.

Основи лезової обробки зносостійких захисних покриттів: Автореф. дис… д-ра техн. наук / С.А. Клименко, НАН України. Ін-т надтверд. матеріалів ім. В.

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 4180
Скачать документ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ім. В. М. БАКУЛЯ

На правах рукопису

УДК 621.941: 621.791.92 + 669-41.408.3 + 621.7.029

КЛИМЕНКО Сергій Анатолійович

ОСНОВИ ЛЕЗОВОЇ ОБРОБКИ ЗНОСОСТІЙКИХ

ЗАХИСНИХ ПОКРИТТІВ

(Спеціальність 05.03.01 – Процеси механічної обробки,
верстати та інструменти)

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеню
доктора технічних наук

Київ 1999 р.

Дисертація є рукописом.
Робота виконана в Інституті надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України.

Наукові консультанти –
Е. В. Рижов
доктор технічних наук, професор, Інститут надтвердих матеріалів НАН України, завідувач
відділом
М. В. Новіков
академік НАН України, доктор технічних наук, професор, Інститут надтвердих матеріалів НАН України, директор

Офіційні опоненти –
О. О. Розенберг
доктор технічних наук, професор, Інститут
надтвердих матеріалів НАН України, завідувач
відділом
Б. В. Лупкін
доктор технічних наук, старший науковий
співробітник, Адміністрація Президента
України, головний консультант-інспектор
Контрольної служби
Н. С. Равська
доктор технічних наук, професор, Національний
технічний університет України “КПІ”, завідувач
кафедрою
Провідна організація – Харківський державний політехнічний
університет Міносвіти України

Захист відбудеться “15” квітня 1999 р. о 13 годині 30 хвл. на засіданні спеціалізованої Наукової Ради Д 26.230.01 Інституту надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України за адресою: 254074, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України.
Автореферат розісланий “12” березня 1999 р.

