Общая характеристика работы
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля
Мельнійчук Юрій Олексійович
УДК 621.941
Особливості точіння покриттів
з аморфно-кристалічною структурою
05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2002
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, м. Київ.
Науковий керівник: | доктор технічних наук,
старший науковий співробітник
Клименко Сергій Анатолійович,
Інститут надтвердих матеріалів НАН України, завідувач відділом
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Лупкін Борис Володимирович, Національний аерокосмічний універ-ситет ім. М.Є. Жу-ковського "Харківський авіаційний інститут", професор кафедри техно-логії вироб-ництва літаль-них апаратів;
кандидат технічних наук, доцент Пилипенко Олександр Михайлович, Черкаський державний технологічний університет, доцент кафедри комп’ютеризованих тех-нологій машинобудування.
Провідна установа:
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", кафедра різання матеріалів та ріжучих інструментів, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.
Захист відбудеться "30" травня 2002 р. о "1330" годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .230.01 при Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України за адресою: 04074, м. Київ, вул. Автозаводська, .
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів НАН України.
Автореферат розісланий "25" квітня 2002 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук, професор |
Майстренко А. Л.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Новим напрямком у розвитку методів газотермічного напилювання (ГТН) є використання матеріалів, які схильні до утворення аморфної структури в умовах напилювання. Розроблені сучасні технології ГТН реалізують такі швидкості охолодження розплавлених частинок на основі, які дозволяють формувати покриття з аморфно-кристалічною структурою (ПАКС). Для напилювання таких покриттів використовуються економнолеговані порошки, гнучкі шнури, порошкові дроти, а самі покриття характеризуються специфічними фізико-механічними властивостями, мають високу зносостійкість, стійкість проти корозії, міцність зчеплення з основою, що робить перспективним їх застосування в різних галузях техніки.
Проте, використання ПАКС на деталях з високими вимогами до якості поверхні та розмірної точності є обмеженим. Однією з причин, які стримують використання захисних зносостійких покриттів, зокрема, з аморфно-кристалічною структурою, у промисловості, є недостатність науково обґрунтованих рекомендацій щодо їх продуктивної та якісної механічної обробки. Тому з метою розширення кола використання ПАКС особливо актуальною є оцінка можливостей та перспектив застосування процесу точіння, як одного з найбільш розповсюджених методів обробки, по формуванню належного стану поверхневого шару виробів з аморфізованими покриттями, що потребує проведення комплексу експериментальних та теоретичних досліджень. Вимога обов’язкового збереження вихідного вмісту аморфної фази в ПАКС, яка обумовлює їх експлуатаційні властивості, накладає певні обмеження на процеси механічної обробки таких покриттів.
Для ПАКС притаманними є наявність великої кількості структурних складових, а також поєднання аморфної та кристалічної фаз, які мають різні фізико-механічні властивості. Установлення закономірностей процесу різання з урахуванням впливу присутності аморфної фази в покриттях та визначення ступеня гетерогенності їх структури кількісними характеристиками дозволить відшукати ефективні шляхи технологічного управління якістю поверхні виробів з ПАКС.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Робота виконана в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України відповідно до відомчих тем 1.6.7.1857 (№ державної реєстрації 0100U004916) та 1.6.7.1858 (№ державної реєстрації 0101U006257) науково-дослідних робіт ІНМ НАН України.
Метою роботи є розробка процесу лезової обробки напилених зносостійких покриттів з аморфно-кристалічною структурою із забезпеченням необхідного стану їх поверхневого шару на основі урахування особливостей структури і властивостей таких покриттів та використання ріжучого інструменту з полікристалічних надтвердих матеріалів.
Для досягнення поставленої мети у роботі вирішувались наступні основні задачі:
-
вивчення особливостей структури і властивостей покриттів з аморфно-кристалічною структурою, розробка методики їх оцінки кількісними характерис-тиками та встановлення на цій основі параметрів оброблюваності різанням;
-
дослідження особливостей контактної взаємодії інструментального і оброблюваного матеріалів, температурно-силових закономірностей процесу різання, особливостей зношування інструменту;
-
дослідження впливу умов різання на стан поверхневого шару виробів з ПАКС;
-
встановлення технологічних обмежень процесу токарної обробки виробів з ПАКС;
-
розробка практичних рекомендацій щодо забезпечення працездатності ріжу-чого інструменту та використання процесу точіння для досягнення найбільш якісного стану поверхні виробів з покриттями, які мають аморфно-кристалічну структуру.
