Повышение стойкости сверл малого диаметра из быстрорежущей стали за счет выбора рациональных режимов вакуумно-плазменной обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Черкасов, Павел Михайлович

• Черкасов, Павел Михайлович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Черкасов, Павел Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ.

ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Условия работы и особенности геометрии спиральных сверл малого диаметра.

1.2. Материалы, применяемые для изготовления сверл малого диаметра.

1.3. Повышение работоспособности сверл малого диаметра за счет химико-термической обработки.

1.4. Ионное азотирование инструмента из быстрорежущей стали.

1.5. Методы повышения надежности инструмента из быстрорежущей стали путем нанесения износостойких покрытий и комбинированной ионно-плазменной поверхностной обработки.

1.6. Анализ данных литературного обзора. Постановка цели и задач исследований.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Методика определения режущих свойств инструмента.>.

2.1.1. Обрабатываемые материалы.

2.1.2. Станки и приспособления.

2.1.3. Режущий инструмент.

2.1.4. Методика стойкостных испытании.

2.2. Методика вакуумно-плазменной поверхностной обработки инструмента.

2.3. Методика металлографических и металлофизических исследовании.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРО-ВАНИЯ И СВОЙСТВ ИЗНОСОСТОЙКОГО СЛОЯ ПРИ ОБРА-БОТКЕ ИНСТРУМЕНТА В ПЛАЗМЕ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА.

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

3.2. Формирование азотированного слоя при обработке инструмента в плазме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда.

3.2.1. Исследование влияния состава азотосодержащей атмосферы на структуру азотированного слоя быстрорежущей стали.

3.2.2. Исследование влияния технологических режимов на микротвердость и глубину азотированного слоя быстрорежущей стали.

3.3. Оптимизация процесса комбинированной вакуумно-плазменной обработки быстрорежущего инструмента.

4 . ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ИЗНАШИВАНИЯ СВЕРЛ МАЛОГО ДИАМЕТРА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ

С ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ.

4.1 Износ сверла и критерий его затупления.

4.2 Назначение режимов резания для сверл малого диаметра из быстрорежущей стали.

4.3. Исследования кинетики изнашивания сверл малого диаметра. ^

5. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ БЫСТРОРЕЖУЩИМ ИНСТРУМЕНТОМ С ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКОЙ И ОЦЕНКА ЕГО

ЭФФЕКТИВНОСТИ.

5.1. Критерии эффективности процесса резания инструментом с вакуумно-плазменной обработкой.

5.2. Выбор вида математической модели для описания процесса резания.

5.3 Построение математической модели процесса сверления отверстий малого диаметра.

5.4. Определение оптимального режима эксплуатации инструмента с вакуумно-плазменной обработкой.

5.5. Эффективность, достигаемая в результате применения инструмента с вакуумно-плазменной поверхностной обработкой.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение стойкости сверл малого диаметра из быстрорежущей стали за счет выбора рациональных режимов вакуумно-плазменной обработки»

Диссертационная работа выполнялась в рамках приоритетного направления развития науки и техники Федерального уровня «Лазерные и электронно-ионно-плазменные технологии».

Высокие темпы развития машиностроения, широкое внедрение автоматических линий, станков с числовым программным управлением и гибких производственных систем выдвигают задачу наиболее полного обеспечения современного оборудования надежным и высокопроизводительным инструментом. Особое внимание следует уделять операциям обработки, которые требуют больших затрат времени, режущего инструмента, специальных приспособлений. В машиностроении одной из таких операций является операция сверления отверстий малого диаметра (менее 3 мм).

Несмотря на возрастающее с каждым годом потребление инструмента из твердых сплавов, режущей керамики и сверхтвердых материалов, объем быстрорежущих сталей, использующихся при изготовлении сверл малого диаметра, уменьшается несущественно. Это связано с тем, что такие сверла изготавливаются путем вышлифовывания из прутка, а наиболее подходящим материалом для этого является быстрорежущая сталь, обладающая повышенной прочностью, вязкостью и технологической пластичностью.