Учений секретар спеціалізованої
Ради, д.т.н., професор
А. Л. Майстренко
Актуальність проблеми. Розвиток сучасного машинобудування не¬подільно пов’язаний з підвищенням надійності деталей машин і механізмів, зниженням енерго- і матеріалоємності виробництва і потребує широкого використання нових прогресивних технологій.
В зв’язку з цим велике значення має забезпечення захисту поверхні деталей і конструкцій від зносу. Тривалий час для цього використовувались об’ємно-лего-вані матеріали. Однак, економічно і технічно доцільно розвивати принципово ін-ший підхід до вибору матеріалів вже на стадії проектування виробів: механічна міцність деталей гарантується за рахунок впровадження одного матеріалу, а спе-цифічні якості поверхні досягаються в результаті формування на ній тонких ша-рів інших матеріалів – покриттів.
В теперішній час до числа направлень, які найбільш активно розви¬ва¬ються в галузі захисних покриттів, відносяться методи наплавки і напилення.
Однак, впровадження зносостійких покриттів стримується в зв’язку з нестачею науково обгрунтованих рекомендацій з їх продуктивності і якісної обробки. Особливо це відноситься до лезової обробки наплавлених і напилених покриттів твердістю 40-65 HRCе, зокрема нанесених порош¬ковими дротами, спеченими стрічками та із самофлюсуючихся порошків системи Ni-Cr-B-Si.
Процес різання покриттів відрізняється від різання монолітних матеріа¬лів. Утворюєма стружка легко розподіляється на елементи, які мають велику кількість тріщін і дефектів. Пористість матеріалу покриттів, знижуючи теплопровідність на 20% і більше та зменьшуючи істиний переріз зрізаємого шару, викликає збіль-шен¬ня деформації в процесі утворення стружки. Температура різання покрит¬тів перевищує температуру при обробці монолітних матеріалів ідентичного складу.
Низька обробність покриттів є також слідством великої стираючої здібності твердих включень, які є в них.
Перспективним методом обробки зносостійких покриттів є лезова обробка ін-струментом з полікристалічних надтвердих матеріалів (ПНТМ) на основі кубіч-но¬го нітриду бора (КНБ).
Процеси лезової обробки супроводжуються більш низьки¬ми енерго¬затра¬тами і, підчас, більш продуктивні, ніж шліфування. Точіння в ба¬гатьох випадках забезпечує вимоги за якістю, яке висувається до робочих повер¬хонь деталей. Тому дослідження процесу лезової обробки деталей з наплавленим і напиленим поверхневим шаром являє собою значний науковий і практичний інтерес.
Наукові дослідження і розробки автора в 80-х роках були направлені на вико-нан¬ня робіт з проблеми 1.11.5.8 “Наукові основи підвищення надійності і ре¬сурсу за критеріями зносостійкості” Класифікатора актуальних наукових направ¬лень АН СРСР на 1986 – 1990 р. р. і на період до 2000 р. (теми НДР ІНМ АН Украї¬ни – 1820, 1822, 1829, 1831). В період з 1992 по 1998 р. р. робо¬ти виконувались в рам¬ках державних науково-технічних програм ДНТП Ук¬раї¬ни 05.43. “Ресурсо-збе¬рі¬гаю¬чі технології механічної обробки і засобів з’єд¬нання ма¬теріалів”, 04.04 “Ви¬со¬ко¬ефек¬тивні технології механоскла¬даль¬но¬го ви¬роб¬ництва”, державної науково-тех¬нічної програми Міннауки Украї¬ни 04.02. “Високо¬ефективні технології меха¬но¬складаль¬но¬го виробництва” пріо¬рі¬¬тетного напрямку розвитку науки і техніки 4. “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології”, тем НДР ІНМ НАН України 1842, 1851, 1854.
Мета роботи. Підвищення ефективності лезової обробки і забезпечення по-тріб¬¬ного стану поверхневого шару деталей машин з наплавленими і напиле¬ни¬ми захисними покриттями високої твердості на основі розробки системних уяв¬лень про процес з урахуванням особливостей структури та властивостей гетерогених мате¬ріа¬лів покриттів та впровадження ріжучого інструменту з полікристалічних надтвер¬дих матеріалів.
Методологія і методи досліджень. Методологічною основою роботи є си-стем¬ний підхід до вивчення і опису дослідного об’єкту, процесів контактної взаємодії ріжучого інструменту з наплавленими і напиленими деталями, закономірностей формування стану їх поверхневого шару.
Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорії різання, сучасної статистичної теорії та методології, фізико-хімічної теорії контактної взаємодії, фрактальних уявлень про природу поверхонь, теорії випадкових функцій.
Експериментальні дослідження базуються на теорії імітаційного моде¬лю¬¬вання, математичного планування експериментів, на апараті дисперсій¬но¬го і кореляційного аналізів, на широкому використанні обчислюючої техніки.
При виконанні роботи застосовували сучасні методи оцінки параметрів стану поверхевого шару матеріалів і деталей, зокрема профілометрірування, растрову електронну і тунельну мікроскопію, оже-спектро¬скопію, спектраль¬ний и рентге-нівський мікроаналізи, вторинну електронну мас-спектрометрію, деформаційно-спектральний і металографічний аналізи, метод екзо¬електроної емисії та ін.
Автор захищає: 1. Поняття і структуру системи випадкового збудження при обробці різанням захисних покриттів, яка включає до себе три підсистеми: – струк¬тури і властивостей покриттів, пов’язану з нестабільністю структури і влас-ти¬востей наплавлених і напилених покриттів; – різання, визначаєму контактною взаємодією інструмента з дефектним поверхневим шаром покриттів; – технологічного обладнання, зумовленою шорсткістю обладнання, пристроїв, деталі і інструменту.
2. Запропонований критерій оцінки обробності наплавлених і напилених матеріалів, поданий сумою величин інформаційних ентропій основних показ¬ників підсистем: – ентропії сукупності механічних властивостей покриття, ен¬тро¬пії сукупності ординат профілю поверхні покриття і ентропії сукупності величин жорсткості (піддатливості) обладнання, пристроїв, деталі, інстру¬менту.
3. Оригінальну методику вибору відносної працездатності інструмен¬таль¬них матеріалів за деформаційно-спектральними параметрами поверх¬невого шару.
4. Розроблені уявлення про механізм зношування ріжучого інструменту за рахунок утворення, плавління і вилучення із зони контакту інструменту зі стружкою і деталлю продуктів хімічної взаємодії інструментального мате¬ріалу (на основі КНБ) з обробним (на основі Fe і Ni) і елементами довкілля.
5. Концепцію формування шорсткості поверхні при точінні гетерогених матеріалів покриттів, основану на урахуванні впливу кінематико-геометрич¬них умов процесу обробки, пластичних явищ в зоні різання, наявності дефек¬тів (типу пор) в обробному матеріалі, рівня жорсткості технологічної системи.
6. Обгрунтування шляхів підвищення ефектив¬ності процесів лезової обробки наплавлених і напилених захисних покриттів за рахунок управління закономір-ностя¬ми процесу різання і властивостями інструментального та обробного матеріалів.
7. Розроблені засоби обробки різанням і конструкції ріжучих інстру¬ментів, в яких реалізуються розроблені уявлення і досліджені особливості процесів лезової обробки захисних покриттів.
Наукова новина роботи:
– на основі аналізу процесу обробки покриттів як складної системи з ураху-ван¬ням стохастичного характеру взаємодії інструменту із заготовкою, запропо-нований но¬вий підхід до оцінки обробності захисних покриттів за сумою інформаційних ентро¬пій сукупності даних про механічні якості покриттів як матеріалів з гетеро¬ге¬ною струк¬ту¬рою, розміри параметрів профілю поверхні покриттів і розміри жорст¬кості технологічного обладнання;
