На правах рукописи

ИППОЛИТОВ Владимир Николаевич

Повышение режущих свойств инструментов из быстрорежущей

стали на основе модификации их рабочих поверхностей методом

электроакустического напыления-легирования

Специальность: 05.03.01 - Технологии и оборудование механической

и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА 2007 1 Диссертационная работа выполнена на кафедре «Теория и технология механической обработки» филиала Уфимского государственного авиационного технического университета в городе Ишимбае.

Научный руководитель: к.т.н., доцент В.М. Кишуров

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Анферов Михаил Анисимович;

кандидат технических наук, доцент Латыпов Рашид Рафгатович Ведущее предприятие - ОАО «Салаватнефтемаш»

Защита состоится «_20_»апреля_ 2007 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.288.04 при Уфимском государственном авиационном техническом университете: 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12, УГАТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан «_15_»марта_2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор А.М. Смыслов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Научно-технический прогресс на машиностроительных предприятиях во многом связан с созданием металлорежущих инструментов с более износостойкими рабочими поверхностями и их надежной эксплуатацией.

Широкое применение металлорежущего оборудования с числовым программным управлением и автоматических линий, повышенные требования, предъявляемые к надежности технологического процесса, физикомеханическим свойствам обрабатываемой поверхности, ее шероховатости и точности обработки, требует значительного повышения размерной стойкости инструмента.

В ряде случаев задача повышения существующего ресурса быстрорежущего инструмента при обработке металлов резанием может быть решена в результате модификации (изменения) структурно-фазового состава во всем его объеме за счет использования дефицитных и дорогостоящих легирующих химических элементов, не прибегая к дополнительным методам упрочнения.

Перспективные же направления развития ресурсосберегающих технологий поверхностно-упрочняющей обработки инструмента предполагают освоение и развитие следующих технологий: лазерного упрочнения, ионно-плазменного осаждения покрытий, обработки импульсным магнитным полем, импульсным термоударом, электроискровым легированием, ионной имплантацией, эпиламированием, наплавкой, а также комбинированными методами упрочнения.

Ряд указанных технологий позволяют получать износостойкие покрытия на основе карбидов и нитридов тугоплавких материалов, имеющих высокие показатели твердости и теплостойкости.

При всем многообразии существующих методов упрочнения быстрорежущих инструментов, достаточно сложно обосновать выбор наиболее приемлемого метода нанесения упрочняющего покрытия, поскольку это сопряжено с тщательной проработкой всего технологического цикла изготовления инструмента и дальнейшей его эксплуатации.

Несмотря на несомненные достоинства многих методов упрочнения быстрорежущего инструмента, приводящих к повышению его размерной стойкости, большинство указанных методов – это длительные и дорогостоящие процессы упрочнения. Кроме того, им присущи некоторые ограничения, например, по габаритам, конфигурации и прочим параметрам упрочняемого режущего инструмента. Практически такие ограничения не имеют места при упрочнении рабочих поверхностей инструмента электроакустическим напылением-легированием (ЭЛАН). Однако этот метод упрочнения режущих инструментов в настоящее время не достаточно изучен и внедрен в производство.

Анализ результатов исследований различных авторов и рекомендации по эксплуатации упрочненных инструментов не всегда удовлетворяет запросы современного машиностроительного производства. По ним, даже в первом приближении, в ряде случаев, невозможно прогнозировать размерную стойкость инструментов, точность обрабатываемой детали и физикомеханические свойства обработанной поверхности.

Отсутствие в нормативах научно-обоснованных рекомендаций по выбору оптимальных режимов резания инструментами с модифицированными рабочими поверхностями, часто приводит к тому, что значительные резервы повышения износостойкости металлообрабатывающих инструментов производительности на операциях механической обработки.

