Повышение работоспособности токарных резцов, работающих в условиях стесненного резания, путём совершенствования износостойких покрытий

Широкое использование механизированного и автоматизированного станочного оборудования (механические участки, автоматические линии, гибкие производственные модули, обрабатывающие центры и т. д.), повышение производительности процессов лезвийной обработки изделий ужесточает условия эксплуатации режущего инструмента, увеличивая его расход на единицу выпускаемой продукции. Поэтому на современном этапе развития машиностроительного комплекса эффективность металлорежущего оборудования в немалой мере зависит от работоспособности режущего инструмента, что является важной народно-хозяйственной задачей, решение которой обеспечит дальнейшую интенсификацию производства и повышение качества выпускаемой продукции.

Одним из наиболее эффективных путей повышения работоспособности режущего инструмента является нанесение на его рабочие поверхности износостойких покрытий. Наибольшее применение из методов нанесения покрытий получил метод конденсации вещества в вакууме с ионной бомбардировкой поверхности (КИБ). Известно, что строение покрытия, его физико-механические и теплофизические свойства могут значительно отличаться от соответствующих свойств инструментального материала и увеличивать сопротивляемость контактных площадок режущего инструмента макрои микроразрушениям, а также влиять на характеристики процесса резания. Однако в ряде случаев, эффективное применение подобного инструмента снижается вследствие нестабильных характеристик износостойкого покрытия, недостаточной адгезии к инструментальной основе и невысокой прочности самого материала покрытия.

Наиболее широкое применение в промышленности имеют однослойные одноэлементные покрытия, но их эффективность не всегда устраивает. Дальнейшим путем совершенствования режущего инструмента с покрытием является нанесение многослойных покрытий, обладающих свойствами, отличными от свойств каждого слоя в отдельности. Однако до настоящего времени не выявлены требования, которым должны отвечать многослойные покрытия для обеспечения максимальной эффективности режущего инструмента, работающего в условиях стесненного резания. Существующие принципы построения многослойных покрытий не учитывают вид обработки и условия резания.

Поэтому дальнейшее развитие теоретико-экспериментальных исследований, связанных с процессами формирования многослойных покрытий, изучением механизмов повышения прочности композиции покрытия, его структурных и механических свойств во взаимосвязи с износом инструмента, позволит разработать новые способы нанесения многослойных покрытий применительно к различным обрабатываемым материалам и методам обработки, а также наносить покрытия с заранее заданными и стабильно получаемыми свойствами, что, в конечном итоге, способно привести к существенному повышению работоспособности режущего инструмента.

Работа выполнена на кафедре «Металлорежущие станки и инструменты» Ульяновского государственного технического университета (Ул-ГТУ) в рамках госбюджетных НИР УлГТУ и федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 — 2010 годы)».

В настоящей работе представлены результаты теоретико-экспериментальных исследований механизма изнашивания, теплового и напряженного состояния режущего клина отрезного режущего инструмента с однослойными покрытиями различного состава. На основе данных исследований сформулированы требования, предъявляемые к покрытиям для режущего инструмента, работающего в условиях стесненного резания, и предложен принцип формирования многослойных покрытий. В соответствии с данным принципом разработан ряд многослойных покрытий. В экспериментальной части работы представлены результаты определения рациональной конструкции многослойных покрытий на основе исследований их структурных и механических свойств и интенсивности изнашивания инструмента при точении заготовок из конструкционных сталейприводятся технологические режимы нанесения многослойных покрытий. В заключении работы представлены результаты исследования работоспособности, опытно-промышленных испытаний режущего инструмента с рациональными конструкциями многослойных покрытий и расчет экономической эффективности их применения.

На защиту выносятся основные положения:

1. Методика оценки теплового состояния токарного отрезного резца, работающего в условиях стесненного резания.

2. Результаты теоретико-экспериментальных исследований влияния состава покрытий на тепловое и напряженное состояние режущего клина инструмента на операциях отрезки заготовок и прорезки канавок.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния конструкции многослойных покрытий на их структурные параметры, механические свойства и изнашивание режущего инструмента.

4. Новые конструкции многослойных покрытий, предназначенные для режущего инструмента, работающего на операциях отрезки заготовок и прорезки канавок.

5. Результаты экспериментальных исследований работоспособности режущего инструмента с разработанными многослойными покрытиями при точении канавок на заготовках из углеродистой, низколегированной и нержавеющей сталей, а также результаты опытно-промышленных испытаний.

Работа выполнена с использованием основных положений теории резания металлов, современных методов микрорентгеноструктурного анализа, математических методов моделирования и статистической обработки экспериментальных данных на ЭВМ. Теоретические положения работы подтверждены лабораторными исследованиями и производственными испытаниями.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— разработаны новые конструкции многослойных покрытий, обеспечивающие высокую работоспособность токарных отрезных резцов;

— разработаны технологические рекомендации по составам слоев, общей толщине и соотношению толщин слоев многослойного покрытия, предназначенных для токарных отрезных резцов, работающих в стесненных условиях резания;

— разработаны технологические параметры нанесения многослойных покрытий;

— опытно-промышленные испытания, выполненные в производственных условиях ООО «УАЗ-Техинструмент» (г. Ульяновск), подтвердили высокую работоспособность режущего инструмента с разработанными многослойными покрытиями. Технологические рекомендации по нанесению покрытий переданы ООО «УАЗ-Техинструмент» для использования в производстве.

Основные положения доложены на международных, всероссийских, региональных конференциях, научно-технических семинарах. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в т. ч. 2 статьи в журналах по перечню ВАК, получено 4 патента на изобретение и 5 патентов на полезные модели.