цели и задач исследований.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Методика определения режущих свойств инструмента.

2.1.1. Физико-механические свойства обрабатываемых материалов.

2.1.2. Станки и приспособления, используемые при проведении испытаний протяжек.

2.1.3. Протяжной инструмент, схемы и режимы резания, используемые при проведении экспериментальных и производственных испытаний.

2.1.4. Методика вакуумно-плазменной поверхностной обработки опытных образцов и протяжного инструмента.

2.1.5. Методика металлографических и металлофпзических исследований.

2.1.6. Методика экспериментальных испытаний.

2.1.7. Методика испытаний в производственных условиях.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ИЗНОСОСТОЙКОГО КОМПЛЕКСА, ФОРМИРУЕМОГО ПРИ ОБРАБОТКЕ ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ В ПЛАЗМЕ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА.

3.1. Выбор упрочняющей обработки протяжного инструмента из быстрорежущей стали при обработке труднообрабатываемых материалов.

3.2. Физические принципы и особенности двухступенчатого вакуумно-дугового разряда.

3.3. Влияние параметров процесса ДВДР на величину ионного тока.

3.4. Азотирование инструмента из быстрорежущей стали в плазме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда и последующее осаждение композиционных покрытий.

3.4.1. Оптимизация процесса азотирования при комплексной ионно-плазменной обработке инструмента из порошковой быстрорежущей стали.

3.4.2. Металловедческие исследования свойств наносимых сложнолегированных покрытий.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ИЗНАШИВАНИЯ

ИНСТРУМЕНТА ИЗ ПОРОШКОВОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ С ПОВЕРХНОСТНОЙ В АКУУМНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ.

4.1. Износ протяжного инструмента.

4.2. Исследование кинетики изнашивания протяжного инструмента

4.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение стойкости и производительности протяжек из порошковой быстрорежущей стали при обработке жаропрочных материалов за счет применения комплексного ионно-плазменного упрочнения»

Качество и стойкость инструмента во многом определяют производительность и эффективность процесса обработки, а в некоторых случаях и вообще возможность получения деталей требуемых формы, качества и точности. Поэтому повышение качества и надежности режущего инструмента является важнейшей задачей, которая стала особенно актуальна в последнее время, когда все большее распространение получают станки с числовым программным управление (ЧПУ), являющиеся весьма дорогостоящим оборудованием. В условиях такого производства точность изготовления изделия в большей степени определяется качеством инструмента, так как нет возможности частого контроля его состояния.

Представленная диссертационная работа связана с повышением стойкости протяжного инструмента, используемого при протягивании "ёлочных" пазов в гранулированных дисках повышенной твердости с содержанием никеля порядка 80%, применяемых при изготовлении деталей газотурбинных авиационных двигателей. Протягивание на сегодняшний день является наиболее перспективным и рациональным методом получения пазов такого типа, поэтому актуальность проведения данной работы как для предприятия, так и для отрасли двигателестроения в целом более чем очевидна. Наряду с этим, необходимо отметить, что протяжной инструмент является наиболее сложным в изготовлении и, как следствие, дорогостоящим инструментом, что, несомненно, сказывается на окончательной стоимости изделия (двигателя) в целом и тем самым ставит задачи по снижению трудоемкости при изготовлении самого инструмента, повышению его качества, стойкости и прочности режущего лезвия. Результаты выполненной работы дают возможность с большей эффективностью использовать то дорогостоящее оборудование, которое уже существует на предприятии, что не только позволит удовлетворить спрос производства на качественный инструмент, но и приведет к возможности размещать дополнительные заказы на предприятии.

Заключительным этапом работы стала разработка рекомендаций как нормативной базы, направленных на обеспечение заданных параметров качества поверхности режущего инструмента и его эксплуатации в условиях производства.

