Технологическое обеспечение качества деталей в процессах разделительной штамповки путем нанесения на инструмент вакуумно-плазменных покрытий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Шеин, Александр Анатольевич

• Шеин, Александр Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шеин, Александр Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ШТАМПОВ И КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ.

1.1. Основные сведения о процессах разделительной штамповки.

1.2. Анализ характера нагрузок, воспринимаемых рабочими поверхностями инструмента в процессах разделительной штамповки.

1.3. Исследование основных механизмов изнашивания разделительных штампов в процессе эксплуатации.

1.4. Влияние механизмов изнашивания инструмента на показатели качества штампуемых деталей.

1.5. Анализ методов повышения износостойкости разделительных штампов.

1.5.1. Методы повышения износостойкости разделительных штампов за счет совершенствования конструкторскогеометрических параметров инструмента.

1.5.2. Применение износостойких инструментальных сталей и твердых сплавов.29

1.5.3. Методы поверхностной модификации рабочих поверхностей.

1.6. Постановка цели и задач исследований.

2. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ПРИЧИН ОТКАЗА И ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ШТАМПОВ.

2.1. Основные группы факторов, влияющих на работоспособность разделительных штампов.

2.2. Причины потери работоспособности разделительных штампов и снижения показателей качества деталей при обработке различных материалов.

2.3. Повышение работоспособности разделительных штампов за счет выбора рациональных параметров поверхностного слоя.

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО НАНЕСЕНИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЯ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЯХ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ШТАМПОВ.

3.1. Особенности промышленных методов нанесения износостойких покрытий на инструментальные материалы.

3.2. Разработка технологии и оборудования для нанесения вакуумно-плазменных покрытий на рабочие поверхности ф инструмента из не теплостойких и иолутеплостойких штамповых ^q сталей.

3.3. Анализ свойств перспективных вакуумно-плазменных покрытий и механизма их разрушения. Ю

3.3.1. Систематизация требований, предъявляемых к вакуумно-плазменным покрытиям для штампового инструмента.

3.3.2. Определение микротвердости покрытий.

3.3.3. Определение прочности адгезионной связи покрытий с инструментальной матрицей.

3.3.4. Определение интенсивности изнашивания покрытий. 1 ю щ 3.3.5. Определение коэффициента трения покрытий с обрабатываемым материалом.

3.4. Разработка составов вакуумно-плазменных покрытий для повышения работоспособности разделительных штампов в условиях действия различных нагрузок и механизмов изнашивания.

4. ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ НАНЕСЕНИЯ НА РАБОЧИЕ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ШТАМПОВ РАЗЛИЧНЫХ ПО СОСТАВУ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ.

4.1. Методика проведения оптимизации.

4.2. Оценки износа рабочих поверхностей разделительных штаммпов после нанесения вакуумно-плазменных покрытий.

4.3. Построение функциональных зависимостей между условиями нанесения вакуумно-плазменных покрытий и интенсивностью изнашивания разделительных штампов при обработке различных материалов.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЛУТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ШТАМПОВ С ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ.

5.1. Влияние вакуумно-плазменных покрытий на интенсивность изнашивания разделительных штампов.

5.2. Влияние вакуумно-плазменных покрытий на показатели качества штампуемых деталей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологическое обеспечение качества деталей в процессах разделительной штамповки путем нанесения на инструмент вакуумно-плазменных покрытий»

В настоящее время важнейшей областью машиностроения, обеспечивающей высокую производительность при сравнительно низкой себестоимости обработки, является листоштамповочпое производство, в котором от 70 до 90% деталей изготавливается с применением разделительных операций - вырубки, пробивки и отрезки. Ключевую роль в эффективности процессов разделительной штамповки играют вопросы, касающиеся износостойкости инструмента и, в первую очередь, его поверхностного слоя. В процессе эксплуатации рабочие поверхности разделительных штампов подвергаются ударному нагружению и действию высоких контактных давлений. Это вызывает разнообразные причины их отказов - адгезионное и абразивное изнашивание, выкрашивание рабочих поверхностей и даже отпуск поверхностного слоя инструмента, что резко сокращает период нормальной эксплуатации разделительных штампов.

Производственный опыт показывает, что интенсивный износ рабочих поверхностей разделительных штампов существенно снижает показатели качества штампуемых деталей, увеличивает сопротивление разделению до 20%, а общую работу разделения до 40 % по сравнению с эксплуатацией инструмента с острозаточенными режущими кромками.

Поэтому в настоящее время поиск и исследование новых технологических решений, направленных на повышение работоспособности разделительных штампов при различном характере их нагружения и улучшение качества штампуемых деталей, является чрезвычайно актуальным.