– вперше встановлено, що при обробці гетерогених матеріалів покриттів ко-ефі¬ці¬єнт терття на передній поверхні інструменту із ПНТМ на основі КНБ від-повідає умо¬вам рідкого терття, дотичні напруги в площині зсуву в 2 – 3 рази меньші, а нор¬маль¬ний тиск на задній поверхні інструменту в 1,5 – 2,25 разів більше у порівнянні із зна¬ченнями, ви¬значеними для конструкційних сталей такої самої твердості з гомогеною структу¬рою;
– встановлено, що при обробці покриттів зі швидкостями різання до 0,5 – 1,8 м/с зношування інструменту з ПНТМ на основі КНБ визначається інтен¬сивністю утворення евтектичних з’єднань типу Ме-МехВ з елементів інстру¬мен¬тального та обробного матеріалів, а при швидкостях різання більше ніж 2 – 3 м/с, коли в зоні різання реалізуються термобаричні умови, які відпо¬відають потужності понад 1250 – 1350 Вт, найбільше впливає на зношування інструменту інтенсивність окислення інструментального матеріалу;
– запропонований новий принцип управління працездатністю інструменту за рахунок введення в склад інструментального матеріалу чи оточуєче інстру¬мент середовище речовин, які забезпечують при певних термобаричних умовах, під час процеса різання, підвищений парціальний тиск азоту в зоні обробки;
– в результаті виконання досліджень розроблена методологія прогнозування і оцінки імовірності технологічного забезпечення потрібних показників стану поверх¬не¬вого шару покриття після його обробки.
На базі системних уявлень про процес та результатів дослідження термо-силових за¬ко¬номірностей, особливостей ме¬ха¬ніки і фізико-хімії контактної взаємодії при ле¬зо¬вій обробці гетерогених наплав¬лених і напилених покриттів розроблені методо¬ло¬гії вибору інструмен¬таль¬ного мате¬ріалу і умов обробки покриттів за характе¬ристи¬ками їх структури і властивостей, імовір¬ності забезпечення необхідної якості поверх¬невого шару після обробки, обгрунтовані шляхи підвищення ефективності технології і створені основи лезової обробки зносостійких захисних покриттів.
Практична цінність роботи. Використовуємий методологічний підхід, запро¬по¬но¬ваний автором, дає можливість на основі попередньої інформації вибрати найбільш ефективний матеріал для оснащення ріжучого інструменту, ви-брати геометричні параметри інструменту і режими обробки наплавлених і напи-ле¬них захисних покриттів, оцінити можливості по забезпеченню потрібних параметрів стану поверхневого шару покриттів, забезпечити підвищення праце-здат¬ності виробів з покриттям. При цьому створена здатність провадити лезову обробку деталей з покриттями, які раніш оброблялись тільки шліфуванням або не оброблялись зовсім. В порівнянні із застосуванням інструменту з твердих сплавів продуктивність запропонованої обробки збільшується в 1,3 – 6 разів з одночасним підвищенням стій¬кості ріжучого інструменту в 2 – 10 разів. В порівнянні з процесами алмазно-абразивного шліфування продуктивність лезової обробки збільшується в 2 – 4 рази.
Реалізація результатів і ефективність роботи. Результати виконаних досліджень знайшли і отримують нове застосування на підприємствах вугільної і гірничо-видобувної промисловості, чорної і кольорової металургії, маши¬но-будування та інших галузей промисловості, а також в навчальному процесі при підготовці інженерів-технологів для промислових підприємств Україні, увійшли в КТМ “Технологічні процеси обробки покриттів, напилених газотермічними методами. Типовий технологічний процес КТМ ІЕЗ-9-90”.
Загальний економічний ефект від впровадження результатів роботи з 23 господарських договорів складає понад 1,4 млн. рублів при пайовій участі автора понад 650 тис. рублів в цінах 1992 р.
Особистий внесок автора складає:
– розробка основ лезової обробки захисних покриттів, які базуються на положеннях системного аналізу;
– розробка уявлень про систему випадкового збудження при лезовій об¬роб¬ці захисних покриттів і критерію оцінки обробності різанням наплавлених і напилених покриттів;
– розробка уявлень про механізм зношування ріжучого інструменту з полікристалічних надтвердих матеріалів на основі кубічного нітриду бора, які базуються на результатах термодинамічних розрахунків і експериментів з вивчення хімічної взаємодії інструментального і обробного матеріалів з урахуванням впливу довколишнього середовища;
– розробка оригінальної методики вибору інструментального матеріалу для оснащення ріжучого інструменту для обробки захисних покриттів, засно¬ваної на використанні результатів деформаційно-спектрального аналізу поверхневих шарів інструменту і обробного покриття;
– розробка концепції формування нерівностей на обробній поверхні, яка враховує кінематико-геометричні закономірності процесу різання, наявність в обробному матеріалі дефектів типу пор, нестабільність властивостей матеріалу покриття і вплив пластичної деформації зрізаємого шару покриття перед передньою поверхністю інструменту;
– оцінка можливості технологічного забезпечення якості поверхневого шару деталей з покриттями;
– обгрунтування шляхів підвищення ефективності процесу обробки наплавлених і напилених матеріалів.
Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи докладались і на¬друко-ва¬ні в збірках докладів і матеріалів понад 80 науково-технічних конфе¬ренцій, семі¬на¬рів, симпозіумів, конгресів, в тому числі понад 30 Міжна¬род¬них, зокрема 7 conferencia so zahranicnov ucastov “NASTROJE, 89” (Bratislava, Slovakia, 1989), VI Krajowa Konferencja Naukovo-Techniezna “Postery w teorii i technike obrobki materialow” (Krakow, Polsha, 1990), VII nemzetkozi szerszam konferencia es kialliias (Miscolc, Hungary, 1990), 2-й та 3-й Міжнародні симпо¬зіуми українських інжене-рів-механіків у Львові (м. Львів, Україна, 1995, 1997), 6th European Conference on applications of surface and interface analysis “EcAsia’95” (Montreux-Lausanne, Switzerland, 1995), “Техно¬ло¬гия-96” (м. Новгород, Росія, 1996), XXVIth International Symposium of Pro¬duc¬tion Mechanical Engineering (Podgorica-Budva, Yugoslavia, 1996), 14th Inter¬national Plansee Seminar (Reutte, Tyrol, Austria, 1997), 6th International Con¬ference on flexible technologies (Novi Sad, Yugoslavia, 1997), 1th World Tribo¬logy Congress (London, UK, 1997), 1th International Conference of DAAAM National Estonia “Industrial Engineering-Actual Activities” (Tallinn, Estonia, 1997), 2th Joint American-Eastern European Conference “New Materials And Technologies In Tribology (NMTT-97). Surface Engineering, Diagnosis and Moni¬toring” (Minsk – Grodno – Warsaw, Belarus-Polsha, 1997), 9th International Con¬fe¬rence on Modern Materials & Technologies ” CIMTEC’98”. World Ceramics Congress & Forum on new Materials (Florence, Italy, 1998), “Пленки и покры-тия’98” (м. Санкт-Петербург, Росія, 1998), 27th Conference on Production Engine¬-ering of Yugoslavia with Foreign Participants (Nis-Niska Banja, Yugoslavia, 1998).
Публікації. Результати досліджень, подані в дисертації, надруковані в 190 працях, в тому числі 4 монографіях, 7 брошурах, 80 статтях. Список ос¬нов¬них 53 праць наведений в авторефераті. На 20 методичних і конструк¬торських розробок отримані авторські свідоц¬тва СРСР і патенти України та Росії.
Структура і об’єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, восьми розділів, загальних висновків, переліку використованої літератури із 373 найменувань і додатку. Робота викладена на 250 сторінках машинописного тексту із 125 малюнками і 62 таблицями. Загальний об’єм роботи 461 сторінок, в т.ч. додаток на 54 сторінках.