Работа выполнена в течение 2006-2007 годов на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» Московского государственного технологического университета "Станкин", в цехах и лабораториях Московского машиностроительного производственного предприятия «Салют» в связи с необходимостью создания технологии комплексной упрочняющей обработки протяжного инструмента. Данный вид инструмента используется при протягивании пазов елочного типа в дисках турбин, применяемых при изготовлении газотурбинных двигателей. Работа направлена на повышение качества обработанной поверхности диска, стойкости протяжек сложно-фасонного профиля за счет применения износостойких покрытий, создаваемых на оборудовании "Станкин-АПП-2, которое является разработкой МГТУ "Станкин".

Результаты работ прошли апробацию и реализованы на указанном предприятии.

1. Анализ состояния проблемы и практическая реализация процессов упрочнения протяжного инструмента. Постановка цели и задач исследования.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Филатов, Павел Николаевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В диссертационной работе решена научно-техническая задача, имеющая важное значение для машиностроения и состоящая в повышении производительности сложнопрофильного протяжного инструмента при обработке деталей из жаропрочных материалов за счет применения комплексного упрочнения, включающего ионное азотирование и нанесение сложнолегированного износостойкого покрытия (М^Т^А^Ы на инструмент из порошковой высоколегированной стали Р12МЗК5Ф2-МП.

2. На основе экспоненциально-степенной математической модели и экспериментальных исследований установлено, что наибольшее влияние на интенсивность и характер изнашивания протяжек с покрытием, шероховатость обработанной поверхности оказывает структура и глубина азотированного слоя, зависящая от давления азота и его концентрации в газовой смеси Аг/Ы2 при азотировании, продолжительности процесса упрочнения инструмента и времени нанесения покрытия, температуры ионно-плазменной обработки. Минимальная интенсивность изнашивания протяжного инструмента из стали Р12МЗК5Ф2-МП при обработке сплава ЭП741НП достигается при следующих режимах: азотирование в газовой среде Аг/Н2 в соотношении 70/30% соответственно в течение 30 минут с последующим осаждением сложнолегированного покрытия (М)Т1А1^ в течение 75 минут.

3. Экспериментальные исследования влияния условий ионно-плазменного упрочнения на структуру формируемого слоя показали, что, регулируя состав газовой атмосферы путем разбавления азота инертным газом (аргоном), можно подавить образование на поверхности инструмента хрупкой нитридной зоны. В зависимости от параметров процесса ионного азотирования микротвердость поверхностного слоя порошковой стали типа Р12МЗК5Ф2МП может быть увеличена до 1160-1490 кгс/мм .

4. Экспериментальные исследования влияния ионно-плазменных покрытий на изменение исходной шероховатости (Ыа 0,61-0,66 мкм) инструментальной основы из порошковой быстрорежущей стали показали,

132 , что нанесение покрытий; может несколько снижать чистоту обрабатываемой поверхности, что необходимо учитывать при изготовлении и эксплуатации инструмента с покрытием - шероховатость, инструмента с покрытием (Т1Сг)М составляет Ка=0,76-0,83 мкм, а с покрытием (МУПА1)Т<[-Ка=0,68-0,75 мкм.

5. Проведенные стойкостные испытания показали, что выбор1 варианта ионно-плазменной обработки протяжного инструмента из порошковой быстрорежущей; стали существенно зависит от обрабатываемого материала: при протягивании: жаропрочных сталей типа ЭП609Ш наиболее эффективным является.; нанесение однослойного слож11 о легированного покрытия (ЫЬТ1А1)>Т; при протягивании жаропрочных никелевых сплавов типа ЭП741НП эффективным является, комплексное упрочнение, включающее - ионное азотирование и последующее нанесение сложнолегированного покрытия (>ЛэТ1А1)М.