Об’єктом дослідження є процес лезової обробки виробів з напиленими аморфно-кристалічними покриттями та лезовий інструмент з надтвердих матеріалів.
Предмет дослідження – закономірності взаємозв’язку структури та властивостей покриттів з аморфно-кристалічною структурою з показниками оброблюваності їх точінням.
Методи дослідження. Теоретичні та експериментальні дослідження базувались на основних положеннях теорії різання металів, фізико-хімічної теорії контактної взаємодії, деформаційно-спектрального аналізу та склерометрії, теорії фракталів, математичної статистики, теорії математичного планування експерименту.
Наукова новизна одержаних результатів:
1.
Вперше запропоновано характеристику оброблюваності різанням покриттів з аморфно-кристалічною структурою – фрактальну розмірність сукупності механічних властивостей матеріалу Ds, яка комплексно визначає неоднорідність оброблюваного матеріалу та дозволяє оцінити можливості по забезпеченню належних параметрів стану поверхневого шару покриттів і прогнозувати стійкість ріжучого інструменту.
2.
Вперше теоретично показано та експериментально підтверджено, що у процесі точіння із швидкістю різання v ,0 м/с ріжучим інструментом, оснащеним полікристалічним надтвердим матеріалом (ПНТМ) "киборит", із величиною зносу hз ,3 мм відсутні передумови для протікання процесів кристалізації в покриттях з аморфно-кристалічною структурою під дією температурно-силових умов, які виникають у процесі обробки.
3.
На основі використання фрактальних уявлень про структуру оброблюваного матеріалу запропонована методика визначення теплофізичних характеристик напилених покриттів, яка враховує гетерогенність їх струк-ту-ри, що дозволяє проводити теплофізичний аналіз процесу різання неодно-рід-них матеріалів з похибкою не більше відносно експериментальних даних.
4.
Установлено, що інтенсивність зношування ріжучого інструменту, оснащеного ПНТМ "киборит", в різних температурно-силових умовах процесу точіння напилених покриттів з аморфно-кристалічною структурою систем Fe-B, Fe-Cr-B і Fe-Si-B переважно обумовлюється їх структурною неодно-рідністю, яка, головним чином, визначається вмістом кристалічної фази, та інтенсивністю масоперенесення оброблюваного матеріалу на поверхні інструменту.
5.
Запропоновано критерій – гранична потужність різання, що визначає об-ме-ження параметрів процесу точіння ПАКС, перевищення межі якого при-зводить до зменшення вмісту аморфної фази в поверхневому шарі оброблюваного ма-те-ріалу, що обумовлює зниження експлуатаційних властивостей аморфізованих покриттів.
Практична цінність одержаних результатів:
1.
Методологічний підхід, запропонований у роботі, дозволяє на основі попередньої інформації про гетерогенну структуру оброблюваного матеріалу оцінити можливості по забезпеченню належних параметрів стану поверхневого шару покриттів та прогнозувати стійкість інструменту.
2.
Показані можливості по технологічному управлінню якістю обробленої поверхні у процесі точіння покриттів з різним вмістом аморфної фази, зокрема, при обробці низки високоаморфізованих (більше 70аморфної фази) покриттів досягається шорсткість поверхні Ra ,52…0,63, що дозволяє у ряді випадків відмовитись від операції шліфування.
3.
Установлено, що при чистовій обробці ПАКС допустима величина зносу по задній поверхні ріжучого інструменту з киборита визначається вимогами до стану поверхневого шару оброблюваного покриття та складає 0,25…0,3 мм.
4.
За результатами проведених досліджень розроблено рекомендації щодо токарної обробки покриттів з аморфно-кристалічною структурою, які доцільно практично використовувати при розробці технологічних процесів на підприємствах, які виготовляють деталі із зносостійкими покриттями, та в ремонтному виробництві при відновленні деталей.
Результати дисертаційної роботи знайшли дослідно-промислове викорис-тання в умовах науково-виробничого підприємства по газотермічному напилю-ван-ню ОДО "Тена" (Бєларусь, м. Мінськ), Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, а наукові положення використовуються в учбовому процесі при підготовці студентів Житомирського інженерно-технологічного інституту (ЖІТІ).