Так как определение оптимальных режимов резания связано с проведением чрезвычайно трудоемких, металлоемких и дорогостоящих экспериментальных исследований, большой интерес представляют исследования, направленные на разработку расчетно-аналитических методов определения обрабатываемости металлов резанием.

В связи с вышеизложенным, задача повышения износостойкости быстрорежущего инструмента при обработке конструкционных сталей и разработка расчетно-аналитических методов определения обрабатываемости металлов резанием, инструментами с модифицированными рабочими поверхностями, являются актуальными.

Повышение эффективности процесса механообработки конструкционных сталей за счет использования быстрорежущего инструмента с модифицированными рабочими поверхностями.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Исследовать влияние режимов электроакустического напыления ( I, U, c, f y, ) на качество (шероховатость Rа, сплошность, толщину h и твердость) получаемого износостойкого покрытия. Разработать математические модели (зависимости) определения рациональных характеристик износостойких покрытий.

конструкционных сталей инструментами, подвергнутыми упрочнению электроакустическим напылением-легированием (ЭЛАН) и конденсацией покрытий из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхностей инструмента (КИБ). Выполнить сравнительный анализ полученных результатов.

3. Разработать математические модели (зависимости) определения оптимальной скорости резания и интенсивности износа инструмента при обработке конструкционных сталей быстрорежущими инструментами с модифицированными рабочими поверхностями, осуществить внедрение результатов исследования в производство и учебный процесс.

Методы исследований Для решения поставленных задач использовались основные положения теории резания металлов, трения и износа, методы упрочнения рабочих поверхностей инструмента и многофакторного планирования эксперимента.

В экспериментальных исследованиях использованы как стандартные методики проведения стойкостных и температурных экспериментов, так и ускоренная методика определения оптимальной скорости резания на основе знания температурных зависимостей показателей пластичности и конструкционных сталей при их обработке инструментами с модифицированными рабочими поверхностями.

При разработке математической модели расчета оптимальной скорости резания при обработке конструкционных материалов инструментами с износостойкими покрытиями, применен метод многофакторного планирования экспериментов.

Применялась вычислительная техника с использованием стандартных и специальных программ обработки результатов экспериментов.

Достоверность результатов исследований и выводов подтверждена проверкой адекватности полученных зависимостей и результатами производственных испытаний.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлено, что необходимая толщина, сплошность, твердость и шероховатость износостойкого покрытия и содержание основного упрочняющего элемента в нем обеспечивается оптимальным сочетанием исходной шероховатости упрочняемой поверхности и режимами упрочнения;

режимы упрочнения классифицированы в зависимости от толщины и шероховатости покрытия; разработаны математические зависимости, позволяющие рассчитывать и прогнозировать необходимую толщину и шероховатость износостойкого покрытия;

- установлено соответствие оптимальной температуры резания (о) при обработке конструкционных сталей инструментами из быстрорежущей стали с модифицированными рабочими поверхностями температуре охрупчивания (температуре провала пластичности пп) обрабатываемых материалов, сто позволяет по результатам кратковременных испытаний образцов из обрабатываемых материалов в широком диапазоне температур определить пп, а по ней - оптимальную температуру резания;

- расширен диапазон использования методики ускоренного определения оптимальной скорости резания, разработанной А.Д. Макаровым, В.С. Мухиным, Ю.М. Кичко и В.М. Кишуровым, применительно к обработке конструкционных сталей быстрорежущими инструментами с модифицированными рабочими поверхностями;

- установлена взаимосвязь оптимальной скорости резания V0 с действительным пределом прочности конструкционных сталей Sв; разработана математическая модель оптимальной скорости резания с использованием многофакторного планирования эксперимента, учитывающая влияние действительного предела прочности Sв (при пп) обрабатываемых материалов, режимов резания, геометрии инструмента и параметрического критерия модификации Км, представляющего собой отношение величин прочности модифицированному.

