Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Особенность современного
производства в технологически развитых странах - применение новых
конструкционных материалов, имеющих высокую жаропрочность,
коррозионную стойкость. Причем конструкция подобных материалов может быть композиционной, порошковой, полимерной и др. Это напрямую связано с увеличением требований к характеристикам конечных изделий, от авиационных двигателей до протезов суставов в теле человека. Материал с различными функциональными свойствами необходимо обработать, прежде чем использовать на следующем этапе жизненного цикла конечного изделия. В большинстве случаев по ряду причин (как технологических, так и экономических) в качестве метода обработки выбирают лезвийную обработку резанием, слабым звеном которой является режущий инструмент. В этой связи совершенствование режущего инструмента путем оснащения его инновационными инструментальными материалами с многофункциональным покрытием для повышения эффективности системы резания при обработке функциональных материалов, обычно называемых труднообрабатываемыми, является актуальной задачей металлообрабатывающих производств.
Краткий анализ труднообрабатываемых материалов с точки зрения процесса резания выявил, что основными причинами отказов инструмента можно считать:
— потери формоустойчивости режущей части инструмента (пластическое
разрушение);
- физико-химические виды изнашивания контактных площадок режущего
инструмента, в частности адгезионно-усталостное изнашивание.
Таким образом, при лезвийной обработке труднообрабатываемых материалов возникает задача разработки инструментального материала улучшенного состава с учетом приведенных особенностей процесса резания труднообрабатываемых материалов. Одним из важнейших показателей
инструментального материала в данном случае является повышенная
теплостойкость, которая может быть достигнута за счет применения твердого сплава рационального состава, включающего твердосплавной субстрат повышенной теплостойкости, и многофункциональное наноструктурированное износостойкое покрытие, выполняющее комплекс важных функций.
Научные и практические результаты работы реализованы, в частности, при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ по проекту №2.1.2/13646 в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 гг.)», раздел 2.1. «Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук», проекту № 2.1.2/4385 «Разработка методологии создания наноструктурированной высокопрочной композиционной керамики с многофункциональным покрытием для широкого применения в машиностроении» на 2009-2011 гг.
Цель работы: повышение режущих свойств инструмента из твердого сплава группы ВРК при обработке резанием труднообрабатываемых материалов на основе выбора рационального соотношения состава, структуры и свойств твердого сплава и многослойно-композиционного нано-структурированного покрытия.
Задачи работы:
-
Разработка рационального состава и свойств твердого сплава с Со-Re-связкой в качестве субстрата под нанесение покрытия.
-
Разработка рациональных состава, свойств, параметров и архитектуры многослойно-композиционных наноструктурированных функциональных покрытий для осаждения на сменные многогранные пластины из разработанного твердого сплава.
-
Обоснование выбора параметров процесса осаждения функционального покрытия разработанной архитектуры.
-
Исследование влияния технологических параметров процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения на состав, структуру, параметры и основные свойства композиции «твердый сплав-покрытие».
-
Исследование режущих свойств инструмента из разработанного твердого сплава с функциональными наноструктурированными покрытиями и обоснование области их рационального использования.
-
Проведение аттестационных испытаний инструмента из разработанного твердого сплава с износостойкими покрытиями в лабораторных и производственных условиях.
Методы исследования. Работа выполнена на основе использования фундаментальных положений теории резания материалов и физики твердого тела, а также методов статистического анализа результатов экспериментальных исследований, математического и компьютерного моделирования при теплофизическом анализе процесса резания с использованием программ REZMAT, Cutting Force, Temper.pokr. и др. Изучение получаемых структур твердых сплавов и функциональных покрытий производили на основе современных методов металлографического и металлофизического анализов с использованием методик электронно-сканирующей микроскопии.
Научная новизна заключается в:
- установлении рационального соотношения состава, структуры, свойств
твердого сплава и функциональных покрытий при резании труднообрабаты
ваемых материалов, что позволило повысить режущие свойства инструмента из
этих сплавов в 2-5 раз по сравнению со стандартным инструментом;
- математических моделях процесса фильтруемого вакуумно-дугового
осаждения функциональных покрытий на твердосплавные инструменты,
позволяющих получать функциональные покрытия при рациональных
параметрах процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения.
Практическая ценность. На основе выполненных исследований разработаны:
- процесс получения твердого сплава ВРК13 рационального состава под
покрытие для обработки труднообрабатываемых материалов, позволяющий
повысить теплостойкость связки инструментального материала;
процесс нанесения функционального наноструктурированного покрытия на разработанный твердый сплав при использовании технологии фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО);
рекомендации по применению сменных многогранных пластин (СМП) из разработанного твердого сплава с функциональным покрытием для операций продольного точения труднообрабатываемых материалов, применяемых в авиационном двигателестроении, ракетно-космической, оборонной промышленности, эндопротезировании.
Публикации. Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 14 статьях, из них 5 - в изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК.
Реализация работы. Режущий инструмент из разработанного твердого сплава рационального состава и функционального наноструктурированного покрытия успешно используется на ОАО «Чебоксарский агрегатный завод».
Апробация работы. Материалы настоящей диссертационной работы
были представлены на всероссийских и международных научно-технических
конференциях и симпозиумах, среди которых наиболее важными являются: I
Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в
развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России»
(Муром, МИ ВлГУ, 2009); Международный научный симпозиум
«Автотракторостроение-2009», 65-ая Международная научно-техническая
конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного
автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (Москва, МГТУ МАМИ, 2009); III Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям (Сэров, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2009); I Международная научно-техническая конференция «Современные технологии в газотурбостроении» (Харьков, НТУ «ХПИ», 2009); IV Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов (Сэров, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2010); Международная научно-техническая конференция ААИ
«Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» (Москва, МГТУ «МАМИ», 2010); III Научно-образовательная конференция «Машиностроение - традиции и инновации» (Москва, МГТУ «СТАНКИН», 2010); Международная научно-техническая конференция «Технические науки: проблемы и перспективы» (Санкт-Петербург, 2011).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы, 102 источника. Содержит 182 страницы печатного текста, 46 таблиц, 65 рисунков и фотографий.