6. Результаты сравнительных лабораторных и производственных испытаний протяжного инструмента показали, что влияние; , варианта ионно-плазменной обработки на интенсивность изнашивания инструмента не наблюдается на этапе приработки, а проявляется на этапе стабилизации и, в большей степени, на этапе установившегося режима работы протяжки: Также было установлено, что при обработке жаропрочного. никелевого сплава ЭП741НП зубья с чистовой подачей (82=0,02 мм/зуб) и калибрующие зубья, имеют повышенный износ, что связано с высокой степенью упругого восстановления и склонностью жаропрочных сплавов к наклепу и, как следствие, с их повышенной твердостью.

7. На основе обработки результатов сравнительных испытаний было установлено, что инструмент из стали Р12МЗК5Ф2-МП с ионно-плазменным упрочнением позволяет использовать режимы скоростного протягивания. при обработке жаропрочных сталей типа ЭП609Ш. При протягивании жаропрочных сталей на скорости У=17,5 м/мин повышается износостойкость упрочненного инструмента в сравнении с исходным неупрочненным) более чем в 1,5 раза. При скорости протягивания 25 м/мин при обработке жаропрочных сталей применение инструмента с ионно-плазменным упрочнением позволяет снизить величину износа по задней поверхности до 5 раз по сравнению с неупрочненным инструментом.

8. На основе обработки результатов сравнительных испытаний по протягиванию жаропрочных никелевых сплавов типа ЭП741НП на скорости Упрот=1,5 м/мин установлено, что комплексная ионно-плазменная обработка инструмента из быстрорежущей стали позволяет повысить стойкость в сравнении с неупрочненным инструментом в 2 раза.

9. Результаты, полученные в ходе выполнения работы, внедрены в производство на ФГУП ММПП "Салют". Предложенные в работе варианты ионно-плазменной обработки позволили:

- при обработке пазов в дисках турбины из материала ЭП517, ЭП609Ш изделий СТ-20, МЭС-60 установить скорость протягивания для прорезных протяжек — 10 м/мин (ранее обработку вели на скорости 3 м/мин); протягивание пазов в 2-ух дисках турбины высокого давления (ТВД) из материала ЭП741НП серийного изделия "99" производить без переточки окончательных протяжек (ранее исходный инструмент без переточки позволял протягивать пазы не более чем в одном диске турбины).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Филатов, Павел Николаевич, 2009 год

1. Балюра П. Г. "Протягивание пазов", Изд-во Машиностроение, Москва, 1964.

2. Боровский Г.В., Григорьев С.Н., Маслов А.Р. Справочник инструментальщика / под общей редакцией Маслова. М.: Машиностроение, 2005. 464 е.: ил.

3. Щеголев A.B., Конструирование протяжек, Машгиз, 1960

4. Справочник фирмы ФОРСТ (указания по технологии протягивания), издание 1970г.

5. Палей М.М. Технология производства металлорежущего инструмента.

6. Hombeck F., Rembges W. Moderne Plasma-Technologien und Anlagen fur die Warmebehalung von Bauteilen: TPT Symposium, 11-12 Okt. 1985. Moskau, 1985. Report 23. 14s

7. Арзамасов Б.Н., Братухин А.Г., Елисеев Ю.С., Панайоти Г.А. Ионная химико-термическая обработка сплавов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1999, 400 с.

8. Plasma Nitriding in Comparison with Gas Nitriding. Nitrition Gmbh Berlin. 2001. pp. 1-33

9. Саблев Л.П., Андреев A.A., Кунченко B.B. Плазменное азотирование режущего инструмента из быстрорежущей стали. // Труды симп. ОТТОМ, г. Харьков, 2000, с. 133 137.

10. Аксенов И.И., Коновалов И.И., Падалка В.Г. и др. Исследование эрозии катода стационарной вакуумной дуги. — М.:ЦНИИатоминформ, 1984. 21 с.

11. Механическая обработка деталей специального производства. Под редакцией канд. техн. наук Б.Н.Сурнина, д-ра техн. наук В.Н. Подураева, 1977.

12. Авиационные материалы и их обработка: Учебное пособие для авиационных техникумов/ B.C. Раковский, JI.X. Райтбарг, Н.Д. Роттенберг, М.Я. Теллис. — М.: Машиностроение, 1979. 311 е., ил.