Практическая ценность работы На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований:

- предложены математические зависимости, позволяющие рассчитывать и прогнозировать толщину и шероховатость износостойких покрытий, наносимых методом электроакустического напыления-легирования (ЭЛАН);

- предложена ускоренная методика определения оптимальной скорости резания без проведения длительных и дорогостоящих стойкостных испытаний на основе знания параметров пластичности обрабатываемых материалов f (), f () и кратковременных температурных испытаний при резании;

- на основе положения постоянства оптимальной температуры резания и использования математического планирования эксперимента разработана адекватная математическая модель определения оптимальной скорости резания для любых конструкционных сталей (с в от 500 до 1000 Н/мм2) в широком диапазоне изменения элементов режима резания, геометрических параметров инструмента и параметрического критерия модификации;

- разработанные технология нанесения износостойкого покрытия методом ЭЛАН, методика ускоренного определения Vо и математическая модель оптимальной скорости резания позволяют решать задачи повышения производительности обработки резанием конструкционных сталей инструментами с модифицированными рабочими поверхностями и сокращения сроков и трудоемкости технологической подготовки производства.

Практическая реализация работы Результаты работы внедрены на машиностроительном предприятии ОАО «Витязь»:

- в качестве технологической инструкции и технологии по нанесению износостойких покрытий на рабочие поверхности инструмента на ЭЛАН-3;

- в виде информационного обеспечения по режимам резания конструкционных сталей инструментами с модифицированными рабочими поверхностями.

Научные и практические результаты данной работы вошли в методические указания, используемые в учебном процессе подготовки инженеров по специальностям «Технология машиностроения», «Мехатроника» и «Автоматизация технологических процессов».

На защиту выносятся результаты, полученные лично соискателем 1. Аналитические зависимости толщины и шероховатости износостойкого покрытия, наносимого методом ЭЛАН, позволяющие рассчитывать и прогнозировать параметры наносимого износостойкого покрытия;

классификация режимов упрочнения рабочих поверхностей инструмента.

2. Ускоренная методика определения оптимальной скорости резания при обработке конструкционных сталей инструментами из быстрорежущей стали на основе установленного факта соответствия оптимальной температуры резания с температурой охрупчивания (пп) сталей и проведения кратковременных температурных испытаний.

3. Математическая модель расчета оптимальной скорости резания при точении конструкционных сталей с учетом их действительного предела прочности, режимов резания, геометрии инструмента и параметрического критерия модификации.

Апробация работы и публикации Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе докладывались и обсуждались на:

- научно-практической конференции Оренбургского областного правления ВНТО машиностроителей и Оренбургского политехнического института «Пути повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ». - Оренбург, 1996;

- научно-технической конференции Уфимского государственного авиационного технического университета «Автоматизированные технологии и мехатронные системы в машиностроении». – Уфа, 1997;

- международной научно-технической конференции «Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы». – Уфа, 2004;

- заседании НТС факультета АТС УГАТУ – ноябрь, 2006.

Материалы работы экспонировались и удостоены серебряной медали ВДНХ СССР в 1991 году.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в печатных работах.

Структура и объем работы Диссертация состоит из перечня основных терминов, сокращений, обозначений, символов, введения, пяти глав, списка литературы и приложения, содержит 186 страниц машинописного текста, 101 рисунок, 23 таблицы и наименования использованной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формируются цель и задачи исследования, обсуждается новизна и практическая значимость выносимых на защиту результатов.

В первой главе приведен анализ различных способов модификации рабочих поверхностей инструментов из быстрорежущей стали Р6М5 с целью увеличения эксплуатационной надежности и долговечности инструментов.

Рассмотрены следующие способы модификации инструментов: наплавки, импульсного термического удара, лазерного упрочнения, ионно-плазменного нанесения покрытий, электроискрового напыления-легирования, ионной имплантации, обработки импульсным магнитным полем, эпиламирования, комбинированный метод (КИБ+ионная имплантация).

