Технологическое обеспечение качества поверхности керамического инструмента для повышения его износостойкости при обработке закаленных сталей
Одними из наиболее перспективных инструментальных материалов для обработки материалов с твердостью выше 50 HRC являются различные виды инструментальной минералокерамики — оксидно-карбидная, нитридная и др. Эти материалы имеют относительно низкую стоимость исходного сырья, обладают высокой твердостью и термостойкостью в широком диапазоне температур, а также химической пассивностью по отношению… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ
- 1. 1. Преимущества использования инструмента, оснащенного пластинами из минералокерамики при механической обработке закаленных сталей
- 1. 2. Особенности изнашивания инструмента, оснащенного пластинами из минералокерамики, и основные причины его отказа
- 1. 3. Основные направления повышения работоспособности режущих пластин из минералокерамики
- 1. 4. Постановка цели и задач исследований
- Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛАНЕТАРНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПЛАСТИН ИЗ МИНЕРАЛОКЕРАМИКИ
- 2. 1. Оборудование для реализации схемы планетарного движения керамических пластин в процессе шлифования и образцы, используемые при экспериментах
- 2. 2. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое образцов из минералокерамики и глубина дефектного слоя
- 2. 3. Шероховатость поверхности образцов из минералокерамики после шлифования. ^
- Глава 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ В АКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПЛАСТИНЫ ИЗ
- МИНЕРАЛОКЕРАМИКИ
- 3. 1. Возможные эффекты, достигаемые при нанесении покрытий на пластины из минералокерамики
- 3. 2. Особенности нанесения покрытий на пластины из минералокерамики
- 3. 3. Разработка оборудования для нанесения покрытий на пластины из минералокерамики
- 3. 4. Выбор конструкции и состава износостойких покрытий для пластин из минералокерамики, обрабатывающих закаленные стали
- Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ИЗ МИНЕРАЛОКЕРАМИКИ ПРИ РЕЗАНИИ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ
- 4. 1. Оценка прочности на изгиб керамических образцов, прошедших поверхностную обработку
- 4. 2. Эксплутационные испытания керамических пластин, прошедших поверхностную обработку, при резании закаленных сталей
- 4. 3. Шероховатость поверхностного слоя деталей из закаленных сталей, обработанных керамическими пластинами, прошедшими поверхностную обработку
- Глава 5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ИЗ МИНЕРАЛОКЕРАМИКИ С ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКОЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ ИЗ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ
Технологическое обеспечение качества поверхности керамического инструмента для повышения его износостойкости при обработке закаленных сталей (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
В современном производстве вопросы финишной обработки деталей высокой твердости в основном решаются шлифованием. Характерной особенностью шлифования является его высокая теплонапряженность, вызывающая в поверхностном слое деталей структурные превращения и образование значительных остаточных напряжений. Благодаря совершенствованию инструментальных материалов и увеличению жесткости, виброустойчивости и точности перемещений станков, сегодня появилась реальная возможность заменить шлифование высокотвердых материалов лезвийной обработкой.
Одними из наиболее перспективных инструментальных материалов для обработки материалов с твердостью выше 50 HRC являются различные виды инструментальной минералокерамики — оксидно-карбидная, нитридная и др. Эти материалы имеют относительно низкую стоимость исходного сырья, обладают высокой твердостью и термостойкостью в широком диапазоне температур, а также химической пассивностью по отношению к обрабатываемым материалам. Вместе с тем, широкое применение инструмента, оснащенного пластинами из минералокерамики, ограничено из-за его недостаточно высокой надежности, проявляющейся в виде хрупкого разрушения режущей части (скалывания и выкрашивания) в различные периоды работы инструмента.
Так, на отказы, вызванные хрупким разрушением инструментального материала, приходится до 55% всех отказов керамических пластин при точении и до 80% при фрезеровании. Причиной этого являются, во-первых, низкие прочностные свойства и чувствительность минералокерамики к циклическим нагрузками и термическим ударам и, во-вторых, дефекты поверхности, образующиеся при алмазном шлифовании пластин.
Поэтому исследования, направленные на повышение прочностных свойств минералокерамики с целью повышения ее сопротивления хрупкому разрушению и расширения областей технологического применения, являются актуальными.
В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы являлось повышение сопротивления инструмента из минералокерамики хрупкому разрушению при точении и фрезеровании закаленных сталей за счёт улучшения качества поверхностного слоя режущих пластин, обеспечиваемого применением планетарного алмазного шлифования с последующим нанесением вакуумно-плазменных покрытий.
