Технологическое обеспечение качества поверхности керамического инструмента для повышения его износостойкости при обработке закаленных сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Боровский, Владислав Георгиевич

• Боровский, Владислав Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Боровский, Владислав Георгиевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Преимущества использования инструмента, оснащенного пластинами из минералокерамики при механической обработке закаленных сталей.

1.2. Особенности изнашивания инструмента, оснащенного пластинами из минералокерамики, и основные причины его отказа.

1.3. Основные направления повышения работоспособности режущих пластин из минералокерамики.

1.4. Постановка цели и задач исследований.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛАНЕТАРНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПЛАСТИН ИЗ МИНЕРАЛОКЕРАМИКИ.

2.1. Оборудование для реализации схемы планетарного движения керамических пластин в процессе шлифования и образцы, используемые при экспериментах.

2.2. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое образцов из минералокерамики и глубина дефектного слоя.

2.3. Шероховатость поверхности образцов из минералокерамики после шлифования. ^

Глава 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ В АКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПЛАСТИНЫ ИЗ

МИНЕРАЛОКЕРАМИКИ.

3.1. Возможные эффекты, достигаемые при нанесении покрытий на пластины из минералокерамики.

3.2. Особенности нанесения покрытий на пластины из минералокерамики.

3.3. Разработка оборудования для нанесения покрытий на пластины из минералокерамики.

3.4. Выбор конструкции и состава износостойких покрытий для пластин из минералокерамики, обрабатывающих закаленные стали.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ИЗ МИНЕРАЛОКЕРАМИКИ ПРИ РЕЗАНИИ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ.

4.1. Оценка прочности на изгиб керамических образцов, прошедших поверхностную обработку.

4.2. Эксплутационные испытания керамических пластин, прошедших поверхностную обработку, при резании закаленных сталей.

4.3. Шероховатость поверхностного слоя деталей из закаленных сталей, обработанных керамическими пластинами, прошедшими поверхностную обработку.

Глава 5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ИЗ МИНЕРАЛОКЕРАМИКИ С ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКОЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ ИЗ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологическое обеспечение качества поверхности керамического инструмента для повышения его износостойкости при обработке закаленных сталей»

В современном производстве вопросы финишной обработки деталей высокой твердости в основном решаются шлифованием. Характерной особенностью шлифования является его высокая теплонапряженность, вызывающая в поверхностном слое деталей структурные превращения и образование значительных остаточных напряжений. Благодаря совершенствованию инструментальных материалов и увеличению жесткости, виброустойчивости и точности перемещений станков, сегодня появилась реальная возможность заменить шлифование высокотвердых материалов лезвийной обработкой.

Одними из наиболее перспективных инструментальных материалов для обработки материалов с твердостью выше 50 HRC являются различные виды инструментальной минералокерамики - оксидно-карбидная, нитридная и др. Эти материалы имеют относительно низкую стоимость исходного сырья, обладают высокой твердостью и термостойкостью в широком диапазоне температур, а также химической пассивностью по отношению к обрабатываемым материалам. Вместе с тем, широкое применение инструмента, оснащенного пластинами из минералокерамики, ограничено из-за его недостаточно высокой надежности, проявляющейся в виде хрупкого разрушения режущей части (скалывания и выкрашивания) в различные периоды работы инструмента.

Так, на отказы, вызванные хрупким разрушением инструментального материала, приходится до 55% всех отказов керамических пластин при точении и до 80% при фрезеровании. Причиной этого являются, во-первых, низкие прочностные свойства и чувствительность минералокерамики к циклическим нагрузками и термическим ударам и, во-вторых, дефекты поверхности, образующиеся при алмазном шлифовании пластин.

Поэтому исследования, направленные на повышение прочностных свойств минералокерамики с целью повышения ее сопротивления хрупкому разрушению и расширения областей технологического применения, являются актуальными.

В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы являлось повышение сопротивления инструмента из минералокерамики хрупкому разрушению при точении и фрезеровании закаленных сталей за счёт улучшения качества поверхностного слоя режущих пластин, обеспечиваемого применением планетарного алмазного шлифования с последующим нанесением вакуумно-плазменных покрытий.