При анализе методов модификации за основу были взяты работы исследователей: М.А. Анферова, В.А. Белоуса, С.М. Боровского, А.С. Верещяки, С.Н. Григорьева, А.Г. Григорянца, А.А. Грудова, А.П. Гуляева, А.Д. Верхотурова, А.С. Зубенко, Ю.В. Инзарцева, Ю.М. Кичко, В.М. Кишурова, А.В. Коровина, И.В. Крагельского, В.В. Любимова, А.Д. Макарова, Б.В. Малыгина, Н.В. Матвеева, В.М. Мацевитого, В.С. Мухина, В.Н. Подураева, М.С. Поляка, Д.М. Поута, Х. Риссела, И. Руге, Р.Н. Рыкалина, Ю.Н. Сараева, А.М. Смыслова, Н.И. Ташлицкого, И.П. Третьякова, Л.Ш. Шустера, посвященные изучению физических явлений при модификации рабочих поверхностей деталей и инструментов, а также особенностей эксплуатации изделий и инструментов с модифицированными поверхностями.

Установлено, что модифицированные поверхности изделий и инструментов обладают, как правило, повышенной прочностью, твердостью, теплостойкостью и износостойкостью.

Также в первой главе представлены результаты исследований автора о влиянии упрочнения режущих инструментов импульсным термоударом, магнито-импульсной обработкой, наплавкой, эпиламированием, электроискровым напылением, ионной имплантацией на их износостойкость.

Анализ литературных данных показал недостаточную изученность процесса ЭЛАН с точки зрения назначения рациональных режимов нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности инструментов, вида упрочняющего материала, отсутствие комплексных исследований обрабатываемости конструкционных сталей инструментами с упрочненными рабочими поверхностями. Разработка вопросов оптимального резания металлов инструментами с упрочненными рабочими поверхностями удовлетворяет лишь небольшую часть потребностей машиностроительного производства.

Это обусловило необходимость настоящего исследования, определило его основные направления, цель и задачи.

Во второй главе обоснован выбор обрабатываемого и инструментального материалов, приведены методики экспериментальных исследований, установки, оборудование и аппаратура.

Заготовки из конструкционных сталей с в от 500 до 1000 Н/мм2, термообработанные по стандартной технологии, обрабатывались инструментами из быстрорежущей стали Р6М5 (резцы, сверла, метчики, концевые фрезы) на металлорежущих станках моделей ИЖ250ИТП, 1Б240-6К, 2Н125 и СТ276. Износ инструментов по задней поверхности hз измерялся с помощью микроскопа МИР-1 с микрометрической насадкой.

В качестве «упрочняющих» материалов при модификации рабочих поверхностей инструментов приняты твердые сплавы марок ВК8, Т5К10 ГОСТ 3884-74, вольфрам лантанированный (W 98%), Ti, Zr и реактивный газ азот.

В качестве технологического оборудования для осуществления модификаций рабочих поверхностей инструментов применялись:

- установка электроакустического напыления-легирования модели ЭЛАН-3;

- установка ионно-плазменного осаждения покрытий модели ВУ-1Б методом конденсации покрытий из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой (метод КИБ);

- вакуумная имплантационная установка модели ВИУ-1 для имплантации азота в инструментальные материалы.

Исследование микроструктуры модифицированных поверхностей инструментов проводилось с помощью микроскопа ММР-4, химический состав модифицированного слоя определялся с помощью микроанализатора «JХА-6400».

Исходная шероховатость и шероховатость модифицированных поверхностей режущих инструментов определялись с помощью профилометра завода «Калибр» модели 253Х-182. Микротвердость поверхностей измерялась микротвердомером модели ПМТ-3.

Твердость режущего инструмента из стали Р6М5 определяли твердомером модели ТК-14-250 ГОСТ 13407-67.