13. Электронный проспект фирмы "Platit" 2004г. Вопросы инструментообеспечения материалы и покрытия.

14. Макаров В.А. Интенсификация процесса протягивания труднообрабатываемых материалов- Автореф. дисс. докт. техн. наук: 05.03.01 -Москва, 1998.-41 с.

15. Кириллов А.К. Повышение работоспособности протяжного инструмента из быстрорежущей стали путем комплексной поверхностной обработки: Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.03.01 Москва, 1989. - 23 с.

16. Верещака A.C. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. - 336 с.

17. Металлорежущие инструменты. Г.И. Сахаров, О.Б. Арбузов, Ю.А. Боровой, В.А. Гречишников. -М.: Машиностроение. 1989. 328 с.

18. Поляк М.С. Технологические методы упрочнения. Справочник в 2-х томах. M.: "JI В. М.- СКРИПТ, Машиностроение, 1995, 832 с

19. Справочник инструментальщика // И.А. Ординарцев, Г.В. Филиппов, А.Н. Шевченко и др.; Под общ. ред. И.А. Ординарцева. JL: Машиностроение. Ленингр. отделение. 1987. - 846 с.

20. Теория и технология азотирования / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган, Г.И. Шпис, 3. Бемер. М., Металлургия, 1991. 320с.

21. Григорьев С.Н. Повышение надежности режущего инструмента путем комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки. Дисс. кан. техн. наук. М. 1988, 189 с.

22. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент. Под ред. Внукова Ю.Н. Киев: "Техника". 1992. с.144.

23. Верещака А. С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение. 1986, 190 с.

24. Синопальников В.А. Повышение эффективности быстрорежущего инструмента. Сб.: Перспективы развития режущего инструмента и повышения эффективности его применения в машиностроении. Тез. докл. М. 1978. С. 257-260.

25. Григорьев С.Н., Федоров C.B., Волосова М.А. Технология и оборудование для комплексной ионно-плазменной обработки режущего инструмента // Качество машин: Сб. тр. IV международной научно-технич. конф. Т.2. Брянск: БГТУ, 2001. С. 126-127.

26. Волосова М.А. Повышение стойкости быстрорежущего инструмента за счет вакуумно-плазменной обработки. Диссертация на соискание степени к.т.н. Москва 2003. 250 с.

27. Кабалдин Ю.Г., Кожевников Н.Е. Исследование изнашивания режущей части инструмента из быстрорежущей стали // Трение и износ.1990, т. 11, №1, с.130-135.

28. Лоладзе Т.Н., Износ режущего инструмента. Машгиз, 1958.

29. Пронкин Н.Ф. Протягивание жаропрочных и титановых материалов. Оборонгиз, 1958

30. Щеголев А.В., Конструирование протяжек. Машгиз, 1960г.

31. Балюра П.Г. Протягивание пазов в жаропрочных материалах. «Станки и инструмент», 1961, № 7.

32. Балюра П.Г. Протяжка для обработки елочных профилей. «Станки и инструмент», 1959, № 2.

33. Machining Blades for Gas Turbine Units. «Machinery» (L), № 2405, 1958.

34. Streets G.A., Machining nimonic. «Machinery» (L), № 2446, 1959.

35. Еремин Б.Ф., Протягивание, Машгиз, 1950

36. Broaching Jet-Engine Blades of 120 Feet per Minute, «Machinery», vol. 61, 1954, №4, p. 182-184

37. Дмитриев В.Л., Силовые зависимости при протягивании, Машгиз, 1940

38. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник / Я. Л. Гуревич, М.В. Горохов, В.И. Захаров и др. 2-е изд., перераб. И доп. — М.: Машиностроение, 1986, 240 е., ил.

39. ГОСТ 28393-89. Прутки и полосы из быстрорежущей стали, полученной методом порошковой металлургии.