Однако, при изготовлении сверл малого диаметра из широко применяемой стали Р6М5 их твердость и теплостойкость оказываются пониженными по сравнению со сверлами диаметром более 3 мм. Это связано с многократными операциями холодной пластической деформации и промежуточными отжигами, которым подвергается инструмент в процессе изготовления. Именно поэтому сверла малого диаметра зачастую показывают пониженную стойкость. Наиболее перспективным и современным способом повышения стойкости инструмента такого типа является ионно-плазменная обработка, включающая азотирование и нанесение покрытий, которая с успехом уже применяется для инструмента большего размера.

Применение такой обработки для сверл малого диаметра до настоящего времени не практиковалось. Для этого требуется выполнение комплекса исследований по изучению влияния технологических факторов вакуумно-плазменной обработки на структуру поверхностного слоя, характер изнашивания и стойкость инструмента.

В связи с этим работа, посвященная проблеме повышения стойкости сверл малого диаметра из быстрорежущей стали за счет вакуумно-плазменной обработки, является весьма актуальной.

Основная данной цель работы заключается в повышении стойкости сверл малого диаметра из быстрорежущей стали за счет выбора рациональных режимов вакуумно-плазменной поверхностной обработки, включающей процессы ионного азотирования и нанесения износостойкого покрытия.

Научная новизна работы заключается:

- в математических зависимостях, учитывающих влияние факторов времени, температуры, состава газовой среды при азотировании, времени последующего процесса осаждения покрытия на износ сверл малого диаметра из быстрорежущей стали.

Практическая ценность работы состоит:

- в рекомендациях по выбору режимов вакуумно-плазменной обработки инструмента, обеспечивающих минимальную интенсивность изнашивания сверл малого диаметра из быстрорежущей стали;

- в рекомендациях по назначению режимов эксплуатации сверл малого диаметра из быстрорежущей стали с вакуумно-плазменной обработкой, обеспечивающих максимальную производительность инструмента.

Апробация работы

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки ГОУ МГТУ «СТАНКИН» и 3 научно-технических конференциях.

Производственное внедрение результатов работы осуществлено в рамках контрактов на поставку технологии и оборудования для комбинированной ионно-плазменной обработки, заключенных МГТУ «СТАНКИН» с инструментальным производством ОАО «АВТОВАЗ» (2003г.), а также в ряде совместных исследований с Технологическим университетом г. Гуанчжоу, (Китай) и фирмой Strong Metal Technology (Китай).

Результаты работы были представлены на четвертом Московском Международном салоне инноваций и инвестиций (2004 г.) и были удостоены золотой медали.

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы зав. кафедрой «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н. С.Н. Григорьеву, а также коллективу ЦФТИ, преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» за помощь, оказанную при выполнении работы.

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

Общие выводы по работе

1. В результате стойкостных испытаний было установлено, что комбинированная вакуумно-плазменная обработка, включающая ионное азотирование в плазме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда в среде с газом-разбавителем гелием и последующее нанесение износостойкого покрытия ZrN позволяет повысить стойкость спиральных сверл малого диаметра из быстрорежущей стали Р6М5 при сверлении стали марки 40ХН до 3 раз.

2. Экспериментально установлено, что азотирование и прогрев инструмента малого диаметра в плазме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда в среде, содержащей гелий, является наиболее эффективным по сравнению с использованием других газовых сред.

3. Проведенными исследованиями показано, что при азотировании в среде, содержащей гелий, не происходит сильного искажения поверхности обрабатываемого инструмента и изменения геометрии его режущей части. Это объясняется менее интенсивной ионной бомбардировкой и наряду с другими факторами приводит к увеличению стойкости мелкоразмерных сверл после комбинированной вакуумно-плазменной обработки до 3 раз.

4. Экспериментально установлено, что содержание гелия в составе газовой среды при азотировании равное 97 % ат. ед. обеспечивает минимальный износ сверл малого диаметра из стали Р6М5 с комбинированной обработкой.