Исследования адгезионного взаимодействия модифицированного инструментального и обрабатываемого материалов проводили на адгезиометре с использованием методики разработанной проф. Шустером Л.Ш.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса формирования износостойкого покрытия электроакустическим напылением-легированием, включающих в себя отработку режимов нанесения покрытия, марки упрочняющего материала и получение зависимостей рациональных характеристик износостойкого покрытия – толщины h и шероховатости Rа.

Установлено, что максимальная интенсивность искры, при наименьшем рабочем токе, достигается синхронизацией времени электроискрового разряда с положением упрочняющего электрода относительно обрабатываемой поверхности, вибрирующего с ультразвуковой частотой.

Изменение временнго смещения осуществляется сдвигом фаз с шагом в диапазоне от 0 до 360.

Установлен рабочий диапазон изменения технологического тока І в зависимости от величины угла сдвига фазы для заданной ультразвуковой частоты f вибрации упрочняющего электрода, в котором обеспечивается получение необходимых толщины h, шероховатости Rа и сплошности покрытия.

Исследования показали, что толщина h (рисунок 1) и шероховатость Rа (рисунок 2) износостойкого покрытия, нанесенного методом электроакустического напыления-легирования, находится в прямой зависимости от величины рабочего технологического тока и величины емкости разрядного контура.

Установлено, что при больших значениях рабочего технологического тока І (до 5А) и емкости с (до 60мкф) разрядного контура, при нанесении износостойких покрытий методом ЭЛАН, формируются большие по толщине h (до 35мкм) и шероховатости Rа (до 2,8мкм) напыленные слои.

Исследование микроструктуры поверхностного слоя образца после нанесения покрытия при разных режимах (рисунок 3) показало, что общий напыленный слой состоит из «белого» верхнего слоя, состоящего из мелкодисперсных карбидов титана и вольфрама с размером зерна около 80…200 нм.

- зависимость h от с; (I=0,3А, =108, fу=22кГц); - зависимость Ra от с (I=0,3А, U=90В, fу=22кГц);

- зависимость h от I(с=2мкф, =108, fу=22кГц); - зависимость Ra от I (с=2мкф, U=90В, fу=22кГц) Под «белым» слоем располагается подслой состоящий из аустенитномартенситной структуры с включением указанных мелкодисперсных карбидов.

Образование подслоя является следствием термического взаимодействия элементов упрочняющего электрода и материала основы. Высокая адгезия нанесенного покрытия объясняется как интенсивным перемешиванием материала упрочняющего электрода и материала основы инструмента в жидкой фазе с созданием общей микрованны, так и эффекта «проковки»

поверхностного слоя инструмента за счет колебания электрода с определенной ультразвуковой частотой.

Рисунок 3. Микроструктура поверхностного слоя стали Р6М5 после нанесения износостойкого покрытия (электрод Т5К10) с различными режимами х500:

а – (I=0,3А, U=130В, с=30мкф, fу=22,5кГц,, =144); б – (I=5А, U=130В, с=60мкф, fу=20кГц, =108) Установлено, что микротвердость модифицированного поверхностного слоя инструмента распределяется неравномерно по глубине (рисунок 4).

Рисунок. 4 Изменение микротвердости модифицированного Наибольшую микротвердость имеет «белый» приповерхностный слой, в котором, как показал спектральный анализ, содержание вольфрама W и его химических соединений составляет от 28,5% до 48% в зависимости от режима нанесения покрытия.

Анализ результатов исследований позволил выделить и классифицировать 4 основные режима нанесения износостойкого покрытия (таблица 1): «мягкий», «средний», «грубый» и «черновой», оказывающих существенное влияние на параметры формируемого покрытия: толщину, шероховатость и его сплошность.

Таблица Классификация режимов нанесения износостойких покрытий № Наименование Рабочий разрядного нанесенного нанесенного упрочняемой поверхности на шероховатость износостойкого покрытия показали, что чем выше исходная шероховатость упрочняемой поверхности, тем «грубее» требуются значения рабочих режимов протекания процесса упрочнения ( I, U, c, f y, ), при которых формируется качественное покрытие.