Диссертационная работа выполнялась в рамках совместного проекта МГТУ «СТАНКИН» и Берлинского технического университета «Повышение прочности режущей керамики в результате целенаправленного воздействия на поверхностный слой материала абразивного инструмента и физического осаждения покрытий» (№ 02−02−4 015) и финансировалась Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ) и Немецким научно-исследовательским обществом (DFG).
Научной новизной работы являются:
— установленные функциональные зависимости глубины дефектного слоя и шероховатости поверхности от условий процесса планетарного алмазного шлифования пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики;
— разработанные и научно обоснованные принципы конструирования и нанесения вакуумно-плазменных покрытий на пластины из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики, обеспечивающие повышение сопротивления хрупкому разрушению при обработке закаленных сталей.
Практической ценностью работы являются:
— расчетные формулы для определения глубины дефектного слоя, формируемого при планетарном алмазном шлифовании пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики, в зависимости от режимов шлифования;
— предложенная конструкция и составы вакуумно-плазменных покрытий для пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики, предназначенных для точения и торцевого фрезерования закаленных сталей;
— расчетные формулы для определения стойкости пластин из оксидно-карбидной и нитридной минералокерамики после поверхностной обработки, включающей планетарное алмазное шлифование и нанесение вакуумно-плазменных покрытий, при точении и торцевом фрезеровании закаленных сталей в широком диапазоне режимов резания.
Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки МГТУ «СТАНКИН» и семинаре в Берлинском техническом университете, на Международных научно-технических конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью — 2003» в Звенигороде, «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении — 2003» и «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды -2004» в Бийске, «Производство. Технология. Экология — 2003 и 2004» в Москве, а также были удостоены серебряной медали третьего Московского международного салона инноваций и инвестиций 2003 года.
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Автор выражает благодарность научному руководителю работы д.т.н., профессору С. Н. Григорьеву, всем преподавателям кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» МГТУ «СТАНКИН», а также сотрудникам Технического Университета и Научно-исследовательского института им. О. Гана и JI. Майтнер г. Берлина за помощь, оказанную при выполнении работы.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.
1. Анализ условий работы и причин отказа инструмента, оснащенного пластинами из минералокерамики при обработке закаленных сталей, позволил разработать технологию повышения качества поверхностного слоя пластин, заключающуюся в планетарном алмазном шлифовании и последующем нанесении вакуумно-плазменных покрытий.
2. Сравнительные исследования показателей качества поверхностного слоя керамических пластин после планетарного шлифования и традиционного торцевого шлифования показали, что при использовании планетарной схемы шлифования отмечается снижение значений остаточных напряжений в поверхностном слое в 2−2,5 раза, уменьшение глубины дефектного слоя в 1,3−2 раза и снижение шероховатости обработанной поверхности в 1,3 раза.
3. На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований была разработана технология нанесения износостойких покрытий в вакууме на пластины из неэлектропроводной минералокерамики и предложена конструкция износостойкого покрытия, представляющая собой двухслойную композицию, содержащую адгезионный и износостойкий слои.
4. Методом четырехточечного изгиба установлено, что использование схемы планетарного шлифования в сочетании с нанесением износостойких покрытий позволяет увеличить среднюю прочность на изгиб образцов из оксидно-карбидной керамики на 22%, а из нитридной керамики на 19,5%.
5. На основе обработки результатов эксплуатационных испытаний установлено, что применение разработанных принципов поверхностной обработки увеличивает стойкость пластин из оксидно-карбидной керамики при точении, а из нитридной керамики при фрезеровании закаленных сталей в 1,5−3 раза по сравнению с исходными пластинами. Кроме того, установлено, что поверхностная обработка существенно повышает надежность процесса резания — при точении до 90% всех отказов сводятся к отказам, связанным с достижением износа по задней поверхности пластины установленной величины, а при фрезеровании до 75%.
6. Экспериментально показано, что применение керамических пластин, прошедших поверхностную обработку, включающую планетарное алмазное шлифование и нанесение вакуумно-плазменных покрытий, при точении закаленных сталей с высокой производительностью обеспечивает шероховатость поверхности Ra=0,3−0,6 мкм. Это дает основание рекомендовать использовать точение инструментом, оснащенным пластинами из минералокерамики, вместо шлифования.
Список литературы
- D. Dudzinski, A. Molinari, Н. Schulz. Metal Cutting and High Speed Machining. Kluwer Academic / Plenum Publisher, New York, 2002. 490 p.