Диссертационная работа выполнялась в рамках совместного проекта МГТУ «СТАНКИН» и Берлинского технического университета «Повышение прочности режущей керамики в результате целенаправленного воздействия на поверхностный слой материала абразивного инструмента и физического осаждения покрытий» (№ 02-02-04015) и финансировалась Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ) и Немецким научно-исследовательским обществом (DFG).

Научной новизной работы являются:

- установленные функциональные зависимости глубины дефектного слоя и шероховатости поверхности от условий процесса планетарного алмазного шлифования пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики;

- разработанные и научно обоснованные принципы конструирования и нанесения вакуумно-плазменных покрытий на пластины из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики, обеспечивающие повышение сопротивления хрупкому разрушению при обработке закаленных сталей.

Практической ценностью работы являются:

- расчетные формулы для определения глубины дефектного слоя, формируемого при планетарном алмазном шлифовании пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики, в зависимости от режимов шлифования;

- предложенная конструкция и составы вакуумно-плазменных покрытий для пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики, предназначенных для точения и торцевого фрезерования закаленных сталей;

- расчетные формулы для определения стойкости пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики после поверхностной обработки, включающей планетарное алмазное шлифование и нанесение вакуумно-плазменных покрытий, при точении и торцевом фрезеровании закаленных сталей в широком диапазоне режимов резания.

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки МГТУ «СТАНКИН» и семинаре в Берлинском техническом университете, на Международных научно-технических конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью - 2003» в Звенигороде, «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении - 2003» и «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды -2004» в Бийске, «Производство. Технология. Экология - 2003 и 2004» в Москве, а также были удостоены серебряной медали третьего Московского международного салона инноваций и инвестиций 2003 года.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы д.т.н., профессору С.Н. Григорьеву, всем преподавателям кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» МГТУ «СТАНКИН», а также сотрудникам Технического Университета и Научно-исследовательского института им. О. Гана и JI. Майтнер г. Берлина за помощь, оказанную при выполнении работы.

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Боровский, Владислав Георгиевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ условий работы и причин отказа инструмента, оснащенного пластинами из минералокерамики при обработке закаленных сталей, позволил разработать технологию повышения качества поверхностного слоя пластин, заключающуюся в планетарном алмазном шлифовании и последующем нанесении вакуумно-плазменных покрытий.

2. Сравнительные исследования показателей качества поверхностного слоя керамических пластин после планетарного шлифования и традиционного торцевого шлифования показали, что при использовании планетарной схемы шлифования отмечается снижение значений остаточных напряжений в поверхностном слое в 2-2,5 раза, уменьшение глубины дефектного слоя в 1,3-2 раза и снижение шероховатости обработанной поверхности в 1,3 раза.

3. На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований была разработана технология нанесения износостойких покрытий в вакууме на пластины из неэлектропроводной минералокерамики и предложена конструкция износостойкого покрытия, представляющая собой двухслойную композицию, содержащую адгезионный и износостойкий слои.

4. Методом четырехточечного изгиба установлено, что использование схемы планетарного шлифования в сочетании с нанесением износостойких покрытий позволяет увеличить среднюю прочность на изгиб образцов из оксидно-карбидной керамики на 22%, а из нитридной керамики на 19,5%.

5. На основе обработки результатов эксплуатационных испытаний установлено, что применение разработанных принципов поверхностной обработки увеличивает стойкость пластин из оксидно-карбидной керамики при точении, а из нитридной керамики при фрезеровании закаленных сталей в 1,5-3 раза по сравнению с исходными пластинами. Кроме того, установлено, что поверхностная обработка существенно повышает надежность процесса резания - при точении до 90% всех отказов сводятся к отказам, связанным с достижением износа по задней поверхности пластины установленной величины, а при фрезеровании до 75 %.

6. Экспериментально показано, что применение керамических пластин, прошедших поверхностную обработку, включающую планетарное алмазное шлифование и нанесение вакуумно-плазменных покрытий, при точении закаленных сталей с высокой производительностью обеспечивает шероховатость поверхности Ra=0,3-0,6 мкм. Это дает основание рекомендовать использовать точение инструментом, оснащенным пластинами из минералокерамики, вместо шлифования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Боровский, Владислав Георгиевич, 2004 год

1. D. Dudzinski, A. Molinari, Н. Schulz. Metal Cutting and High Speed Machining. Kluwer Academic / Plenum Publisher, New York, 2002. 490 p.