ВМІСТ РОБОТИ
Структура дисертації відповідає послідовності розробки методик досліджень, про¬ведення експериментальних і теоретичних робіт, аналізу і обговорення резуль¬та¬тів, обгрунтування висновків.
Перший розділ. Теперішні дослідження є логічним продовженням робіт віт-чиз¬няних і зарубіжних учених: Ангелла Г.М., Іва¬щенка Г.О., Карюка Г.Г., Коломійця В.В., Кудрявцева Ю.Г., Мощенка В.І., Муковоза Ю.О., Пилипен¬ка О.М., Полонсь¬кого Л.Г., Рижова Е.В., Сорбата В.І., Фельдштейна Е.Е., Філон¬ни-кова О.Л., Харламо¬ва Ю.О., Харченкова В.С., Ящерицина П.І., Baik M.-Ch., Bell G.R., Biemann D., Csaba V., Grettman D., Ha¬ya¬mi T., Ikuta T., Inui V., Meister D., Muller P., Pauc A., Steinmetz K та інших учених, які вивчають питання обробки покриттів лезовим інстру¬мен¬том.
Аналіз літературних даних показує, що питання обробки захисних покриттів збе¬рігають свою актуальність. Особливо це відноситься до покриттів із сплавів на осно¬ві заліза, нікеля, хрома, а також самофлюсуючихся сплавів систем Ni-Cr-B-Si, Fe-Cr-B-Si-C. Електродугова і плазмена наплавки, газопламене і плазмене напилення є найбільш застосовуємими технологіями нанесення таких покрит¬тів.
Поліпшити техніко-економичні показники процесу різання наплавлених і напи¬лен¬их покриттів твердістю HRCе 40-65 можливо за рахунок впровад¬ження інстру¬менту, оснащеного полікристалічними надтвердими матеріа¬лами (ПНТМ) на основі кубічного нітриду бора (КНБ). Однак і в цьому випадку процес обробки характері¬зу¬єть¬ся низькою працездатністю, особливо при видалені корки покрит¬тя, та інтенсив¬ним зношуванням інструменту. Часто споживачі відмовляються від застосування перспективних матеріалів для покриттів через проблеми, які виникають при їх механічній обробці.
Ефективний вибір інструментального матеріалу для обробки покриттів пови-нен грунтуватися на значному числі статистичних даних, що неможливо при проведенні стійкісних випробувань. Особливий інтерес представляє прогнозу-вання працездат¬нос¬ті ріжучого інструменту, яке базується на аналізі властивостей його матеріалу, що до¬зво¬лило б знизити витрати на проведення експери¬мен-тальних робіт, а також дало б можливість оцінювати найбільш ефективні галузі застосу¬вання но¬вих інструменталь¬них матеріалів.
Практично відсутні роботи з ціленаправленого конструювання ріжучих ін-струментів з урахуванням особливостей процесів обробки захисних покриттів.
Недостатньо вивчено вплив властивостей захисних покриттів на вибір режимів рі¬за¬н¬ня. Практично відсутні дослідження з вивчення впливу особли¬востей структури і властивостей покриттів на експлуатаційні характеристики інстру-менту – знос та стійкість. Механізм зносу інструменту з ПНТМ при обробці покриттів вивчений вкрай мало. В зв’язку з цим, недостатньо пропозицій з управління працездатностю інструмента.
Аналіз літературних даних з впливу умов обробки на якість та експлуа¬та¬ційні властивості деталей з покриттями показав, що досліджень в даному напрямку недостатньо. В окремих роботах розглядаються питання шорст¬кості поверхні, впливу умов різання на зміцнення і залишкові напруги в поверхневому шарі. Однак, ці роботи малочислені, а результати досліджень фрагментарні і суперечні.
Як видно, актуальною є задача підвищення ефективності лезової об¬робки і забезпечення потрібного стану поверхневого шару деталей машин з наплавле-ними і напиленими захисними покриттями високої твердості на базі урахування особливостей структури і свойств гетерогених матеріалів покрит¬тів і застосу-вання ріжучого інструменту з полікристалічних надтвердих матеріалів.
Другий розділ. Захисні покриття характерізуються значним розміром і неста-більністю механічних властивостей, складністю і неоднорідністю хіміч¬ного скла-ду, біль¬¬шим перемінним припуском на обробку, можлива наявність в оброб¬ному матеріалі твердих включень, раковин, пор. Для підвищення ефективності обробки таких складних багатофакторних об’єктів процес необхідно розглядати з позицій системного підходу.
У відповідності з системними уявленнями, виходячи з мети розглядаємої системи S, постулюється правило, за яким провадиться її декомпозиція – об’єк-тами нижнього рівня декомпозиції системи обробки покриття є елементи, які визначають параметри взаємодії інструменту з деталлю і режими різання.
На основі наявного досвіду і аналізу літературних даних постулюємо, що для опису системи обробки покриття S достатньо розглянути дея¬ку умовну систему IS, яка включає імітаційні і натуральні моделі, адекватно визначаючі зв’язки в систе¬мі S. Структура умов системи включає модель системи випадкового збудження DS, яка описує обробний об’єкт у взаємозв’язку з використовуємим технологічним обладнанням, мо¬дель зношування ріжучого інструменту DI і імітаційну модель форму¬вання мікронерівностей на оброб¬ній поверхні DSh, а також натуральні моделі формування техно¬логічних характеристик процесу обробки DN.
Враховуючи нестабільність механічних властивостей, неоднорідність хіміч¬но-го скла¬ду, наявність на деталях з покриттями відхилень макро – і мікро¬гео¬мет-річні парамет¬ри поверхонь, нестабільність жорсткості використовуємого техно-логіч¬но¬го облад¬нання, має сенс говорити про наявність при обробці різанням таких гетеро¬ге¬них матеріалів і виробів системи випадкового збудження DS.
Така система зображується, як система, яка має три підсистеми (мал.1). Верхній рівень {M1} системи зумовлений жорсткістю технологічного облад¬нан¬ня, пристроїв, ін¬стру¬менту і деталі (умовно – технологічного обладнання). Се¬ред¬ній рівень {M2} си¬сте¬ми випадкового збудження пов’язаний з наяв¬ністю на поверхні виробів з по¬крит¬тями макро – і мікронерівностей, відхи¬лення форми виробів і зумовленими ци¬ми особливостями контактування з ріжучим інструментом. На нижньому рівні {M3} розглядаються неодно¬рідності структури і механічних властивостей наплавлених і напилених матеріалів.
Параметри, визначаючі елементи, які входять у відповідну підсистему є імо-вірними. Ці пара¬метри мають ступінь непевності, натуральною мірою якої висту-пає інформаційна ентропія за Шенноном Н. Вважаючі підсистеми незалежними, для всієї розглядаємої системи випадкового збудження по правилу складання ентропій отримуємо