При меньшей исходной шероховатости поверхности требуются более «мягкие»

режимы, при которых протекает сам процесс нанесения износостойкого покрытия с получением меньшей шероховатости и более высокой его сплошности.

Математическая обработка экспериментальных данных влияния режимов процесса электроакустического напыления-легирования (технологического тока I от 0,3 до 5 А; напряжения U от 80 до 130 В; емкости разрядного контура с от 2 до 60 мкф; частоты ультразвуковых колебаний электрода fу от 20 до 22, кГц и угла сдвига фазы от 72 до 180) на толщину h и шероховатость нанесенного покрытия Ra позволила получить зависимости (1, 2), позволяющие прогнозировать последние в зависимости от режимов процесса упрочнения На основании исследований адгезионного взаимодействия контактирующих пар по определению нормальных напряжений Рrн, прочности адгезионных связей на срез п и адгезионной составляющей сил трения fМ при различных температурах контакта (до 450С) выбирался материал электрода, обеспечивающий наиболее износостойкое покрытие.

Установлено, что увеличение температуры контакта приводит, с одной стороны, к снижению нормальных напряжений Рrн, с другой, к увеличению адгезионной составляющей сил трения fМ и росту прочности адгезионных связей на срез п, играющей определяющую роль в формировании приконтактной зоны в процессе изнашивания. Наименьшие значения прочности на срез адгезионных связей п и адгезионной составляющей коэффициента трения fМ получены для контактирующей пары 40Х – Р6М5+W. То есть, при использовании W в качестве упрочняющего материала, следует ожидать формирования более износостойкого покрытия на поверхности инструмента.

Критерием оценки эффективности модифицирующего материала может служить параметрический критерий модификации Км, определяемый выражением где п и пм – величины соответственно для неупрочненного и модифицированных инденторов.

Заметим, что чем выше значение Км, тем эффективнее модифицирующий материал.

В четвертой главе приведены результаты комплексных исследований обрабатываемости конструкционных сталей инструментами с модифицированными рабочими поверхностями; предложен способ ускоренного определения оптимальной скорости резания V0; технологические рекомендации по рациональным режимам обработки конструкционных сталей инструментами с упрочненными рабочими поверхностями.

Стойкостные испытания проводили инструментами из стали Р6М упрочненными различными материалами и способами: ЭЛАН – ВК8, Т5К10, W; КИБ – TiN, ZrN;КИБ+ионная имплантация (TiN+N, ZrN+N).

Анализ полученных данных показал, что зависимости hоз f (V ) и l f (V ) носят четко выраженный экстремальный характер (рисунок 5, 6) с точкой перегиба в зоне оптимальных скоростей резания по интенсивности износа инструмента. При этом, уровень оптимальных скоростей резания для инструментов с износостойкими покрытиями по сравнению со стандартными неупрочненными инструментами повышается от 1,15 до 1,5 раза.

Интенсивность износа упрочненного инструмента снижается от 1,1 до 1,8 раза, длина пути резания увеличивается более чем в 2 раза.

Анализ результатов стойкостных испытаний инструментов с разными износостойкими покрытиями при точении стали 40Х и температурных зависимостей прочностных и пластических свойств последней показал, что оптимальная температура резания 0 с одной стороны, практически совпадает с температурой охрупчивания (провала пластичности пп) обрабатываемого материала (рисунок 7), с другой, инвариантна к разным упрочняемым материалам, формирующим износостойкое покрытие (рисунок 5, 6).