Одним из наиболее распространенных промышленных способов снижения интенсивности изнашивания металлообрабатывающих инструментов является нанесение на их рабочие поверхности твердых износостойких покрытий. Применение покрытий дает возможность объединять свойства двух и более материалов и получать композиты, обладающие характеристиками, которые не могут быть получены при использовании только одного инструментального материала. К сожалению, на данный момент времени в листоштамповочном производстве различные технологии нанесения покрытий нашли достаточно ограниченное применение. В первую очередь это связано со сложными динамическими нагрузками, которым подвергаются рабочие поверхности инструментов в процессе штамповки, что делает неэффективным применение традиционных для других областей металлообработки покрытий типа TiN, TiCN и других. Поэтому получение достоверных и научно обоснованных данных о новых конструкциях и составах покрытий, обеспечивающих повышенную износостойкость разделительных штампов при различном характере эксплуатационных нагрузок, является сегодня чрезвычайно актуальным.

В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы являлось повышение износостойкости рабочих элементов разделительных штампов и показателей качества выпускаемой продукции за счет разработки технологических принципов низкотемпературного нанесения многослойных в а ку у \ шо-плазме и ных покрытий на полутеплостойкие штамповые стали.

Диссертационная работа выполнялась в рамках совместной научно-исследовательской работы ГОУ МГТУ «СТАНКИН» и Фраунгоферского института станков и техники пластического деформирования г. Хемниц (Германия) и финансировалась Министерством образования РФ в рамках реализации программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники на 2003-2004 годы».

Научной новизной работы являются:

• разработанная систематизация причин отказа и путей повышения работоспособности рабочих элементов разделительных штампов и качества выпускаемой продукции за счет нанесения различных по конструкции и составу вакуумно-плазменных покрытий;

• установленные функциональные зависимости между условиями нанесения вакуумно-плазменных покрытий и интенсивностью изнашивания раоочих элементов разделительных штампов при обработке различных материалов.

Практическая ценность работы заключается в:

• разработанных технологических принципах низкотемпературного нанесения на штамповые стали в режиме ассистирования пучком ускоренных молекул аргона многослойных вакуумно-плазменных покрытий с повышенными эксплуатационными свойствами;

• разработанных технологических рекомендациях по выбору состава, конструкции и назначению режимов нанесения вакуумно-плазменных покрытий, обеспечивающих минимальную интенсивность изнашивания рабочих элементов разделительных штампов и требуемое качество выпускаемой продукции.

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки ГОУ МГТУ «СТАНКИН», на Международных научно-технических конференциях «Производство. Технология. Экология - 2002» в г. Москве, «Взаимодействие ионов с поверхностью - 2003» в г. Звенигороде, «Современные технологические системы в машиностроении - 2005» в г. Барнауле, а также были удостоены золотой медали V Московского международного салона инноваций и инвестиций 2005 года.

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы д.т.н., профессору С.Н. Григорьеву, а также всем преподавателям кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» и сотрудникам Центра физико-технологических исследований ГОУ МГТУ «СТАНКИН» за помощь, оказанную при выполнении работы.

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Шеин, Александр Анатольевич

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Результаты экспериментальных исследований позволили установить взаимосвязь между различными вариантами отказов рабочих элементов разделительных штампов и показателями качества штампуемых деталей. Для оценки качества деталей было предложено использовать комплексный показатель, включающий линейные размеры детали, геометрическую точность профиля разделения, состояние поверхности сдвига (наличие налипов и кратеров) и отсутствие заусенцев на торцевых поверхностях детали.

2. Проведенные экспериментальные исследования особенностей работы разделительных штампов и разрушения их рабочих поверхностей, позволили систематизировать причины отказа и пути повышения работоспособности рабочих элементов разделительных штампов и качества выпускаемой продукции за счет нанесения различных по конструкции и составу вакуумно-плазменных покрытий.

3. Исследования, проведенные в области инженерии поверхностей с применением концентрированных потоков энергии, позволили разработать и научно обосновать технологические принципы низкотемпературного нанесения многослойных вакуумно-плазменных покрытий с повышенными эксплуатационными свойствами на различные типы штамновых сталей в режиме ассистирования пучком ускоренных молекул аргона.

4. На основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований были предложены четыре варианта вакуумно-плазменных покрытий - Ti/(Ti,Zr)N, Cr/CrN, TiN/TiCN/(Ti,Cr)N и Ti/(Ti,Al)N, обеспечивающих повышенную работоспособность инструмента в условиях действия различных нагрузок, характерных для операций разделительной штамповки.

5. Экспериментально установлено, что факторами процесса нанесения покрытий, оказывающими наибольшее влияние на работоспособность рабочих элементов разделительных штампов, являются - давление газа в камере, время нанесения покрытия, потенциал подложки и сила тока дугового разряда. На основе экспериментального изучения влияния этих факторов на интенсивность изнашивания разделительных штампов при деформировании различных материалов, были построены математические модели, устанавливающие связь между интенсивностью изнашивания инструмента и условиями процесса нанесения покрытия.