(1)

Наведений вираз інваріантно відносно абсолютного рівню параметрів, визна-чаю¬чих випадкове збудження в підсистемах. В той же час абсолютна величина цих параметрів Хi безпосередньо впливає на вихідні показники процесу обробки, тому в кінцевому вигляді залежність для критерія оцінки обробності покриттів різанням приймається у вигляді

(2)

Для визначення залежності між характеристиками механічних власти¬востей, на¬прик¬лад, твердістю матеріалу, і хімічним складом покриття ско¬рис¬туємося понят¬тям статистичної ваги атомів стабільних конфігурацій SVASK. В зв’язку з відсут¬ніс¬тю в теперішній час певних кількісних даних з фазового складу наплавлених и напилених матеріалів як величини, кіль¬кісно оцінюючої хімічний склад розгля¬дає¬мих матеріалів, розраховуємо SVASK матеріалу як сумарний SVASK для елементного складу вихідних компонентів покриттів.
Математична обробка даних за величинами SVASK і середній твердості на¬не-се¬них покриттів розділених по групам технологій отримання вихідних мате¬ріалів і нане¬сення покриттів дозволила отримати лінійні залежності, які пов’я¬зу¬ють твер¬дість матеріалів з їх хімічним складом. Таким чином, як характе¬ристики власти¬востей покриттів в подальшому використовуємо тільки їх твердість.
Вхід
{ X } Структура системи
S={ a, p, R } Вихід
{ Y } Функція
{ Т }
¬¬
середа

{ X1 } 

{ a1 }: верстат, устаткування, інструмент, деталь
{ p1 }: контактна жорсткість, деформація
{ R1 }: контактна взаємодія  { Y1 }
зміщення вершини інстру¬менту { Т1 }: точ¬ність і якість виробів
з мінімальними витратами

¬¬

припуск

{ X2 } 
 { a2}: інструмент, деталь, стружка, середовище
{ p2 }: склад, структура матеріалу
композита, структура поверхні покриття
{ R2 }: механічна і хімічна взаємодії 
 { Y2 }
сила і температу¬ра різання
{ Т2 }:
зйом припуску

{ X3 } 
елементний хімічний склад { a3 }: компоненти матеріалу покриття, технологічні фактори формування покриття
{ p3 }: хімічні і механічні властивості елементів
{ R3 }: хімічна і механічна взаємодії 
 { Y3 }
склад і властивості композиту { Т3 }:
забезпечення експлуатацій¬них властивос¬тей виробів

Мал.1. Система випадкового збудження.
Для статистичної оцінки твердості поверхневого шару покриття і ентро¬пії су-куп¬ності її значень Н1 використовуємо метод деформаційно-спектраль¬ного ана-лізу. Із аналізу трибограм виходить, що середня величина твердості Р поверхне-вого шару матеріалу на довжині траси сканування і величина ентропії Н1 механічних властивостей дослідного матеріалу визначаються по залежностям

(3)
,

(4)

де pi – ордината i – го максимуму на трибограмі; N – кількість розглядаємих крапок трибограми; С – коефіцієнт, який залежить від температури.
Вхідним параметром другої підсистеми є змінна глибина різання, пов’язана з наявністю на поверхні покриття значних макронерівностей. Аналіз сукупності орди¬нат профилю поверхні покриттів при різному кроку виміру дозволяє припус¬ти¬ти наявність на розглядаємих поверхнях фрактальних властивостей (табл.1).
Використовуючи метод нормованого розмаху Херста, враховуючи довжину заразка L і максимальну висоту нерівностей на поверхні R, отри¬муємо вираз для визначення величини ентропії сукупності ординат про¬филю поверхні покриття H2 через величину її фрактальної розмірності D

(5)

Таблиця.1. Фрактальна розмірність D профилю поверхонь покриттів
Покриття, матеріал, метод нанесення D
ПГ-СР4, порошок гранульований, автоматична широкополосна плазмена наплавка 1,4884
ПП-Нп-25Х5ФМС, порошковий дріт, електродугова наплавка під слоєм флюсу 1,6522
ПГ-10Н-01, порошок гранульований, ручне газопламене напилення з оплавленням (довгий зразок) 1,2485
ПГ-10Н-01, порошок гранульований, ручне газопламене напилення з оплавленням (короткий зразок) 1,0822
ПС-12НВК-01, поршкова суміш, автоматичне плазмене напилення з оплавлінням 1,325

Гістограми пружніх деформацій в токарних верстатах за результатами вимірів, що виконав у відповідності з ГОСТ 18097-72 В. К. Старков, з гарним прибли¬жен¬ням апроксимуються логарифмічно нормальним розподілом. Вираз для розра¬хунку параметру Н3 через дисперсію величини пружніх деформацій 1 має вигляд

(6)

