Повышение работоспособности твердосплавного инструмента и качества обработанных поверхностей при сухом резании различных конструкционных материалов

За последние десятилетия машиностроительные производства достигли значительного прогресса. Современные производства вплотную приблизились к возможности обеспечения предельного (нанометрического) диапазона точности обработанных изделий. Создается новое станочное оборудование и инструментальные системы, позволяющее вести процессы обработки на высоких и сверхвысоких скоростях резания без применения смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС). Реализуется концепция экологически безопасной обработки при обеспечении высокого уровня функциональных, эстетических и экологических свойств изделий. Отмечается все большая ориентация производственной технологической среды на требования рынка, причем эти требования определяют не только качественные характеристики конечного продукта, но и диктуют условия производству на всех этапах конструкторских разработок, технологической проработки, освоения, непосредственного производства и т. д.

В современных машиностроительных производствах значительную долю трудоемкости при изготовлении деталей составляет традиционная обработка металлов резанием, которая характеризуются созданием и внедрением новых обрабатываемых материалов, инновационных конструкций деталей и изделий, использованием систем автоматизированного проектирования, постоянным ростом требований к точности и качеству обработки, а также снижению техногенного воздействия на окружающую среду. В этой связи возникают все более серьезные требования по повышению эффективности операций обработки, отвечающих возникающим задачам производства. Обычно решение таких задач связывают с разработкой новых высокопроизводительных технологических процессов, основным средством повышения эффективности которых является применение новых типов высокопроизводительных инструментальных материалов, различных по структуре, составу и архитектуре износостойких покрытий, автоматизации технологических процессов, различных типов смазочно-охлаждающих технологических сред с учетом действия физических эффектов последних, направленных на снижение термомеханической напряженности, воздействующей на систему резания (режущий инструмент, обрабатываемую заготовку, узлы станка и т. д.). Причем СОТС отводится решающая роль при решении задачи повышения эффективности технологических процессов механической обработки.

Между тем, разработка и использование новых технологических процессов с применением высоких и сверхвысоких скоростей резания характеризуется уменьшением проникающей способности смазочно-охлаждающих жидкостей даже при их обильной подаче в зону обработки и соответствующим снижением основных физических эффектов. В ряде случаев применение смазочно-охлаждающих жидкостей вообще не рекомендуется из-за высокой вероятности снижения физико-механических свойств ряда конструкционных материалов (титановые, магниевые, бериллиевые сплавы и т. д.) в связи с их высокой склонностью к поверхностному поглощению газов в процессе обработки. Кроме того, применение смазочно-охлаждающих жидкостей приводит к заметному росту издержек производства и возникновению отрицательных техногенных эффектов. В ряде случаев загрязненность окружающей среды от процессов обработки может превосходить уровень загрязненности от двигателей внутреннего сгорания, а издержки на смазочно-охлаждающие жидкости могут быть выше соответствующих расходов на режущий инструмент. В частности, такие операции, как приготовление, транспортировка, регенерация и утилизация СОТС, а также необходимость обезжиривания стружки и обработанных деталей при их дальнейшем использовании сильно влияют на стоимостные показатели производственных процессов изготовления. В некоторых случаях затраты на СОТС с учетом непрямых издержек, связанных с эффектами ее вредного влияния на окружающую среду и здоровье персонала, а также утилизацию, составляет до 30% общих производственных затрат. Осознание того, что в структуре затрат на изготовление деталей доля издержек на СОТС может намного превосходить затраты на режущий и вспомогательный инструмент и занимать все большую долю издержек производства, является побудительной причиной к пересмотру технологической политики производства. Логическим следствием указанного является разработка новых решений, направленных на создание ресурсосберегающих и экологически чистых технологий обработки резанием.

Поэтому очевидной стратегией развития производственных процессов является создание технологий обработки без применения смазочно-охлаждающих жидкостей (сухое резание) с частичной или полной компенсацией их физических эффектов. В настоящее время все большее число предприятий вынуждены уделять повышенное внимание экологической безопасности производства. Этому способствует не только осознание обществом экологических проблем, но и повышенные финансовые расходы, особенно связанные с утилизацией производственных отходов, и, прежде всего, отработанных СОТС. Практика показывает, что производственные расходы предприятий с оптимизированным циклом технологических операций обработки с учетом высоких издержек на СОТС по сравнению с традиционными технологиями позволяет им существенно сократить эти расходы.