2. Пронин А.И. Повышение работоспособности инструмента, оснащенного режущей керамикой и сверхтвердыми материалами Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. -Комсомольск-на-Амуре, КГТУ. 1995 г.

3. Шлифование металлов / Под ред. Кожуро J1.M. Учебное пособие. М.: Издательство Дизайн ПРО, 2000г. 352 стр.

4. Nabhani Farhad. Wear mechanisms of ultra-hard cutting tools materials. Journal of Materials Processing Technology 115, 2001, p.402-412.

5. Luo S.Y., Liao Y.S., Tsai Y.Y. Wear characteristics in turning high hardness alloy steel by ceramic and CBN tools. Journal of Materials Processing Technology 88, 1999, p.114-121.

6. D'Errico G.E., Bugliosi S., Calzavarini R., Cuppini D. Wear of advanced ceramics for tool materials. Wear 225-229, 1999, p.267-272.

7. Schulz Herbert, Reuter Ulrich. Wear mechanism for the high speed machining of CGI. Production Engineering Vol. VII/1, 2000, рЛ 3-16.

8. Li L., He N., Wang M., Wang Z.G. High speed cutting of Inconel 718 coated carbide and ceramic inserts. Journal of Materials Processing Technology 129, 2002, p. 127-130.

9. Пронин А.И. Повышение работоспособности инструмента, оснащенного режущей керамикой и сверхтвердыми материалами Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. -Комсомольск-на-Амуре, КГТУ. 1995 г.

10. Попов А.И. Повышение работоспособности минералокерамических пластин путем ионной модификации их рабочих поверхностей Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. Санкт-Петербург, СпбТУ. 1993 г.

11. Судьин Ю.А. Свойства и особенности применения сверхтвердых материалов и минералокерамики для обработки материалов резанием. Серия X «Подшипниковая промышленность». Москва. 1991. 65с.

12. Когина Т.Б. Высокоскоростное резание жаропрочных сплавов на никелевой основе инструментами из минералокерамики. Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. Санкт-Петербург, СпбТУ. 1993 г.

13. Бурмистров В.В., Гусев В.В., Каплун В.А., Назаренко В.В. Выбор рациональных параметров процесса алмазного шлифования керамики из нитрида кремния // Сверхтвердые материалы. 1990, №4. -С. 68-70.

14. Н. Tonshoff, Т. Friemuth. Effects of grinding on the performance of cutting tools. Production Engineering Vol. VI/2 (1999), p. 9-15.

15. Синопальников В.А., Григорьев C.H. Надежность и диагностика технологических систем. Учебник. -М.: ИЦ Ml ТУ «СТАНКИН», Янус-К. -2003,331с.

16. Liu Z.O., Ai X., Zhang Н., Wang Z.T., WanY. Wear patterns and mechanisms of cutting tools in high-speed face milling. Journal of Materials Processing Technology 129, 2002, p.222-226.

17. Leopold J. Werkzeuge fur die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Mtinchen, WienCarl. Hanser Verlag, 1999. - 300 s.

18. Турин В.Д. Повышение надежности фрезерования сталей за счет диагностирования состояния инструмента по силовым диагностическим признакам. Диссертация на соискание уч. степ. канд. техн. наук по специальности 05.03.01. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2004.

19. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента.-М.: Машиностроение, 1982.-320 с.

20. Братухин А.Г., Бондарев Б.И., Полькин И.С., Попов В.Ф. Высокоплотная керамика для резания труднообрабатываемых материалов. СТИН. 1994. №1, стр. 20-23.

21. Вильдман Г.М., Малочкин О.В., Панов B.C. Свойства и закономерности прессования порошков диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттербия: Автореферат. М.: Цветные металлы, 2000, №5.

22. А.С. Верещака, А. Калдос Современные тенденции совершенствования технологической производственной среды // Производство. Технология. Экология: Сборник трудов конференции. Москва: МГТУ «СТАНКИН», 2004. С. 517-551.

23. A. Gatto, L. Iuliano. Advanced coated ceramic tools for machining superalloys. 1995, p. 591-605.

24. Zhao J., Deng J., Zhang J., Ai X. Failure mechanisms of a whisker-reinforced ceramic tool when machining nickel-based alloys. Wear 208, 1997, p.220-225.

25. Васин C.A., Верещака A.C., Кушнер B.C. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: Учеб. для техн. ВУЗов. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001. - 488 с.