Третій розділ. Особливості структури і властивостей покриттів визначають термосилові закономірності їх обробки.
В теперішній роботі сили на задній поверхні інструменту визначали за резуль-та¬тами рішення пружньої контактної задачі про впровадження ріжучої кромки в матеріал покриття, моделюючи її у вигляді сферичного індентора. В результаті отримані рівняння, які враховують механічні властивості покриттів (HB0, E0, Hпрж, ) і особливості їх структури, зокрема, пористість (A, k, n), фрактальну розмірність (D) поверхні деталі з покриттям, параметри режиму різання (tпост), геометричні пара¬мет¬ри інструменту (R, , , р, 1р) і величину зносу інструменту по задній поверхні (hз)

(7)

Проведені розрахунки показників механіки контактної взаємодії показали, що напруга в умовах площини зсуву при різанні наплавленого металу в 2,1 разів меньше розрахункового для гомогених сталей тієї ж твердості. Вказане зу-мовлено, можливо, слабким міжкристалічним зв’язком і домішками на межі зерен покриттів, знижуючими напругу при зсувній деформації більше ніж в два рази. Однак, при деформації, зумовленої вдавлюванням ріжучого леза в обробний матеріал, ці особливості структури наплавленого металу подібним чином не проявляються. Навпаки, при величині коефіцієнту терття на передній поверхні інструменту n = 0,02, сходимість розрахованих і дослідних значень сил забезпечується при величинах qNз в 1,5 разів більших в порівнянні з тими, які трапляються при різанні звичайних конструкцій¬них матеріалів.
Аналогічні розрахунки, проведені за результатами оцінки сил різання при точінні напилених покриттів, показують, що точіння порошкових мате¬ріа¬лів при оптимальних швидкостях різання характеризуються десь в 3 рази меншою дотичною напругою в площині зсуву і в 2,25 разів більшим нормаль¬ним тиском на задній поверхні інструменту в порівнянні з визначеними, ви¬ходячи з механічних характеристик, для гомогених сталей.
Отримані експериментальні залежності температури різання від швид¬кості різання при точінні наплавлених та напилених матеріалів. Для точіння наплавлених покриттів характерно монотонне збільшення температури різан¬ня з ростом швидкості різання, при цьому температура різання при обробці плазмено наплавлених покриттів на основі Ni на 150 – 200 С вище, ніж при обробці покриттів на основі Fe, нанесених електродуговою наплавкою.
При обробці напилених покриттів залежність має екстремальний характер (максимальна температура 1150 – 1200 С). Як теоретично пока¬зав О. О. Вино-гра¬дов, така залежність можлива при зменьшенні коефіцієнту терт¬тя на передній поверхні інструменту до величин 0,01 – 0,1, що, враховуючи наведені вище результати, є цілком імовірним при обробці покриттів різцями, оснащен¬ими ПНТМ на основі КНБ.
Четвертий розділ. Враховуючи отримані результати про механіку і темпера-тур¬ні закономірності процесу різання покриттів, у відповідності з постульованим уявленням про умовну систему, для розробки процесу обробки по¬криттів розроб¬ле¬на модель зношування ріжучого інструменту.
Як відмічалося вище, при вивченні закономірностей механіки контактної взаємодії інструменту з обробним покриттям сходимість експеримен¬тальних результатів і теоретичних розрахунків має місце при величині коефіцієнту терття на передній поверхні інструменту, яка відповідає умовам рідкого терття. При температурі в зоні різання  1200 С рідка фаза в контакті інструмент-стружка може з’явитися тільки при умові наявності хімічної взаємодії між контактуючими матеріалами і плавлення утворених з’єднань.
Аналіз діаграми стану систем Ме-В показав, що в зазначеній області температур має місце існування евтектики Ме-МехВ з відповідною темпе¬ратурою плавління.
Термодинамічні розрахунки свободної енергії Гіббса Gr реакцій утворення боридів FeB (1), Fe2B (2), Ni2B (3), Ni3B (4) (мал.2), проведені по залежності

,
(8)

показують, що при парціальному тиску азоту в зоні контакту  70 – 750 Па і тиску в контакті інструменталь¬ного і обробного матеріалів 1 – 5 ГПа, температура початку взаємодії нітрида бора і мета¬лів складає  1200 С.
Модельні експери¬мен¬ти, пр¬ведені методом ДТА, під¬твердили спра¬ведливість ре¬зультатів, отриманих розра¬хунками.
В умовах модельної тер¬¬мо¬активації контакт¬ної взає¬модії (на¬грів до 1200 С) контак¬туючих зразків із сталі і КНБ на повітрі здійснюється утворення но¬вої хі-мічної речови¬ни, яка міс¬тить -Fe, Cr, O, Al, B, N. Після охолодження утво¬ре¬ний продукт взаємодії кон¬¬тактуючих матеріа¬лів в謬гля¬дає як сукуп¬ність ок¬ремих кристалів різної фор¬ми, що свідчить про його фор¬мування із рідкої фази.
Умови термотрибо¬ак¬ти¬ва¬ції взаємодії реа¬лізо¬ву¬вались безпосередньо в про-цесі різан¬ня покриття. Як видно з отриманих ре¬зультатів, на кон¬тактних ді¬лянках інструменту має місце утворення нових хі¬мічних з’єднань, що під¬тверд¬жується на¬явністю в ОЖЕ-спектрах ліній, від¬повід¬них B, N, O, C, Me і в спектрах по-зитивних вторин¬них іонів лі¬ній, відповідних BN+, MeO+, MeC+, MeB+, MeN+ (табл. 2).
Аналіз отриманих даних і мікрофотографій зношеної час¬тини інстру¬мен¬ту дозволяє заключити, що поряд із взаємним пере¬носом обробного і інстру-мен-тального матеріалів і зміною хімічного складу поверхневих шарів кон¬так¬тних по-вер¬хонь інстру¬менту, має місце зміна складу поверхневого шару і на некон-тактних ділян¬ках, яке вияв¬ля¬ється в утво¬ренні, свого роду, по¬криття на ділянках перед¬ній і задніх поверхнях різця. В залеж¬ності від режимів оброб¬ки і розміру зносу інструменту змі¬ню¬ється зовніш¬ній вигляд по¬криття, його конфі¬гурація і роз¬та¬шування відносно ріжучих кро¬мок і вер¬шини. Порівнян¬ня енерге¬тичних спект¬рів з кон¬тактною поверхнею ін¬стру¬менту і поверхні по¬криття, дозволяє зро-бити висновок, що покриття скла¬дається з окислів, кар¬бідів, нітридів і боридів еле¬мен¬тів, які входять в хімічний склад кон¬так¬тую¬чих матеріалів.