На фоне проблем, связанных с использованием СОТС, сухая обработка представляет наиболее кардинальное решение, которое может обеспечить оптимальный баланс между экономическими и экологическими задачами производства. Однако, реализовать целесообразную и экономически оправданную сухую обработку только за счет отказа от применения СОТС и ее физических эффектов практически невозможно. Эта проблема требует сложного и всестороннего кропотливого изучения, а также глубокого понимания сложных взаимодействий материалов детали и инструмента, технологической оснастки и станка, реализуемых при резании с использованием СОТС.

Таким образом, создание высокоэффективных технологий обработки резанием, оказывающих минимальный ущерб окружающей среде, является одной из самых актуальных проблем современных машиностроительных производств.

Анализ проведенных работ по проблеме создания процессов высокоэффективного сухого резания (без применения СОТС) показал, что разработанные решения лишь частично отвечают поставленной задаче из-за отсутствия комплексной компенсации физических эффектов СОТС. Не установлена физическая природа предлагаемых процессов, не изучено влияние условий сухой обработки на формирование характеристик поверхностного слоя (шероховатость, остаточные напряжения первого рода, степень наклепа и т. д.), а также влияние технологической наследственности поверхностного слоя на эксплуатационные характеристики деталей. Это не позволяет рекомендовать подобные процессы для операций чистовой и получистовой обработки взамен стандартных процессов с применением смазочно-охлаждающих жидкостей.

Настоящая работа посвящена повышению работоспособности инструмента и качества обработанных поверхностей деталей при резании различных конструкционных материалов, включая материалы с низкими технологическими свойствами по обрабатываемости, обычно называемые труднообрабатываемыми материалами. Задача решается на основе полного отказа от применения смазочно-охлаждающих жидкостей при компенсации их основных физических эффектов путем использования специальной системы резания, которая включает два основных элемента — режущий инструмент с износостойким, трибоактивным и активным слоями, последовательное чередование которых образует многофункциональное покрытие и активированную воздушную среду, состоящую из ионов, радикалов, атомов и молекул. Взаимодействие элементов ионизированного воздуха и активных слоев многофункционального покрытия в разработанной системе резания приводит к образованию прочных антифрикционных пленок, которые выполняют роль твердой смазки и усиливают антифрикционные свойства износостойкого и трибоактивного слоев. В результате отмеченного снижается трение, деформация, усилия резания, температура в контактных зонах, изнашивание инструмента, что позволяет сформировать высококачественные обработанные поверхности не только по сравнению с процессами резания всухую, но резания со смазочно-охлаждающими жидкостями.

В постановочной части работы рассмотрена методика разработки рабочих гипотез исследования, которая основывается на анализе причинно-следственном связей между механизмами транспортировки и проникновения смазочно-охлаждающих жидкостей на контактные площадки инструмента, физико-химическими процессами в контактных зонах, механизмами формирования и результатами действия (эффективностью) смазочных пленок. Показано, что при разработке экологически безопасных технологий сухой обработки необходимо решение целого комплекса возникающих проблем, связанных с частичной или полной компенсацией различных эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей. Для этого необходимо:

Ф снизить тепловое воздействие на режущий инструмент посредством уменьшения мощности фрикционных источников тепла, а также повысить сопротивляемость инструмента тепловому разрушению за счет применения инструментальных материалов повышенной теплостойкости;

Ф уменьшить тепловое воздействие на обрабатываемую поверхность заготовки путем снижения работы резания и интенсивность тепловых потоков в формируемую поверхность детали.

На основе проведенного анализа были сформулированы рабочие гипотезы исследований по созданию процесса сухого резания с компенсацией эффектов СОТС.

Одна из задач, которая решалась при выполнении диссертационной работы, была связана с разработкой ключевого элемента разрабатываемой системы резания с компенсацией эффектов СОТС — многофункционального покрытия. Износостойкий, трибоактивный, активный и адгезионный слои многофункционального покрытия формировали на основе систем Ti-N, Ti-AI-N, Ti-Cr-AI-N, Ti-Zr-N, структура и свойства которых хорошо адаптированы к взаимодействию с активными элементов внедрения из активированной воздушной среды, включающий такие элементы внедрения, как О, N. Использовали методику многофакторного планирования эксперимента для установления основных параметров синтеза, оказывающих наибольшее влияние на износостойкость инструмента. Процедура оптимизации позволила выявить оптимальные значения этих параметров.