Рисунок 5. Влияние скорости резания на Рисунок 6. Влияние скорости резания на интенсивность износа, путь и температуру интенсивность износа, путь и температуру резания при чистовом точении стали 40Х резцами Р6М5с различными покрытиями (t=0,25 мм, s=0,125 мм/об; =1=10, =0, имплантацией рабочих поверхностей =1=45, =0, r=0,5мм):

1 - – стандартный резец; 2 - – напылен W; =1=45, =0, r=0,5мм): 1 - о - стандартный Рисунок 7 Влияние средней температуры контакта на l, hоз,, при точении f () и кратковременных темперастали 40Х резцом Р6М5 упрочненного турных испытаний f (V ).

вольфрамом Установлена зависимость V0 от действительного предела прочности Sв (при пп) (рисунок 8) и подачи s (рисунок 9), при этом с повышением Sв и s оптимальная скорость резания снижается.

при точении стали 40Х резцом при точении стали 40Х резцом s=0,125мм/об): – расчетные;

Для получения математической зависимости Vo f ( S в, s, t, r, K м ), которая бы позволяла определять оптимальную скорость резания для широкого диапазона конструкционных сталей и широкого изменения внешних условий резания, был проведен полный факторный эксперимент 25.

В качестве независимых переменных были взяты: действительный предел прочности Sв, подача s, глубина резания t, радиус резца при вершине r и критерий модификации Км.

Реализация плана (ПФЭ) позволила получить адекватную модель вида y lg V0 1,761281 0,129151 х1 0,166758 х2 0,015127 х3 0,059831 х4 0,072982 х5 (3) или в виде степенной зависимости для натуральных величин V0 10 4, 032057 S в1, 069379 s 0, 699017 t 0,050251 r 0, 2508 K м,998879, м/мин Данная зависимость справедлива при изменении независимых переменных в следующих пределах: Sв=5001000 Н/мм2; s=0,050,15 мм/об; t=0,251,0мм;

Км=11,4 (при толщине напыленного слоя h=2530 мкм, сплошности не менее 75% и шероховатости слоя Rа не более 2мкм).

Экспериментальная проверка показала хорошую сходимость опытных и расчетных значений V0 (рисунок 8, 9), что подтверждает адекватность построенной модели и применимость формул (3) и (4) для практических расчетов.

Анализ результатов исследований адгезионного взаимодействия контактирующих пар и стойкостных экспериментов позволил установить определенную взаимосвязь параметров n и fМ с величиной hозо;с увеличением прочности адгезионных связей на срез n и адгезионной составляющей коэффициента трения fМ интенсивность износа инструмента hозо возрастает (рисунок 10).

Анализ результатов производственных испытаний износостойкости инструментов изготовленных по стандартной технологии - зуборезных резцов и осевого инструмента (сверл, метчиков и концевых фрез) и того же инструмента с модифицированными рабочими поверхностями показал увеличение износостойкости последних: зуборезных резцов от 1,21 до 1,93; метчиков от 2,24 до 2,74; сверл от 1,2 до 1,54 и концевых фрез до 1,7 раза (рисунок 11).

Расчеты экономической эффективности от внедрения инструментов с модифицированными рабочими поверхностями показали, что внедрение инструмента с модифицированными рабочими поверхностями позволит увеличить ресурс работы инструмента, снизить его нормы расхода, повысить производительность и снизить себестоимость обработки изделий.

Рисунок 11. Результаты стойкостных испытаний инструментов из Р6М5:

а - автоматный резец Р6М5 - 40Х (V=30м/мин); б — сверло спиральное 14 Р6М5 -40Х (V=15м/мин); в - метчик М16х2 Р6М5 - 08X17Т (V =6м/мин); г - резцы зуборезные Р6М - 12ХНЗА (V =35м/мин); д - фреза концевая 50 Р6М5 - 45 (V =32м/мин)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. На основе проведенных исследований по упрочнению рабочих поверхностей инструментов электроакустическим напылением-легированием установлено, что качество покрытия: толщина, твердость, сплошность и шероховатость, а также содержание основного упрочняющего элемента – вольфрама и его химических соединений в нем обеспечивается оптимальным сочетанием исходной шероховатости упрочняемой поверхности и режимами упрочнения, при этом с уменьшением исходной шероховатости упрочняемой поверхности происходит увеличение количества упрочняющего элемента в покрытии, снижение шероховатости и увеличение его сплошности; выполнена классификация режимов упрочнения в зависимости от толщины и шероховатости покрытия; разработаны математические зависимости позволяющие рассчитывать и прогнозировать необходимую толщину и шероховатость износостойкого покрытия.

