Розглянуто методи зміцнення інструменту, їх переваги і недоліки. Проведено дослідження впливу щільності потужності лазерного випромінювання, варіанти обробки на знос ріжучого інструменту. лазерна обробка забезпечує найкращі фізико-механічні властивості в порівнянні з іншими режимами обробки.

Анотація наукової статті за технологіями матеріалів, автор наукової роботи - Власов С.М., Пікмірзін М.Ю., Власова А.С.


Область наук:
  • технології матеріалів
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал
    парадигма
    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ МЕТОДІВ ЗМІЦНЕННЯ металорізальні інструменти'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ МЕТОДІВ ЗМІЦНЕННЯ металорізальні інструменти»

    ?2019, №2: www.paradigma.science

    УДК 621.9.02

    Власов С. Н., Пікмірзін М. Ю., Власова А. С.

    Аналіз методів зміцнення металорізального

    інструменту

    Анотація. Розглянуто методи зміцнення інструменту, їх переваги і недоліки. Проведено дослідження впливу щільності потужності лазерного випромінювання, варіанти обробки на знос ріжучого інструменту. Лазерна обробка забезпечує найкращі фізико-механічні властивості в порівнянні з іншими режимами обробки.

    Ключові слова: зміцнення ріжучого інструменту, лазерна обробка, методи зміцнення, лазерне випромінювання, фізико-механічні властивості.

    Підвищення культури виробництва, точності і продуктивності обробки різанням визначає необхідність збільшення зносостійкості інструменту, і як наслідок скорочення витрат на різальний інструмент. Велике число методів зміцнення ріжучого інструменту вимагає їх класифікації та детального аналізу областей їх застосування [2, с. 198].

    Характерні особливості процесів зміцнення інструментальних матеріалів дозволяють розбити всі методи на дві групи. До першої групи належать методи, при яких зміцнення поверхневого шару ріжучого інструменту здійснюється шляхом зміни його структури і (або) хімічного складу за рахунок протікання дифузійних реакцій між активними елементами і елементами поверхневого шару інструментального матеріалу. До другої групи належать методи зміцнення поверхневого шару ріжучого інструменту шляхом нанесення зносостійкого покриття, що має диффузионно-адгезионную або адгезионную зв'язок з інструментальної основою.

    Першу групу методів в свою чергу ділять на підгрупи по енергетичним витратам на процес зміцнення:

    - методи механічного зміцнення;

    - методи хіміко-термічної обробки (азотування, цементація, ціанування, нітрооксідірованіе, борирование і ін. в газових, рідких середовищах, вакуумі, тліючому електричному газовому розряді);

    - методи фізичного зміцнення (Електроіскрове легування, магнітне, ультразвукове зміцнення, лазерна, електронно-променева обробка, іонна імплантація) [3, с. 165]

    Серед методів другої групи виділяють:

    - методи плазмового нанесення покриттів;

    - методи детонацонного нанесення покриттів;

    - методи хімічного осадження покриттів;

    - методи фізичного осадження покриттів.

    Поверхневе пластичне деформування (вібраційна, дробеструйная, зміцнення енергією вибуху, електрохімічна пластична обробка) застосовується для підвищення опору втоми і твердості поверхневого шару металу, а також для формування в цьому шарі спрямованих внутрішніх напружень. Механічна обробка застосовується з метою утворення на поверхні механічно зміцненого шару з підвищеною щільністю дефектів кристалічної структури [4, с. 150-151].

    Обмежене застосування для зміцнення інструменту знайшли методи, які використовують енергію вибуху при імпульсному додатку навантаження, причому ефект зміцнення збільшується в міру зростання швидкості в момент удару. У приповерхневих шарах інструментального матеріалу відбувається високий локальний нагрів, наслідком чого є фазове перетворення. Одночасно відбуваються процеси, властиві зміцнення при звичайних швидкостях деформування (двойникование, зрушення, фрагментація і т. Д.).

    В результаті механічного зміцнення інструменту зі швидкорізальної сталі і твердого сплаву збільшується середня стійкість в 1,5 - 2 рази, на 20 - 30% знижується коефіцієнт варіації стійкості.

    Основними перевагами хіміко-термічної обробки (ХТО) є можливість зміни властивостей поверхневого шару варіюванням хімічного складу, створення бажаного поєднання властивостей поверхні інструменту і його серцевини. ХТО дозволяє змінювати градієнт властивостей покриття в напрямку від поверхні до серцевини. Це досягається за рахунок дифузійного насичення поверхневого шару яким-небудь елементом, що знаходяться в атомарному стані і здатним розчинятися в базовому матеріалі.