6. На основе обработки результатов эксплуатационных испытаний установлено, что нанесение при оптимальных режимах вакуумно-плазменных покрытий предложенных составов снижает интенсивность изнашивания разделительных штампов более чем в 2,5 раза, в результате чего высота заусенца, формируемого на торцевой поверхности детали, уменьшается до 3 раз, а отклонение размеров деталей в 2 раза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шеин, Александр Анатольевич, 2005 год

1. 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

2. Аксёнов И.И., Андреев А.А. Вакуумно-дуговые ионно-плазменные технологии покрытий в ХФТИ. // Вакуум, чистые металлы, сверхпроводники, 1998, вып. 2 (3), 3 (4), с. 3 10.

3. 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.

4. Андреев А.А., Шулаев В.М., Григорьев С.Н. Технологические особенности получения композиционных наноструктур ных покрытий вакуумно-плазменными методами // Технология машиностроения. № 7, 2005. - С. 47 - 52.

5. Андреев А.А., Саблев Л.П., Шулаев В.М., Григорьев С.Н. Вакуумно-дуговые устройства и покрытия. Монография. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2005.-236 с.

6. Андреев А.А., Гаврилов А.Г., Падалко В.Г. Прогрессивные технологические процессы в инструментальном производстве. М.: Машиностроение, 1981.-214 с.

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. Боровский Г.В., Григорьев С.Н., Маслов А.Р. Справочник инструментальщика. Справочник / Под общ. ред. А.Р. Маслова.- М:. Машиностроение, 2005. 462 е.: ил.

9. Вакуумные технологии и оборудование: Сборник докладов 5-й Международной конференции / Под редакцией В. И. Лапшина, В. М. Шулаева. — Харьков: НИЦ ХФТИ, ИПЦ «Контраст», 2002.

10. Вайсман И.М., Смирнов М.А., Черновол Н.А., Ганаго О.А. Высокотемпературная термомеханическая обработка пробивных пуансонов. //Автомобильная промышленность. 1981, № 3, с. 29-30.

11. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993, 336 с.

12. Вишневский И.О., Константинов В.Ф. Повышение стойкости разделительных штампов. М.: Машиностроение, 1984. — 120 с.

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

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

15. Геллер Ю.А. Инструментальные сплавы. М.: Металлургия, 1983, 527 с.

16. Григорьев С.Н. Прогрессивное оборудование и технологии для вакуумно-плазменной поверхностной обработки и опыт их промышленного внедрения // Упрочняющие технологии и покрытия. № 9, 2005. - С. 28-32.

17. Григорьев С.Н. Современное вакуумно-плазменное оборудование и технологии для комбинированного упрочнения инструмента и деталей машин // «НТО: инструмент, технология, оборудование». -№4(94), 2005.-С. 5-11

18. Григорьев С.Н. Применение вакуумных ионно-плазменных технологий для повышения качества изделий машиностроения. Тезисы докладов 7 Международной конференции "Пленки и покрытия 2005", Санкт-Петербург, С. 34-35.

19. Григорьев С.Н., Воронин Н.А., Технологии в а ку у м н о -11 л аз м е н н о й обработки инструмента и деталей машин. Учебник. М.: ИЦ МГТУ «Станкин», Янус-К, 2005. - 508 с.

20. Григорьев С.Н., Ильичев JT.JT., Рудаков В.И. Ионно-гшазменное упрочнение инструментальных сталей. Учебное пособие. -Оренбург: ГОУ ОГУ, 2005.-415 с.

21. Григорьев С.Н., Метель А.С., Исайков А.Н, Мельник Ю.А. Осаждение упрочняющих покрытий с помощью универсальных источников ускоренных частиц // Упрочняющие технологии и покрытия. № 9, 2005. - С. 36-40.

22. Досбаева Г.К. Разработка многослойных ионно-вакуумных покрытий из нитрида титана для формообразующего инструмента. -Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., М., 1989.

23. Задгенидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука, 1976. - 360 с.

24. Зимина Е.Г., Зимин М.С., Помигалова Т.Е. Основы математического моделирования и оптимизации процессов резания металлов и инструментов: Учеб. пособие. -Тюмень, 2002. -111 с.

25. Карачун Л. Повышение стойкости рабочих деталей разделительных штампов покрытием нитридом титана диссертация на соискание к.т.н., М., 1993

26. Карпенко В.М., Гринь Л. Г., Гринько И.Н, Повышение стойкости вырубных штампов. // Кузнечно-штамповочное производство, 1987, № 6.: с.33-34.

27. Ковка и штамповка: Справочник: В 4т. Т4 Листовая штамповка / Под ред. А.Д. Матвеева; Ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. М.: Машиностроение, 1985-1987. 544 с.

28. Клебанов Ю.Д., Григорьев С.Н. "Концентрированные потоки энергии в процессах обработки материалов". Учебник. М.: ИЦ МГТУ «Станкин», Янус-К, 2005. - 224 с.

29. Л ахти н Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. -М.: Металлургия, 1984,360 с.

30. 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.:

31. Метель А.С., Григорьев С.Н. Тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов для генерации плазмы и пучков ускоренных частиц. Монография. М.: ИЦ МГТУ «Станкин», Янус-К, 2005. -296 с.36.39,4043,44