Большое внимание в работе уделено исследованию условий подачи активированной газовой среды непосредственно в зону обработки при использовании коронного разряда для активации (ионизации) воздушной среды. Эти исследования позволили установить такие важные параметры среды как расстояние источника (плазмотрона) от зоны резания, схему подвода, величину тока дуги возбуждения коронного разряда и т. д.

Одной из важнейших задач исследований была аттестация разработанной % системы резания посредством сравнения ее основных показателей с соответствующими показателями стандартного резания с применением смазочно-охлаждающих жидкостей. Сравнение производили по критериям, характеризующим состояние системы резания. Критерии включали такие параметры системы резания как деформации, силы, температуры, изнашивание инструмента и ее выходные параметры — работоспособность инструмента, качественные показатели обработанных поверхностей (шероховатость, остаточные напряжения, газонасыщение обработанной поверхности), усталостная прочность обработанных деталей.

Исследованиями установлено существенное снижение коэффициентов усадки стружки, сил резания, тепловой нагрузки на систему резания и обрабатываемую поверхность, уменьшение интенсивности изнашивания контактных площадок инструмента по сравнению не только с «сухим резанием», но и резанием с применением смазочно-охлаждающих жидкостей.

Большое внимание в работе было уделено изучения качества поверхностного слоя деталей и их основным эксплуатационным свойствам (усталостная прочность) после обработки с применением системы сухого резания с компенсацией эффектов СОТС в сравнении со стандартным резанием со смазочно-охлаждающими жидкостями, а также резанием всухую и со сжатым воздухом. Эти исследования подтвердили возможность применения разработанной системы резания для операций чистового и получистового точения конструкционных сталей, хромоникелевых и титановых сплавов. В частотности, установлено, что формирование остаточных напряжений при использовании предлагаемой системы резания протекает в более благоприятных термических условиях по сравнению с условиями, характерными для резания * всухую и с СОТС. Поэтому при использовании системы сухого резания с компенсацией эффектов СОТС эпюра растягивающих остаточных напряжений растяжения трансформируется в поверхностном слое деталей из стали 45 и сплава ВТ9 в эпюру остаточных напряжений сжатия, что, в свою очередь, после операции дробеструйного упрочнения приводит к более высокому уровню их усталостной прочности.

В работе проведены исследования газонасыщения поверхностного слоя детали после обработки с поверхностного слоя активированными газами (кислород, азот) на физико-механические свойства некоторых материалов (например, титановых сплавов) и эксплуатационные характеристики изделий в целом. Результаты проведенного анализа весового содержания кислорода и водорода в образцах из стали 45 и сплава ВТ9, полученных после обработки всухую и при использовании процессов с компенсацией эффектов СОТС показали, что количественное содержание указанных газов для обоих процессов принципиально не отличается и укладывается в допустимые нормы.

На защиту выносится:

— система сухого резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей, включающая в себя ионизированную воздушную среду и режущий инструмент с многофункциональным покрытием, содержащим последовательно повторяющиеся износостойкий, трибоаткивный и активный слои на основе систем Ti-N, Ti-AI-N, Ti-Cr-AI-N, Ti-Zr-Nметодика и результаты оптимизации параметров синтеза Р многофункциональных покрытий [на примере (Ti, AI) N] и схемы подачи ионизированной воздушной среды при точении различных конструкционных материалов;

— результаты исследований параметров системы сухого точения с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей конструкционных сталей и труднообрабатываемых материалов, применяемых в авиационном двигателестроении;

— механизм взаимодействия ионизированной воздушной среды с элементами многофункциональных покрытий, устанавливающий превалирующие влияние трибоокислительных процессов на изнашивание инструмента;

— результаты экспериментальных исследований влияния параметров процесса резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей на качественные характеристики поверхностного слоя деталей из стали 45 и сплава ВТ9 и их усталостную прочность после дробеструйного упрочнения.

Работа выполнена на кафедрах ТФО и «Технология машиностроения» Московского государственного университета «СТАНКИН», а также в лаборатории резания института IFQ Магбедургского университета (ФРГ) и ФГУП ММПП «Салют».