    Останнім часом вакуумне ХТО знаходить все більш широке застосування через низку переваг: отримання чистої неокисленого поверхні, зменшення припусків на чистову обробку, зменшення витрат на оснащення, допоміжний матеріал, підвищена продуктивність процесу [7, с. 37]. ХТО забезпечує повішення стійкості різального інструменту в 1,5 - 2,5 рази.

    Метод електроіскрового легування застосовують тільки для зміцнення РІ зі швидкорізальної сталі. Зміцнення проводиться під дією електричного розряду малої потужності на повітрі з застосуванням стандартних твердих сплавів груп ВК і ТК, карбідів і нітридів тугоплавких металів, в результаті чого утворюються гартівні структури і складні хімічні сполуки. Отримані після легування шари відрізняються високою твердістю і значною товщиною шару (до 120 мкм). Обмежене застосування методу ЕІЛ пов'язано

    в основному зі збільшенням шорсткості поверхневого шару після зміцнення, що змушує додатково обробляти поверхню РІ.

    Сутність іонної імплантації полягає в бомбардуванні поверхні інструментального матеріалу високошвидкісними іонами, в результаті чого відбувається впровадження іонів атомів легуючого елемента в повеохностний шар інструментального матеріалу. Незважаючи на малу величину впровадження іонів при бомбардуванні (близько 1 мкм) Іонна імплантація викликає значні зміни фізікомеханіческіх властивостей - підвищення щільності дефектів, зміна періоду кристалічної решітки. Іонна імплантація дозволяє істотно змінити зносостійкість, твердість, фрикційні властивості поверхневого шару [6, с. 7-8]. Як імплантують елементів найчастіше використовуються інертні гази, вуглець, азот, і ін. Перевагою цього методу є можливість варіювання властивостей поверхневого шару ріжучого інструменту, а також проведення процесу при низьких температурах, що виключає можливість деформації длінноразмерной інструменту і дозволяє зміцнювати ріжучі інструменти, виготовлені з нізкотеплостойкіх інструментальних матеріалів і малорозмірних інструмент. Іонна імплантація не отримала поки широкого застосування внаслідок складності застосовуваного обладнання та високої його вартості.

    Обробка інструменту високоенергетичними пучками (лазерна, електронно-променева) дозволяє отримати дрібнодисперсні гартівні структури з високою твердістю. Перевагою цих методів є відсутність деформацій і можливість контролю структури і властивостей інструментального матеріалу, можливість автоматизації процесу. Підвищення стійкості різального інструмента досягається в 2 - 2,5 рази при обробці конструкційних і низьколегованих сталей.

    До недоліків методу плазмового нанесення покриттів можна віднести високі вимоги до якості оброблюваної поверхні, висока пористість покриттів, підвищений рівень шуму обладнання.

    Методи детонацонного нанесення покриттів не знайшли широкого застосування внаслідок низької продуктивності, підвищеним вимогам техніки безпеки і високого уровеня шуму при нанесенні покриттів.

    Методи хімічного осадження покриттів засновані на конденсації газоподібних сполук на поверхні РІ з подальшим утворенням твердих опадів і дозволяє отримати високоміцні шари з карбідів, оксидів, нітридів та інших високотвердих з'єднань, що забезпечує підвищення періоду стійкості до 4 разів. Методи реалізуються при високій температурі, тому його застосовують для нанесення покриттів на твердосплавний інструмент. До недоліків методу слід віднести

    освіту тендітної ^ -фази на кордоні покриття і інструментального матеріалу.

    Методи фізичного осадження покриттів засновані на випаровуванні речовини в вакуумі з подачею реакційного газу (азот, метан та ін.). Різниця методів фізичного осадження покриттів полягає в принципах фізичного випаровування речовини, різного ступеня іонізації іонного потоку, конструктивних особливостях установок.

    Широкі можливості варіювання температури в зонах нанесення покриттів дозволяють використовувати методи фізичного осадження покриттів як універсальні для нанесення покриттів на ріжучий інструмент з швидкорізальної сталі і твердого сплаву. Застосування методів фізичного осадження покриттів для отримання покриттів на ріжучому інструменті істотно розширює його технологічні можливості завдяки більш ефективному управлінню процесами отримання покриттів.