26. Zhao J., Zhang J., Ai X. Relationship between the thermal shock behavior and cutting performance of a functionally gradient ceramic tool. Journal of Materials Processing Technology 129,2002, p. 161-166.

27. K.-H. Zum Gahr, J. Schneider. Surface modification of ceramics for improved tribological properties. 1999, p. 363-370.

28. Поляк М.С. Технологические методы упрочнения. Справочник в 2-х томах. М.: СКРИПТ, Машиностроение, 1995, 832 с.

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

30. Кабалдин Ю.Г. Механизмы изнашивания рабочей части инструмента из режущей керамики // Вестник машиностроения. 1991, №2. -С.40-43.

31. Фадеев B.C., Аникин В.Н., Максимов А.А. Изнашивание и разрушение оксидной керамики при обработке конструкционных материалов // Цветные металлы. 1989, №9. -С.97-100.

32. Сытник А.А. Повышение эффективности алмазного шлифования многогранных пластин из режущей керамики. Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. Москва, РУДН. 1991 г.

33. Никитков Н.В., Рабинович В.Б., Субботин В.Н. Скоростная алмазная обработка деталей из технической керамики. JL: Машиностроение. 1984. 131с.

34. Лавриненко В.И., Шкляренко В.В., Шепелев А.А. Шероховатость поверхности керамических пластин при их алмазном шлифовании // Станки и инструмент. 1990, №10. -С.28-29.

35. Кузин В.В. Технологические особенности алмазного шлифования деталей из нитридной керамики // Вестник машиностроения. 2004, №1. — С.37-41.

36. Бурмистров В.В., Гусев В.В., Каплун В.А., Назаренко В.В. Выбор рациональных параметров процесса алмазного шлифования керамики из нитрида кремния // Сверхтвердые материалы. 1990, №4. -С. 68-70.

37. Приварников О.А., Шевченко В.Н. Оценка напряжений, прогибов и механической прочности пластин кремния при шлифовании // Сверхтвердые материалы. 1987, №3.-С. 52-55.

38. Степанов Ю.Н. Разработка и исследование процесса плоского торцевого планетарного шлифования. Автореферат диссертации насоискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.02.08. Пермь, ПГТУ. 2000 г.

39. A. Fritsch. Schleifen von Cermets. Dissertation, Universitat Hannover,1997.

40. Гусева Л.Ю. Технологическое обеспечение эффективности алмазной обработки плоских заготовок из термостойкой керамики. Автореферат диссертации на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.02.08. Санкт-Петербург, СпбТУ. 2000 г.

41. Ch. Genzel, М. Broda, D. Dantz, W. Reimers. A self consistemt method for X-ray diffraction analysis of multiayial residual stress fields in the near surface region of polycrystalline materials, II. Examples. J. Appl. Cryst. 32 (1999), p. 779790.

42. E. Macherauch, P. Miiller Das sin vj/-Verfahren der rontgenographischen Spannungsmessung. Zeitschrift angewandte Physik 13 (1961), p. 305-315.

43. Абдулов B.H. Розовский Б.Я., Черняков M.K. Повышение эффективности и качества процесса алмазной обработки минералокерамических материалов // Алмазы и сверхтвердые материалы. 1981, №8. -С.1-2.

44. М. Хокинг, В. Васантасри, П. Сидки. Металлические и керамические покрытия: Получение, свойства и применение: Пер. с англ. -М.: Издательство «Мир», 2000г. 518 с.

45. Григорьев С.Н., Верещака А.С., Старков В.К., Кабалдин Ю.Г., Ковалев О.Б. Способ формирования износостойкого покрытия на керамике. SU 1736124 Al, С04 В 41/00, С23 С14/48. Авт. свид. СССР №1100049, кл.

46. В32 В27/16, 1984. Авт. свид. №1520890 кл. С23 С14/48, 1987. Заявка № 4609904/33; опубл. 29.11.88.

47. Григорьев С.Н., Боровский В.Г. Разработка технологии нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент на основе минералокерамики и кубического нитрида бора// Обработка металлов. -2003. -№ 3 (20). с. 5-6.

48. 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.

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

50. Судьин Ю.А., Стародубровский В.Н. Технология обработки колец крупногабаритных подшипников на станках с ЧПУ: Обзор. -М.: ЦНИИТЭИавтопром, 1990.