- Пронин А.И. Повышение работоспособности инструмента, оснащенного режущей керамикой и сверхтвердыми материалами Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. -Комсомольск-на-Амуре, КГТУ. 1995 г.
- Шлифование металлов / Под ред. Кожуро J1.M. Учебное пособие. М.: Издательство Дизайн ПРО, 2000 г. 352 стр.
- Nabhani Farhad. Wear mechanisms of ultra-hard cutting tools materials. Journal of Materials Processing Technology 115, 2001, p.402−412.
- Luo S.Y., Liao Y.S., Tsai Y.Y. Wear characteristics in turning high hardness alloy steel by ceramic and CBN tools. Journal of Materials Processing Technology 88, 1999, p.114−121.
- D’Errico G.E., Bugliosi S., Calzavarini R., Cuppini D. Wear of advanced ceramics for tool materials. Wear 225−229, 1999, p.267−272.
- Schulz Herbert, Reuter Ulrich. Wear mechanism for the high speed machining of CGI. Production Engineering Vol. VII/1, 2000, рЛ 3−16.
- Li L., He N., Wang M., Wang Z.G. High speed cutting of Inconel 718 coated carbide and ceramic inserts. Journal of Materials Processing Technology 129, 2002, p. 127−130.
- Пронин А.И. Повышение работоспособности инструмента, оснащенного режущей керамикой и сверхтвердыми материалами Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. -Комсомольск-на-Амуре, КГТУ. 1995 г.
- Попов А.И. Повышение работоспособности минералокерамических пластин путем ионной модификации их рабочих поверхностей Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. Санкт-Петербург, СпбТУ. 1993 г.
- Судьин Ю.А. Свойства и особенности применения сверхтвердых материалов и минералокерамики для обработки материалов резанием. Серия X «Подшипниковая промышленность». Москва. 1991. 65с.
- Когина Т.Б. Высокоскоростное резание жаропрочных сплавов на никелевой основе инструментами из минералокерамики. Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. Санкт-Петербург, СпбТУ. 1993 г.
- Бурмистров В.В., Гусев В. В., Каплун В. А., Назаренко В. В. Выбор рациональных параметров процесса алмазного шлифования керамики из нитрида кремния // Сверхтвердые материалы. 1990, № 4. -С. 68−70.
- Н. Tonshoff, Т. Friemuth. Effects of grinding on the performance of cutting tools. Production Engineering Vol. VI/2 (1999), p. 9−15.
- Синопальников В.А., Григорьев C.H. Надежность и диагностика технологических систем. Учебник. -М.: ИЦ Ml ТУ «СТАНКИН», Янус-К. -2003,331с.
- Liu Z.O., Ai X., Zhang Н., Wang Z.T., WanY. Wear patterns and mechanisms of cutting tools in high-speed face milling. Journal of Materials Processing Technology 129, 2002, p.222−226.
- Leopold J. Werkzeuge fur die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Mtinchen, WienCarl. Hanser Verlag, 1999. — 300 s.
- Турин В.Д. Повышение надежности фрезерования сталей за счет диагностирования состояния инструмента по силовым диагностическим признакам. Диссертация на соискание уч. степ. канд. техн. наук по специальности 05.03.01. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2004.
- Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента.-М.: Машиностроение, 1982.-320 с.
- Братухин А.Г., Бондарев Б. И., Полькин И. С., Попов В. Ф. Высокоплотная керамика для резания труднообрабатываемых материалов. СТИН. 1994. № 1, стр. 20−23.
- Вильдман Г. М., Малочкин О. В., Панов B.C. Свойства и закономерности прессования порошков диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттербия: Автореферат. М.: Цветные металлы, 2000, № 5.
- А.С. Верещака, А. Калдос Современные тенденции совершенствования технологической производственной среды // Производство. Технология. Экология: Сборник трудов конференции. Москва: МГТУ «СТАНКИН», 2004. С. 517−551.
- A. Gatto, L. Iuliano. Advanced coated ceramic tools for machining superalloys. 1995, p. 591−605.
- Zhao J., Deng J., Zhang J., Ai X. Failure mechanisms of a whisker-reinforced ceramic tool when machining nickel-based alloys. Wear 208, 1997, p.220−225.
- Васин C.A., Верещака A.C., Кушнер B.C. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: Учеб. для техн. ВУЗов. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001. — 488 с.
- Zhao J., Zhang J., Ai X. Relationship between the thermal shock behavior and cutting performance of a functionally gradient ceramic tool. Journal of Materials Processing Technology 129,2002, p. 161−166.