    У нашій країні і за кордоном широко застосовується метод КІБ, що має низку переваг у порівнянні з іншими методами нанесення покриттів [1, с. 134]. Можливість регулювання температури осадження покриття дозволяє використовувати його для нанесення покриттів як на твердосплавний інструмент, так і на ріжучий інструмент з швидкорізальної сталі. До переваг методу слід віднести можливість нанесення покриття різного складу і конструкції, високу продуктивність процесу і якість покриттів.

    Метод КІБ заснований на генерації речовини катодних плямою вакуумної дуги, що розвивається в парах матеріалу катода. Подача в камеру реагують газів в умовах іонного бомбардування призводить до конденсації покриття на поверхні інструменту завдяки протіканню плазмохимических реакцій. Метод КІБ є сукупністю двох послідовно протікають процесів - іонного бомбардування поверхні інструментального матеріалу і конденсації покриття. Іонне бомбардування дозволяє домогтися хімічної чистоти і активації поверхні інструментального матеріалу безпосередньо перед нанесенням покриття.

    Основні напрямки вдосконалення ріжучого інструменту в плані підвищення його зносостійкості і опірності пластичного руйнування з покриттям визначаються комплексом чинників, які пов'язані з удосконаленням властивостей зміцненого шару, а також з оптимізацією умов використання інструменту.

    З метою розширення можливостей варіювання властивостей інструментальних матеріалів в результаті вдосконалення різних процесів зміцнення останнім часом створюються комбіновані технології, що включають в себе попередню основну зміцнюючу

    www.paradigma.science

    операцію (наприклад, вакуумне ХТО) і додаткову (наприклад, лазерну обробку). Додаткова обробка інструменту з покриттям, що має значне число дефектів або низьку міцність адгезійного зв'язку з інструментальним матеріалом, дозволяє впливати на структуру покриття, усувати її дефекти, збільшувати міцність зчеплення покриття та матриці [1, с. 165].

    Так, наприклад, в роботі [5, с. 113] вказується на ефективність застосування алмазного вигладжування нітрідотітанового покриття інструментом, що має радіус при вершині 2,5 мм. Додаткове деформування покриття знижує число дефектів покриття, викликає структурні зміни в поверхневому шарі інструментального матеріалу.

    Інструменти після комбінованої зміцнюючої обробки мають період стійкості в 2,5 раз вище періоду стійкості інструменту зі звичайними покриттями, що забезпечується підвищенням зносостійкості інструментальної композиції, більш сприятливим розподілом залишкових напружень в покритті, зниженням градієнта напружень на кордоні "покриття - інструментальний матеріал", оптимізацією структури покриття, заліковуванням дефектів покриттів [1, с. 177].

    Для визначення технологічних параметрів КУО були проведені дослідження впливу щільності потужності лазерного випромінювання, товщини і складу покриттів, варіанти КУО на інтенсивність зносу РІ. Встановлено, що криві, що відображають зміну інтенсивності зносу від щільності потужності лазерного випромінювання та товщини покриття (рисунок), мають мінімум, координати якого визначають технологічні параметри КУО (щільність потужності лазерного випромінювання та товщину покриття), що забезпечують мінімальну інтенсивність зносу РІ. При збільшенні щільності потужності лазерного випромінювання до значень 3,6-104 -

    4 2

    3,9-10 Вт / см (в залежності від типу покриття і матеріалу інструментальної основи) інтенсивність зносу зменшується внаслідок підвищення мікротвердості покриття і міцності його зчеплення з інструментальної основою. Подальше зростання щільності потужності лазерного випромінювання веде до зниження мікротвердості покриття і міцності адгезійного зв'язку основи і покриття і викликає збільшення інтенсивності зносу РІ. Ступінь зниження інтенсивності зносу РІ визначається матеріалом інструментальної основи, типом покриття і варіантом КУО. При обробці заготовок зі сталі 30ХГСА інтенсивність зносу РІ, минулого КУО, знизилася в 1,5 - 2 рази, зі сталі 12Х18Н10Т - в 1,3 - 1,5 рази.