Таблиця 2. Відносний іоний склад поверхневого шару покриття.
Поверх-ня 52Сr+
56Fe+ 52Сr11В+
56Fe+ 52СrN+
56Fe+ 11BN+
56Fe+ 52СrO+
56FeC+
56Fe+ 56Fe11B+
56Fe+ 56FeN+
56Fe+ 56FeO+
56Fe+
Після обробки 0,77 0,77 0,29 0,38 0,63 0,62 0,12 0,37
Після травл. О2 (20 хвл.)
0,82
0,35
0,14
0,22
0,32
0,34
0,08
0,19
Після травл. О2
(30 хвл.)
0,71
0,09
0,07
0,11
0,15
0,15
0,04
0,15

Так як продукти зносу (рідка фаза) вики¬да¬ються з зони кон¬такту в навколишнє середовище і осідають на неконтак¬тую¬чих з об¬роб¬ним матеріа¬лом поверхнях рі-жу¬чого інструменту, то їх час¬тин¬ки знаходяться і в ото¬чуючому зону різання га-зо¬вому просторі. Частинки розплав¬леного мате¬ріа¬лу, попадаючи в повітря, прийма¬ють під дією сил гравітації і поверхневого натягу правильну сферич¬ну фор¬му і кристалі¬зу¬ються в такому вигляді з дендритною структурою. При цьому, вер¬шина ін¬струменту працює в “хма¬рі” із сферичних частинок продуктів взаємодії ін¬стру¬ментального мате¬ріа¬лу з об¬робним і еле¬мен¬тами нав¬ко¬лишнього сере¬до¬ви¬ща, що підтверджено експеримен¬тально (а. с. 1817001). В хімічний склад сферич¬них части¬нок, який визначено спект¬ральним аналізом і на рентге¬нівському мікроаналізаторі, входять елементи, які є в складі контактуючих матеріалів і в навколишньому середовищі (B, N, O, C, Fe, Cr, Si, Al).
Таким чином, наявність в зоні контакту інструменту із стружкою рідкої фази надійно підтверд¬жу¬ється наведеними вище результа¬тами досліджень. Цей ефект має місце і при обробці в різних газо¬вих середовищах – на повітрі, в аргоні і в азоті.
Швидкостям різання 0,5 – 0,75 м/с відповідає середня температура на кон¬-тактній ділянці передньої по¬верхні  700 – 950 С. При таких тем¬пера¬ту¬рах нагріву окислення ін¬струментального мате¬ріалу має низьку інтен¬сив¬ність (мал. 3). В той же час, евтектична рідка фаза в зоні контакту інстру¬мен¬таль¬ного і обробного матеріалів вже є. В таких умовах вплив газових середо¬вищ на знос інструменту пов’язано із знижен¬ням інтенсив¬ності хіміч¬ної взає¬мо¬дії зі збільшенням пар¬ціального тиску азоту (аргон  повітря  азот).
Збільшення швидкості різан¬ня більше 2 -3 м/с супро¬вод¬жу¬єть¬ся зростанням тем¬пе¬ратури на контактних ділянках ін¬струменту більше 1050 – 1200 С. При роботі на повітрі інтенсифіцується окис¬лення інструментального матеріа¬лу. Введення в зону різання аргону знижує окислю¬вальне зношування
ін¬струменту. Азотне середо¬вище, окрім того, міні¬мі¬зує зношу¬вання інстру¬мен¬ту за рахунок змень¬шен¬ня інтенсив¬нос¬ті утворення рідкої фази евтектич¬ного складу на кон¬так¬тних поверхнях інструменту.
Аналіз змін сил і температури різання з ростом швидкості різання при обробці наплавлених і напилених мате¬ріалів показує, що окислення інстру-ментального матеріалу на основі КНБ найбільше впливає на знос інструменту при термобаричних умовах, які відповідають потужності різання більш ніж 1250 – 1350 Вт.
Урахування пропонуємого механіз¬му зношування полікристалів на основі КНБ дозволяє керувати працездатністю ін¬стру¬¬менту як на стадії виробництва ріжучих елементів, так и в процесі його експлуа¬тації. Введення в склад полі¬крис-талу чи тех¬нологічного середовища речовини, яка є інгібітором реакцій взаємодії інстру¬мен¬тального матеріалу з обробним і елемен¬тами навко¬лишнього сере-довища або зсу¬ваю¬чого протікання цих реакцій в більш високотемпературну зону (наприк¬лад, га¬зо¬подібний азот), до¬зво¬ляє збільшити про¬дуктивність оброб-ки виробів за раху¬нок зростання швид¬кості різання і підвищити стійкість ріжучого інструменту.
З ростом параметру H’ працездатність інструменту знижується, що пов’язано з інтенсифікацією обох складових механізму зношування.
П’ятий розділ. Для ефективної обробки наплавлених і напилених покриттів особливе значення має правильний вибір матеріалу ріжучого інструменту. Враховуючи якості обробних матеріалів, вибір матеріалу для інструменту повинен провадитися на основі двох критеріїв.
На першому етапі використовуються методики, які враховують сукупність міцнісних якостей поверхневого шару дослідних матеріалів. Одним з таких методів є деформаційно-спектральний аналіз. Властивості поверхневого шару оцінюються комплексом числених характеристик: m – математичне чекання тангенційної складової сили контактної взаємодії індентора з поверхневим шаром; Dd – дисперсія сили контактної взаємодії; S – енергетична спектральна щільність розподілу сили контактної взаємодії.
Для порівняння властивостей поверхневого шару різних ПНТМ розроблений спосіб оцінки питомих параметрів m’ і Dd’ (а.с. 1758521).
З гами промислово випускаємих в теперішній період інструмен¬тальних мате-ріалів з ПНТМ на основі КНБ і твердих сплавів найбільшу зносостійкість мають полікристали кибориту і композиту 10, які мають високі значення параметру m’ (2,2 – 2,3 Н) при найменьшому розкиді міцнісних властивостей Dd’ (3.10-5 – 10-6 Н2). Меньша працездатність інструменту з твердого сплаву підтверджується значно більш низькою величиною питомої сили контактної взаємодії m’ (0,5 Н) і підвищеним розкидом міцнісних якостей Dd’ (2,7.10-4 Н2) матеріалу.
Для оцінки працездатності інструментів в умовах ударних навантажень в аналіз слід включити параметри, які характеризують руйнування інструмен-тального матеріалу, наприклад, коефіцієнт тріщіностійкості К1c. Беручи до уваги значення К1c (8,16 МПа.м1/2) і результати деформаційно-спект¬рального аналізу, можна зробити висновок, що в умовах ударних динамічних навантажень най-більш високі експлуатаційні якості має ПНТМ киборит.
На другому етапі провадиться експериментальне порівняння працездат¬ності ін¬струментів з вибраних матеріалів. Враховуючи специфічні властивості мате-ріалів наплавлених і напилених покриттів, відносно малу товщину шару і значну вартість покриття найбільш ефективним є метод, оснований на прогнозуємих розрахунках із залученням мінімально необхідних експери¬ментальних даних. На мал. 4 представлені результати такого моделювання стійкісних експериментів.
Відносна ефективність застосування інструменту з дослідного матеріалу визна¬чається крітерієм, який являє собою відношення зносу інструменту (hз) на одиницю знятого матеріалу (Q) в одиницю часу (T), до аналогічного показника для еталону