2. Исследования прочностных и пластических свойств конструкционных сталей в широком диапазоне температур, а также их обрабатываемости инструментами из быстрорежущей стали с модифицированными рабочими поверхностями позволили установить, что оптимальная температура резания практически соответствует температуре охрупчивания (температуре провала пластичности пп) обрабатываемых материалов. Эта закономерность позволяет на основе знания зависимостей f (), f () определить значение оптимальной температуры резания 0; проведение кратковременных температурных испытаний при резании f (V ) и знание 0 позволяет определять одну из характеристик обрабатываемости – оптимальную скорость резания V0.

3. Установлена взаимосвязь оптимальной скорости резания V0 с действительным пределом прочности конструкционных сталей Sв; разработана математическая модель оптимальной скорости резания с использованием многофакторного планирования эксперимента, учитывающая влияние действительного предела прочности Sв (при пп) обрабатываемых материалов, режимов резания, геометрии инструмента и параметрического критерия модификации Км, представляющего собой отношение величин прочности адгезионных связей на срез п неупрочненного индентора к модифицированному.

4. Сопоставление расчетных значений V0 с экспериментальными показало их хорошую сходимость и возможность существенного сокращения трудоемких стойкостных исследований при применении методов математического планирования эксперимента.

5. Анализ результатов стойкостных испытаний показал на незначительное расхождение значений оптимальных скоростей рения V0 и интенсивности износа hозо при точении конструкционных сталей инструментами, модифицированными методами КИБ и ЭЛАН. Поэтому для внедрения в производство рекомендован метод ЭЛАН, как менее трудоемкий и более экономичный.

6. Результаты исследований внедрены в производство ОАО «Витязь» с суммарным экономическим эффектом более 700 тыс. руб. в год, в том числе за счет оптимизации процесса механической обработки - 206 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М., Мугафаров М.Ф. Определение оптимальных скоростей резания при точении конструкционных сталей инструментами с модифицированными рабочими поверхностями // Вестник УГАТУ. – Уфа. – 2006. – Т.7, №1(14). – С.199-202.

2. Доброрез А.П., Ипполитов В.Н. Повышение стойкости режущего инструмента методом электроакустического напыления // Пути повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ: Тезисы докладов научнопрактической конференции. – Оренбург: Оренбургский политехнический институт, 1996. – с.38-39.

3. Ипполитов В.Н. К вопросу повышения стойкости режущего инструмента// Автоматизированные технологические и мехатронные системы в машиностроении: Сборник научных трудов. – Уфа, 1997. – с.142-143.

4. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М. Обработка режущего инструмента импульсным магнитным полем // Авиационно-технические системы:

Межвузовский сборник научных трудов. – Уфа, 2004. – с.207-213.

5. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М. Упрочнение ржущего инструмента методом импульсного термоудара // Авиационно-технические системы:

Межвузовский сборник научных трудов. – Уфа, 2004. – с.219-225.

6. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М. Эпиламирование и износостойкость режущего инструмента // Авиационно-технические системы: Межвузовский сборник научных трудов. – Уфа, 2004. – с.233-235.

7. Ипполитов В.Н., Кишуров В.М. К вопросу повышения стойкости инструментов из быстрорежущей стали Р6М5 с износостойкими покрытиями и подвергнутых ионной имплантации // Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы: Сборник трудов международной научно-технической конференции. – Уфа, 2004. – с.21-26.