5. На основе обработки результатов стойкостных и металлографических исследований установлено, что износостойкий слой, обеспечивающий минимальную интенсивность изнашивания мелкоразмерных сверл из стали Р6М5 обработке стали 40ХН, соответствует следующим характеристикам: эффективная толщина азотированного слоя hA ~ 10 мкм с микротвердостью Нп30 ~ 1140 - 1160

-у кгс/мм при толщине нитридоциркониевого покрытия hn = 2 мкм

6. На основе проведенных экспериментов определены режимы эксплуатации сверл малого диаметра из быстрорежущей стали с вакуумно-плазменной обработкой, включающей ионное азотирование и нанесение покрытия ZrN, обеспечивающие максимальную производительность инструмента при сверлении стали 40ХН. Установлено повышение производительности сверл малого диаметра с вакуумно-плазменной обработкой до 1,7 раз по сравнению с инструментом с покрытием.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Черкасов, Павел Михайлович, 2004 год

1. Беляев Н.М. Сопротивление материалов, М., 1956,383 с.

2. Гарина Т.И. Исследование эксплуатационных свойств мелкоразмерных сверл при обработке конструкционной стали. Диссертация на соискание степени кандидат технических наук. М. Станкин, 1972, 136 с.

3. Казойкатис В.Ф. Анализ некоторых параметров мелкоразмерных цельнотвердосплавных спиральных сверл. Сб. «Прогрессивные конструкции сверл и их рациональная эксплуатация», Вильнюс, 1987, 352 с.

4. Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Бромстрем, Н.А. Буше и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. М.; Машиностроение, 1990. 688с.

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

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. И. Верещака А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойким покрытием. М.: Машиностроение. 1993, с.ЗЗО.

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

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

14. Брень В.Г. Исследование процесса синтеза нитридов при конденсации потоков плазмы вакуумной дуги в атмосфере реактивного газа. Дис.канд. физ-мат наук, Харьков, 1982, 239 с.

15. Барвинок В.А., Богданович В.И., Митин Б.С. Закономерности формирования покрытий в вакууме. Физика и химия обработки материалов. 1986.- №5, 92-97 с.

16. Нанесение покрытий в вакууме/ под ред. Л. Яковлева. Рига: «Зинатне», 1986,245 с.

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

18. Андреев В.Н. Совершенствование режущего инструмента. М.: Машиностроение. 1993, 240 с.

19. Верещака А.С. Повышение работоспособности режущих инструментов нанесением износостойких покрытий. Дис. докт. техн. наук. М. 1986, 601 с.

20. Касьянов С.В. Исследование режущих свойств и разработка путей дальнейшего развития инструментов с износостойкими покрытиями. М. Машиностроение. 1984, 257 с.

21. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М. Машиностроение. 1981, 279 с.

22. Марков А.А. Повышение стойкости быстрорежущего инструмента с износостойкими покрытиями путем совершенствования вакуумно-плазменной технологии и определения условий его эффективной эксплуатации. Дис.канд. техн. наук. Запорожье. 1986, 260 с.

23. Karapentev P. Investigation on the Cutting Forces in Machining with CVD Coated indoxalle Carbide inserts. "Annals CIRP", 1980, 29, №l,p. 89-96

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

25. Геллер Ю.А. Инструментальные стали М: Металлургия, 1975.583с.

26. Кремнев JI.C., Синопальников В.А. Изменение структуры и свойств в режущей части инструментов из быстрорежущей стали в процессе непрерывного точения. Вестник машиностроения. М. — 1974, №5, с. 63-67.

27. Жогин А.С. Исследование фрикционного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов и методы его регулирования. Дис.канд. техн. наук. — М. 1976, 237 с.

28. Табаков В.П. Исследование влияния твердого покрытия на качественные характеристики инструментального материала. Дис.канд. . техн. наук. — М. 1975, 239 с.

29. Григорьев С.Н. Повышение надежности режущего инструмента путем комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки. Диссертация на соискание ученой степени докт. техн. наук::. 05.03.01. М. 1995 г. 476 с.

30. Ксензов А.С. , Внуков Ю.Н., Верещака А.С. Определение теплового сопротивления покрытия TiN, нанесенного методом КИБ. // Сб. Состояние и перспективы развития инструментального производства. — М.: НДНПТП. 1981. С. 43-48.