- K.-H. Zum Gahr, J. Schneider. Surface modification of ceramics for improved tribological properties. 1999, p. 363−370.
- Поляк М.С. Технологические методы упрочнения. Справочник в 2-х томах. М.: СКРИПТ, Машиностроение, 1995, 832 с.
- Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. — 336 с.
- Кабалдин Ю.Г. Механизмы изнашивания рабочей части инструмента из режущей керамики // Вестник машиностроения. 1991, № 2. -С.40−43.
- Фадеев B.C., Аникин В. Н., Максимов А. А. Изнашивание и разрушение оксидной керамики при обработке конструкционных материалов // Цветные металлы. 1989, № 9. -С.97−100.
- Сытник А.А. Повышение эффективности алмазного шлифования многогранных пластин из режущей керамики. Диссертация на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.03.01. Москва, РУДН. 1991 г.
- Никитков Н.В., Рабинович В. Б., Субботин В. Н. Скоростная алмазная обработка деталей из технической керамики. JL: Машиностроение. 1984. 131с.
- Лавриненко В.И., Шкляренко В. В., Шепелев А. А. Шероховатость поверхности керамических пластин при их алмазном шлифовании // Станки и инструмент. 1990, № 10. -С.28−29.
- Кузин В.В. Технологические особенности алмазного шлифования деталей из нитридной керамики // Вестник машиностроения. 2004, № 1. — С.37−41.
- Бурмистров В.В., Гусев В. В., Каплун В. А., Назаренко В. В. Выбор рациональных параметров процесса алмазного шлифования керамики из нитрида кремния // Сверхтвердые материалы. 1990, № 4. -С. 68−70.
- Приварников О.А., Шевченко В. Н. Оценка напряжений, прогибов и механической прочности пластин кремния при шлифовании // Сверхтвердые материалы. 1987, № 3.-С. 52−55.
- Степанов Ю.Н. Разработка и исследование процесса плоского торцевого планетарного шлифования. Автореферат диссертации насоискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.02.08. Пермь, ПГТУ. 2000 г.
- A. Fritsch. Schleifen von Cermets. Dissertation, Universitat Hannover, 1997.
- Гусева Л.Ю. Технологическое обеспечение эффективности алмазной обработки плоских заготовок из термостойкой керамики. Автореферат диссертации на соискание уч. степ, кандидата технических наук, 05.02.08. Санкт-Петербург, СпбТУ. 2000 г.
- Ch. Genzel, М. Broda, D. Dantz, W. Reimers. A self consistemt method for X-ray diffraction analysis of multiayial residual stress fields in the near surface region of polycrystalline materials, II. Examples. J. Appl. Cryst. 32 (1999), p. 779 790.
- E. Macherauch, P. Miiller Das sin vj/-Verfahren der rontgenographischen Spannungsmessung. Zeitschrift angewandte Physik 13 (1961), p. 305−315.
- Абдулов B.H. Розовский Б. Я., Черняков M.K. Повышение эффективности и качества процесса алмазной обработки минералокерамических материалов // Алмазы и сверхтвердые материалы. 1981, № 8. -С.1−2.
- М. Хокинг, В. Васантасри, П. Сидки. Металлические и керамические покрытия: Получение, свойства и применение: Пер. с англ. -М.: Издательство «Мир», 2000 г. 518 с.
- Григорьев С.Н., Верещака А. С., Старков В. К., Кабалдин Ю. Г., Ковалев О. Б. Способ формирования износостойкого покрытия на керамике. SU 1 736 124 Al, С04 В 41/00, С23 С14/48. Авт. свид. СССР № 1 100 049, кл.
- В32 В27/16, 1984. Авт. свид. № 1 520 890 кл. С23 С14/48, 1987. Заявка № 4 609 904/33- опубл. 29.11.88.
- Григорьев С.Н., Боровский В. Г. Разработка технологии нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент на основе минералокерамики и кубического нитрида бора// Обработка металлов. -2003. -№ 3 (20). с. 5−6.
- Зимина Е.Г., Зимин М. С., Помигалова Т. Е. Основы математического моделирования и оптимизации процессов резания металлов и инструментов: Учеб. пособие. -Тюмень, 2002. -111 с.
- Задгенидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука, 1976. — 360 с.
- Судьин Ю.А., Стародубровский В. Н. Технология обработки колец крупногабаритных подшипников на станках с ЧПУ: Обзор. -М.: ЦНИИТЭИавтопром, 1990.