Автор работы считает своим долгом поблагодарить сотрудников кафедр «Высокоэффективные технологии обработки» и «Технологии машиностроения» МГТУ «СТАНКИН», д.т.н. профессора ЦИАМ Петухова Анатолия Николаевича и сотрудников ВИЛС.

Особую признательность автор выражает работникам НТЦ «НИИД» и других подразделений ФГУП ММПП «Салют» за помощь в проведении исследований и изготовлении образцов и оснастки.

Особая благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Верещака Анатолию Степановичу, а также к.т.н., доценту Кириллову Андрею Кирилловичу за помощь и добрые советы при выполнении работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Взаимодействие элементов ионизированной воздушной среды и активных слоев многослойного покрытия, наносимого на режущий инструмент, приводит к образованию прочных антифрикционных пленок, которые выполняют роль твердой смазки и усиливают антифрикционные свойства износостойкого и трибоактивного слоев покрытия, в результате чего снижается трение, деформация, усилия резания, температура в контактных зонах, изнашивание инструмента и формируются высококачественные обработанные поверхности не только по сравнению с процессами резания всухую, но и резания со смазочно-охлаждающими жидкостями.

2. Точение с подачей ионизированного воздуха одновременно со стороны передней и задней поверхностей инструмента из Т14К8 с многослойным покрытием на основе системы Ti-AI-N, формируемом при оптимальных параметрах с ITl =100 Лр^орГ 0,24 ПаUc = 41,9 В при расположении плазматронов системы ионизации на расстоянии / = 40 — 50 мм от зоны резания, значении тока коронного разряда 1К = 75 мкА и давлении воздуха рИгс = 0,3 МПа, обеспечивает снижение интенсивности изнашивания инструмента до 2 — 4 раз по сравнению с обработкой всухую и до 1,5 раз по сравнению с резанием со смазочно-охлаждающей жидкостью.

3. Микрорентгеноспектральные исследования очагов изнашивания, твердосплавного инструмента с покрытием, включающим последовательно повторяющиеся износостойкий, трибоактивный и активный слои при резании с подачей в зону обработки ионизированной воздушной среды, позволили установить сильное влияние трибоокислительных процессов на изнашивание инструмента в результате взаимодействия элементов активного слоя покрытия и ионов кислорода из ионизированной среды.

4. При точении конструкционной стали 45 НВ 200 и хромоникелевого сплава ХН77ТЮР с использованием сухого резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих жидкостей, установлено повышение стойкости инструмента в 1,5 — 5 раз по сравнению со стойкостью инструмента при резании всухую или использования эмульсией типа Русоил-500.

5. При обработке титановых сплавов ВТ20 применение жидких эмульсий, сжатого воздуха и стандартных износостойких покрытий различного состава не позволяет заметно увеличить работоспособность режущего инструмента, в то время как использование сухого резания с компенсаций физических эффектов смазочно-охлаждающей жидкости позволяет повысить стойкость инструмента до 2 раз.

6. Максимальное снижение шероховатости при обработке стали на скоростях резания свыше 100 м/мин отмечено для процессов с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающей жидкости, а также резания инструментом с подачей эмульсии, что связано с уменьшением трения и снижением начала порога интенсивного схватывания инструментального и обрабатываемого материалов.

7. Разработанная система резания обеспечивает формирование благоприятных остаточных напряжений сжатия на уровне о0 = 100 — 200 МПа и ст0 = 110−150 МПа соответственно для заготовок из стали 45 и ВТ9, что превосходит эти показатели для резания с эмульсией.

8. Результаты проведенного анализа весового содержания кислорода и водорода в образцах из стали 45 и сплава ВТ9, полученных после обработки всухую и при резании с компенсацией показали, что количественное содержание кислорода и водорода для обоих процессов принципиально не отличается и укладывается в допустимые нормы.

9. Разработанная система резания обеспечивает выносливость образцов из сплава ВТ9 на уровне до ст = 625 МПа, а последующее дробеструйное упрочнение повышает выносливость образцов до стг=760МПа.

10. Процессы резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающей жидкости могут быть рекомендованы для применения при точении конструкционных сталей, хромоникелевых и титановых жаропрочных сплавов на чистовых и получистовых операциях обработки взамен стандартных процессов с применением смазочно-охлаждающих жидкостей.