31. Ekemar S., Beschichtete Harmatalle in der Zerspanungs-technik Techn. Mitteilungen, 1977, 70, №10-11, p. 621-626.

32. Исследование и внедрение технологического процесса ионного азотирования деталей и инструмента.// Отчет по теме № гос. per. 78076329, п инв. 4028505.-М. 1981.

33. Чекалова Е.А. Повышение надежности инструмента из быстрорежущей стали путем комбинированной обработки с оптимальными параметрами ионно-плазменной среды: Диссертация на соискание ученой степени докт. техн. наук:: 05.03.01. М. 1997 г. 217 с.

34. Сейткулов А.Р. Повышение эффективности зубофрезерования применением червячных фрез из быстрорежущей стали с комплексной поверхностной обработкой: Диссертация на соискание ученой степени докт. техн. наук:: 05.03.01. М. 1993 г. 280 с.

35. А. с. № 109544. Кл.С23С 14/56.//Бюл. изобр.-№12. 1981

36. Патент США №44566206, В23В 15/04.

37. Чаплыгин Ф.Н., Лебединский Ю.Н., Меркулов В.Н. Киев: УкрНИИНТИ, сер 13.1. Инструментальное производство. - 1987. с.22.

38. Положительное решение по заявке №38350/21 от 15.08.85. Способ обработки инструмента.

39. Григорьев С.Н., Федоров С.В., 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.

40. Башков В.М., Кацев П.Г. Испытания режущего инструмента на стойкость. М.: Машиностроение, 1985, 136 с.

41. Григорьев С.Н., Горовой А.П., Федоров С.В., Волосова М.А. Разработка и создание установки для нанесения ионно-плазменных покрытий. Научно-исследовательский отчет по Гос. контракту (регистрационный № ВНТИЦ 01.2.00100986), 2001 г. 32 с.

42. Приборы и методы физического металловедения / Под. ред. Ф. Вейнберга. Пер. с англ. М.: Изд-во «Мир», 1973. 427 с.

43. Андреев А.А., Кунченко В.В., Саблев Л.П., Шулаев В.М. Дуплексная обработка инструментальных сталей в вакууме. // Сб. докл. 2-го Междунар. симп. ОТТОМ^2, ч. 2, г. Харьков, 2001, с. 48 56.

44. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Структура и прочность азотированных сплавов. М.: Металлургия, 1982 . - 174 с.

45. F. Sanchette, Е. Damond. Single cycle plasma nitriding and hard coating deposition in a cathodic arc evaporation device. Surface & Coating Technology. 1997, p. 261 -267.

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

47. Некрасов В.И. Многофакторный эксперимент. Планирование и обработка результатов: Учеб. пособие. -Курган, 1998. -145 с.

48. Мухаметзянов И.З. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий: Конспект лекций. -Уфа, 1996. -75 с.

49. Общемашиностроительные нормативы режимов резания, норм износа и расхода сверл из быстрорежущей стали диаметром до 3 мм. Временные М. 1984.

50. Математическое моделирование самоорганизующихся процессов в технологических системах обработки резанием / Кабалдин Ю.Г., Олейников А.И., Шпилев A.M., Бурков А.А. -Владивосток: Дальнаука, 2000.-195 е.:

51. Пестунов В.М. Условия эксплуатации инструмента и эффективность процесса обработки. Техника машиностроения, 2000, №6. -С. 31-39.

52. Абденов А.Ж, Денисов В.И., Чубин В.М. Введение в оценивание и планирование экспериментов для стохастических динамических систем: Учеб. пособие по специальности "Прикладная математика". -Новосибирск, 1993.-43 с.

53. Гаврилов Ю.В. Математическое моделирование процессов резания и режущего инструмента: Конспект лекций. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998.-78 с.

54. Власов В.И. Стохастическая динамическая модель резания / Сборник докладов научно-методической конференции «Проблемы интеграции и науки». — М.: СТАНКИН, 1990 г., 37 с.