    В результаті проведених досліджень визначені технологічні параметри КУО, які представлені в таблиці.

    www.paradigma.science

    А 4,2

    J-10-5 3,2

    2,2

    24 32 40 кВт / см 2 56

    q

    Малюнок. Залежність інтенсивності зношування інструменту з твердого сплаву МК8 від щільності потужності лазерного випромінювання q і товщини покриття Ь.П при точінні сталі 30ХГСА: V = 170 м / хв, б = 0,3 мм / об, t = 0,75 мм; покриття - Т1К

    Таблиця. Рекомендовані режими комбінованої зміцнюючої обробки

    Інструментальний матеріал Оброблюваний матеріал

    30ХГСА 12Х18Н10Т

    q, кВт / см2 h ^ мкм q, кВт / см2 h ^ мкм

    Р6М5К5 + ЛО + т 36 4,5 36 4,0

    Р6М5К5 + т + ЛО 39 5,5 39 5,0

    Р6М5К5 + ЛО + (Г ^ Г ^ 36 5,0 36 4,5

    Р6М5К5 + (П ^ г) №ЛО 38 6,0 37 5,0

    Р6М5К5 + ЛО + (Ti, Zr) CN 36 5,0 36 4,5

    Р6М5К5 + (Ti, Zr) CN + ЛО 37 5,5 36 5,0

    МК8 + т + ЛО 34 6,0 33 5,0

    МКВ + ^^ г ^ + ЛО 32 6,0 32 5,5

    МО + ^^ г ^ + ЛО 32 6,0 31 5,0

    В цілому, аналізуючи матеріали проведеної роботи, можна відзначити наступне. Встановлено вплив лазерної обробки багатошарового покриття на його механічні властивості, в результаті чого показано, що мікротвердість багатошарового покриття визначається товщиною шарів в покритті і їх властивостями. Виявлено, що лазерна обробка багатошарового покриття збільшує міцність зв'язку покриття з інструментальної основою і когезійну міцність покриття. Лазерна обробка покриття при щільності потужності випромінювання 2,4 Вт / см забезпечує найкращі фізико-механічні властивості покриття в порівнянні з іншими режимами лазерної обробки. для двошарових

    покриттів TiN-TiCN і TiCN-TiN мінімальний знос ріжучого інструменту забезпечують конструкції з товщиною внутрішнього твердого шару, що становить 75% від загальної товщини покриття і пройшли лазерну обробку при щільності потужності лазерного випромінювання близько 2,4 Вт / см. Збільшення щільності потужності лазерного випромінювання дозволяє підвищити працездатність ріжучого інструменту з покриттям. Верхнє значення цієї величини обмежена фізичними властивостями (теплостійкість) інструментальної основи. Найбільше підвищення стійкості ріжучого інструменту спостерігалося з покриттям TiCN-TiN після лазерної обробки, і це підвищення склало 3,67 в порівнянні з покриттям ТМ

    бібліографічний список

    1. Верещака А.С., Третьяков І.П. Ріжучі інструменти зі зносостійкими покриттями / А.С. Верещака, І.П. Третьяков. \ М .: Машинобудування, 1986. - 196 с.

    2. Верхотуров А. Д., Муха І.М. Техніка електроіскрового легування металевих поверхонь / А.Д. Верхотуров, І.М. Муха. - Київ .: Техніка, 1982. - 181 с.

    3. Гусєва М.І. Іонна імплантація в металах // Поверхня. Фізика, хімія, механіка / М.І. Гусєва. - 1982. - № 4. - С. 27-56.

    4. Коваленко В.С. Прогресивні методи лазерної обробки матеріалів / В.С. Коваленко. - Київ .: Вища школа, 1985. - 88 с.

    5. Лахтин Ю.М., Коган Ю.Д. Азотування сталі / Ю.М. Лахтін, Ю.Д. Коган. - М .: Машинобудування, 1976. - 256 с.

    6. Тарасов А.Н. Вакуумна нитроцементация малорозмірних інструменту // Металознавство та термічна обробка металів / О.М. Тарасов. - 1994. - №4. - С. 6-9.

    7. Хворостухін А.Л., Білих Л.І., Куксенова А.І. Дослідження структурних змін в покритті нітриду титану при алмазного вигладжування // Фізика і хімія обробки матеріалів / А.Л. Хворостухін, Л.І. Білих, А.І. Куксенова. - 1986. - №5 -6. -С.111-114.

    Власов Станіслав Миколайович

    к.т.н., доцент, Дімітровградський інженерно-технологічний інститут - філія Національного дослідницького ядерного університету «МІФІ», Росія, м Димитровград

    Пікмірзін Максим Юрійович

    магістрант, Дімітровградський інженерно-технологічний інститут - філія Національного дослідницького ядерного університету «МІФІ», Росія, м Димитровград

    Власова Анастасія Станіславівна

    студентка, Ульяновський державний університет

    Росія, Ульяновськ


    Ключові слова: ЗМІЦНЕННЯ різальний інструмент / Лазерна обробка / МЕТОДИ ЗМІЦНЕННЯ / ЛАЗЕРНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ / ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити