Введение к работе
Актуальность темы. Современные состояния получения и использования поверхности и покрытия режущих инструментов не формируют достаточного комплекса свойств материала инструмента и не обеспечивают необходимую систему характеристик технологического процесса механической обработки, ресурса работоспособности инструмента, качества и эффективности изготовления деталей машин.
Для исследования инструмента и технологии резания актуально привлечение новой методологии системного анализа, основанной на принципах самоорганизации. Настоятельна проблема преобразования поверхности материала инструмента, особенно самоорганизацией покрытия, для улучшения потребительских качеств поверхности обрабатываемых деталей. Назрело решение проблемы износоразрушения инструмента резания, прежде всего поверхности, которое является главным тормозом надежной эксплуатации инструмента, особенно при интенсификации процесса механической автоматизированной обработки.
Новые результаты, полученные износоразрушительным испытанием инструментов с покрытиями создают, более целостную картину процесса от существующего к возникающему при обработке деталей инструментом. Применение микроскопических методов для исследования поверхностей создаёт новое представление о микроэлементах материалов инструмента и детали, являющихся первоносителями макропараметров состояния.
Работа по исследованию износоразрушения поверхностей материалов инструмента резания и деталей машин содержит вариант решения задачи о поверхности и предлагает научно обоснованные технологические разработки, обеспечивающие решение важной прикладной задачи по использованию режущего инструмента с поверхностью, усовершенствованной покрытием для повышения точности и производительности обработки.
Цель работы: Повысить эффективность процессов резания совершенствованием условий получения и эксплуатации инструментов с покрытиями.
Общие методики: вакуумно-плазменное нанесение покрытий на твердосплавные режущие пластины; растровая электронная микроскопия с микроанализом и системным фотомикрографированием; интенсивное точение инструментом цилиндра или торца валов или дисков; истирание инструмента о цилиндрическое контртело на машине трения; анализ процессов и объектов технологии обработки по методологии системного подхода и принципам самоорганизации; испытание опытных образцов инструментов в технологических процессах практической обработки деталей.
Достоверность полученных результатов исследования подтверждается согласованностью теоретических и практических положений, экспериментальных данных лабораторных и производственных испытаний, использованием результатов в практических технологиях нанесения покрытий и резания материалов, итогами внедрения. Научная новизна.
Выявлены десять областей знания, с ключевой ролью самоорганизации, для освещения явлений и процессов обработки в технологической системе.
Получена система фотомикрографий изменения обнаруженной микроструктуры материалов поверхности режущего инструмента.
Определено неравномерное влияние покрытия на высокотемпературную ударную прочность твердосплавной режущей пластины. Обнаружено множественное разрушение нитридных покрытий самоорганизацией -элементарных разрывов в систему микротрещин.
Разработан эффективный технологический приём износоразруши-тельного испытания режущих пластин интенсивным точением цилиндра валов, или торца дисков. Установлено различие в увеличении сопротивления износоразрушению ряда нитридных покрытий. Выработаны предложения о наилучшем использовании пластин с покрытиями при определённых повышенных скоростях резания и на возможно малых подачах.
Предложено положительный эффект защиты поверхности покрытием объяснить повышением износосопротивительного комплекса свойств. Разработан новый методический приём расчёта прогнозирующей оценки ресурса работоспособности поверхности материала инструмента.
Показано влияние изменений нитридных покрытий на размерный износ инструмента, качество обработанной поверхности деталей, характеристики стружки и показатели предельных режимов резания.
Установлены изменения уменьшения модельных показателей трения при нитридоциркониевом покрытии на безвольфрамовых твердосплавных режущих пластинах. Обнаружен эффект сложного самоперераспределения микроэлементов пластины, покрытия и детали в процессах покрытия, разрушения, трения и резания.
Обнаружено существенное влияние покрытия инструмента резания на повышение точности и производительности обработки деталей машин. Предлагается использовать в теоретических разработках для практических технологий определенные критические и закритические скорости резания для пар материалов: инструмент-деталь. Повышение технологической производительности на закритических скоростях резания предлагается объяснить синергетикой процесса и самоорганизацией структур материалов.
Практическая значимость результатов исследования:
установленные закономерности изменения покрытием механизма износоразрушения рабочих поверхностей режущих пластин инструментов в процессах интенсивного точения позволяют прогнозировать разработку новых эффективных технологических приёмов, средств и материалов для увеличения ресурса сопротивления износоразрушению поверхности материала инструмента резания;
по разработанной методике интенсивного полноресурсного испытания режущих пластин установлены предельные режимы резания инструментом с покрытиями, дающие возможность определить наилучшие рабочие параметры резания в конкретных производственных условиях;
установленные преобразования микроструктуры и элементного состава поверхности инструмента покрытием, разрушением, трением и-или резанием позволяют контролировать процессы и вырабатывать необходимые рекомендации, способствующие увеличению работоспособности инструмента, точности и производительности обработки деталей;
по разработанной методике расчета прогнозирующей оценки ресурса работоспособности поверхности материала инструмента резания определяются значения конкретных сравнительных величин, дающие возможность установить наилучший материал поверхности инструмента для данных условий обработки деталей машин.
Реализация. Результаты работы в виде рекомендаций и данных производственных испытаний переданы для внедрения с экономическим эффектом в расчете на год: ОАО «Тюменские моторостроители» 191 тыс. руб., АОЗТ «Тюменское автотракторное электрооборудование» 113 тыс. руб., ОАО « Тюменский электромеханический завод» 152 тыс. руб.
На защиту выносятся результаты систематических исследований преобразования поверхностей инструментов и деталей процессами покрытия, разрушения, трения и резания, теоретические обобщения полученных результатов и их приложение к практике технологического использования.
Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждены на конференциях: междунар. "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень, 1981, 1993, 1996), сибир. "Новые материалы и технологии в машиностроении" (Тюмень, 1984, 1988, 1990-93, 1996-98), всеросс. "Опыт применения СОТС при обработке резанием" (Нижний Новгород, 1987), междунар. "Механика разрушения материалов" (Львов, 1987), междунар. "Интенсификация и оптимизация обработки резанием" (Львов, 1988), междунар. "Динамика станочных систем ГАП" (Тольятти, 1988), урал. "применение САПР режущих инструментов и технологических процессов" (Екатеринбург, 1989), междунар. "Новые технологии получения слоистых материалов и композиционных покрытий" (Магнитогорск, 1989 и Сочи, 1992), урал. "Совершенст-
вование процессов резания" (Курган, 1990), междунар. "Нанесение покрытий" (Луганск, 1988 и Ивано-Франковск, 1990), сибир. "Инструментальное обеспечение автоматизированных систем механообработки" (Иркутск, 1990), поволж. "Концентрированные потоки энергии в обработке и соединении материалов" (Пенза, 1991, 1992), урал. "Вопросы проектирования, изготовления и эксплуатации режущего инструмента" (Екатеринбург, 1987, 1991), урал. "Выбор конструкций и режимов резания при эксплуатации твердосплавного инструмента" (Екатеринбург, 1987, 1991), междунар. "Современное состояние и перспективы развития процессов резания" (Киев, 1992), всеросс. "Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии" (Москва, 1996), междунар. "Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях "(Комс.-на-Амуре, 1998), междунар. "Технологии ремонта машин, механизмов и обору дования"(Алушта, 1999),урал. "Повышение эффективности технологических процессов изготовления деталей машин"(Курган, 1999).
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 25 избранных работах, в том числе 4 статьях и 21 тезисе докладов в материалах конференций: 7 междунар., 2 всеросс, 11 регион. (4 сибир., 4 урал., 3 поволж.) и 1 обл. уровней.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из предисловия, шести глав, выводов, приложения и литературы. Работа изложена на 184 страницах, включая 67 рисунков и 24 таблицы. Список литературы содержит 120 системно выбранных библиографических описаний документов.