(9)

В табл. 3. наведені значення критерію Е для обробки ряду покриттів.

Таблиця 3. Відносна ефективність обробки покриттів різцями, оснащеними ПНТМ з кибориту і твердого сплаву Т15К6.
Тип покриття Матеріал покриття Твердість
HRCе Коефіцієнт Е
Наплавка ПП-Нп-18Х1Г1М
ПП-Нп-35В9Х3СФ
Нп-65Г
ЛС-5Х4В3МФС (по корці) 38-42
44-48
45-52
52-55 16,2
24,2
25,4
36,0
Напилення ПГ-СР3
ПГ-10Н-01 47-52
54-60 17,3
24,3

Критерій враховує ефект від застосування інструментального матеріалу за ра-ху¬нок зміни стійкості інструменту і продуктивності обробки. Ефективність засто-су¬¬вання інструменту з ПНТМ зростає із збільшенням твердості обробного матеріалу.
Критерій враховує ефект від застосування інструментального матеріалу за ра-ху¬нок зміни стійкості інструменту і продуктивності обробки. Ефективність засто-су¬¬вання інструменту з ПНТМ зростає із збільшенням твердості обробного матеріалу.
Наведені вище дані з механіки контактної взаємодії, хімічної взаємодії в зоні різання і фактичні результати з працездатності інструментів із різних матеріалів дозволяють, с урахуванням методики Т. М. Лоладзе, сформулю¬вати перелік ви-мог, які висуваються до матеріалу ріжучого інструменту для обробки покриттів:
– механічні властивості: твердість при температурі різання HVи  2 – 6,2 ГПа; границя міцності на стиск сж  0,9 – 3 ГПа; границя міцності на розтяг р  0,3 ГПа; границя міцності при згині и  0,6 ГПа; модуль пружності Е  800 ГПа; коефіцієнт тріщіностійкості К1с  7 МПам1/2;
– поверхневі властивості (навантаження 200 сН; швидкість сканування 2,64 мкм/с): m’ 2,2 Н; Dd’  0,1.10-4 Н2;
– хімічні властивості: термостійкість на повітрі  1200 С; мінімальна інтенсивність взаємодії компонентів інструментального матеріалу з елементами обробного матеріалу (Fe, Cr, Ni, Co, Ti, Mo, W).
Особливості структури і властивості покриттів повинні враховуватися при призначенні режимів обробки.
Глибина різання є одним з основних параметрів умов різання. Однак, при об-роб¬ці покриттів глибина різання меньше впливає на вихідні показники про¬цесу оᬬробки, так як вона невелика із-за невеликої загальної товщини покриття, яка скла¬дає для напилених матеріалів, як правило, 0,5 – 1,0 мм, а також із-за того, що ви¬бір гли¬би¬ни різання підвладен необхідності забезпе¬чення заданої експлуатаційної якості деталі. Це визначає залежність глибини різання від товщини h і твердості HRCе покриття. Для матеріалів системи Ni-Cr-B-Si вона має вигляд (патент України 5507)

(0,54 – 2,45.10-3 HRCэ)h  t  (0,54 – 2,16. 10-3 HRCэ)h. (10)

В загальному вигляді при обробці покриттів глибина різання складається з двох складових – перемінної (в границях нерівного шару покриття) tпрм і постійної (нижче нерівного шару покриття) tпост. Середня величина tпрм може бути визначена за до¬помогою кривої відносної опорної поверхні покриття. Через фрактальну розмір¬ність поверхні D, дисперсію ординат профілю  покриття і довжину зразка L максимальна величина перемінної складової глибини різання визначається залежністю

.
(11)

Вибір подачі пов’язаний з конкретною операцією обробки. Стосовно процесу обробки покриттів обмеження подачі пов’язані з міцністю інстру¬ментального матеріалу і міцності сціплення покриття з основою. Обробка покриттів твердістю HRCе  40 – 45 інструментом з ПНТМ, найбільш ефективних в цьому випадку, провадиться при подачі S

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2019