Особистий внесок здобувача полягає в наступному:
-
розробці методики опису гетерогенної структури матеріалів, зокрема, напи-лених покриттів з аморфно-кристалічною структурою, кількісною харак-те-рис-ти-кою – фрактальною розмірністю сукупності механічних властивостей матеріалу, величина якої використовується для оцінки їх оброблюваності різанням;
-
проведенні експериментальної частини роботи, зокрема, визначення ступеня гетерогенності структури оброблюваних матеріалів, встановленні величини опти-маль-ного припуску при точінні ПАКС; температурно-силових закономірностей процесу різання ПАКС, роботи по технологічному управлінню якістю оброблених поверхонь, визначенню стійкості ріжучого інструменту та особливостей його зношування;
-
аналізі впливу величини неоднорідності покриттів і явищ, які визначають зношування інструменту, на стійкість інструменту;
-
розробці методики визначення теплофізичних коефіцієнтів напилених покриттів, яка враховує гетерогенність їх структури;
-
встановленні умов різання, при яких спостерігається зменшення вмісту аморфної фази в покриттях;
-
аналізі здобутих результатів та розробці на їх основі практичних реко-мен-дацій щодо лезової обробки покриттів з аморфно-кристалічною структурою.
Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на наступних конференціях, конгресах, симпозіумах: I-й та II-й Міжнародних науково-технічних конференціях "Процеси механічної обробки, верстати та інструменти" (вересень-жовтень 1999 р., жовтень р., м. Житомир, Україна), міжнародних науково-технічних конференціях "XXVI Jupiter Conference" (лютий 2000 р., м. Белград, Югославія), "Технологія ремонту машин, механізмів, обладнання" (червень 2000 р., м. Ялта, Україна), "Балттехмаш-2000" (червень 2000 р., м. Калінінград, Росія), "Качество машин" (травень р., м. Брянськ, Росія), "Інженерія поверхні та реновація виробів" (травень р., м. Феодосія, Україна), 5-му Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (травень р., м. Львів, Україна), Міжнародному технологіч-ному конгресі "Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения" (червень 2001 р., м. Омськ, Росія), 2-му міждисциплінарному симпозіумі "Фракталы и прикладная синергетика" (листопад 2001 р., м. Москва, Росія), міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки" (грудень р., м. Харків, Україна).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 18 наукових робіт, серед яких – 6 статей у фахових виданнях та 12 тез доповідей на науково-технічних конференціях, семінарах, симпозіумах, конгресах.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, основних висновків, списку використаних джерел, що нараховує 168 найме-нувань бібліографії, 7 додатків. Повний обсяг дисертації складає сторінок, основна частина викладена на 165 сторінках, включає 14 таблиць, 44 рисунки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми роботи, сфор-мульо-вано мету та задачі досліджень, показано наукову новизну і практичну цінність.
Проведені в роботі дослідження є логічним продовженням робіт вчених, які займалися вивченням питань обробки захисних покриттів, дослід-женням їх структури та властивостей, зокрема: Борисова Ю.С., Гаври-ша А.П., Дулєбо О.А., Клименка С.А., Коломійця В.В., Мощенка В.І., Муково-за Ю.О., Пилипенка О.М., Полонського Л.Г., Рижова Е.В., Фельдштейна Є.Е., Хар-ла-мова Ю.А., Хейфеця М.Л., Ящерицина П.І., HagamiInuiIkutaта інших.
У першому розділі розглянуті особливості фізико-механічних власти-вос-тей аморфних матеріалів, галузі використання покриттів з аморфно-крис-талічною структурою, наведено огляд існуючих технологій їх механічної обробки.
Аналіз літературних джерел показав, що ПАКС, які нанесені із використанням економнолегованих матеріалів на основі заліза, характеризуються високою зносостійкістю, корозійною стійкістю та підвищеною міцністю зчеплення з основою у порівнянні з кристалічними аналогами. Це робить перспективним застосування ПАКС у різних галузях техніки, зокрема, для підвищення довговічності деталей машин та механізмів, які працюють в умовах тертя ковзання при високих питомих навантаженнях.
У літературі вкрай обмежена кількість робіт, пов’язаних із механічною обробкою газотермічних ПАКС. При цьому особливо відзначається, що виконання умови збереження вихідного вмісту аморфної фази в покриттях веде до значного зменшення продуктивності процесу обробки, зокрема, шліфування. У наукових працях недостатньо досліджені можливості використання ряду технологічних операцій, зокрема, процесу точіння, якість поверхні деталей з ПАКС, відсутні відомості про точність обробки таких деталей. У цілому, відомості про обробку ПАКС носять несистемний характер, в них не простежується взаємозв’язок структури і властивостей матеріалу з його подальшою механічною обробкою.
Аналіз наукових робіт, які стосуються механічної обробки покриттів свідчить про те, що однією з головних причин, які перешкоджають отриманню у процесі механічної обробки такого стану покриття, який вимагається умовами експлуатації виробу, є неоднорідність напиленого матеріалу. Питання впливу характеристик неоднорідності оброблюваного матеріалу на вихідні параметри процесу різання на сьогодні залишається недостатньо вивченим, хоча є ключовим при призначенні технології обробки покриттів. Практично відсутні розрахункові методики визначення температурно-силових закономірностей процесу різання покриттів, механіки та фізико-хімії зношування інструменту, які враховують гетерогенність оброблюваного матеріалу і дефектність поверхневого шару виробів.
Відсутність обґрунтованих рекомендацій призводить до неправильного вибору технології обробки покриттів, призначення режимів різання і ріжучого інструменту і, як наслідок, до економічних втрат.
Поява нових матеріалів захисних покриттів, зокрема, економноглегованих порошкових матеріалів на основі заліза, які схильні до аморфізації в умовах напилювання, вимагає вдосконалювання технологій їх обробки, що обумовлює необхідність проведення подальших досліджень.
У другому розділі обґрунтовано вибір методик проведення досліджень, наведено характеристики досліджуваних покриттів, обладнання та інструмент для лезової обробки.
Об’єктом дослідження були покриття, що наносились за технологіями газотермічного напилювання, які дозволяють формувати матеріал з аморфною структурою. Покриття товщиною 1…1,6 мм напилювались на сталь газополуменевим та електродуговим методами із застосуванням порошків і порошкових дротів, склад яких відповідає евтектичним системам типу Fe-B, Fe-Si-B, Fe-Cr-B. Твердість покриттів становить 52…58 HRC.
Для дослідження процесу точіння покриттів використовувався інструмент з непереточуваними багатогранними пластинами з киборита – полікристалічного надтвердого матеріалу (ПНТМ) на основі кубічного нітриду бора (КНБ).
Дослідження структури оброблюваного матеріалу проводились з викорис-танням положень фрактального формалізму. В якості кількісної характеристики структури і властивостей покриттів прийнята величина фрактальної розмірності сукупності механічних властивостей матеріалу Ds. Для її визначення на спеціальному пристрої для проведення склерометричних досліджень здійснювалося сканування нормально навантаженим індентором у режимі пружно-пластичного деформування та знімалась трибограма, яка охоплює сукупність значень тангенційної складової сили опору P руху індентора, що коливається у режимі примусових коливань. Розподіл ординат трибограми є функцією механічних властивостей матеріалу, особливостей його структури і дефектності.
Значення фрактальної розмірності Ds визначались по трибограмах клітковим ме-тодом, а для її розрахунку на ЕОМ розроблена спеціальна програма "Fractal analysis".
Температура різання оцінювалась за результатами екстраполяції на вершину різця температур нагріву двох точок, експериментально отриманих за допомогою хромель-копелевих термопар у місцях їх контакту з опорною поверхнею ріжучої пластини.
Дослідження структури та фазового складу покриттів проводилися металографічним, рентгеноструктурним, рентгеноспектральним методами, методом електронної мікроскопії. Вміст аморфної фази у разі аморфно-кристалічної структури покриттів визначався за методикою Б.К. Ванштейна.
Оцінка параметрів шорсткості поверхні покриттів після обробки проводилась з використанням профілограф-профілометра "Talysurf-5" фірми Renk Taylor-Hobson (Великобританія).
Загальний вигляд зношених інструментів, хімічний склад напилених покриттів та продуктів взаємодії досліджувались на растровому електронному мікроскопі "Camskan – DV" (Великобританія) із приставкою для енерго-дисперсного рентгеноспектрального аналізу "Link-860".
Під час проведення дослідів умови процесу різання та геометричні пара-мет-ри ріжучого інструменту варіювались у діапазонах: v = 0,5…3,0 м/с; S ,01…0,3 мм/об; t ,05…0,6 мм; перед-ній кут …-20; задні кути 1 ; головний кут в плані = 30…60; допоміжний кут в плані 1 .
У третьому розділі запропоновано новий підхід до оцінки оброблюваності різанням неоднорідних матеріалів, зокрема, напилених покриттів.
Використання традиційних розрахунково-аналітичного методу визначення величини оптимального припуску на обробку не дозволяє врахувати специфіки методів та умов нанесення конкретного виду покриття. Визначення характеру зміни мікротвердості, вмісту аморфної фази, шорсткості обробленої поверхні на різній відстані від основи дозволило установити, що ПАКС характеризуються неоднаковими властивостями по перерізу. У залежності від їх товщини (H = …1,6 мм) найбільш високими і стабільними властивостями характеризуються прошарки на рівні H ,4…0,8 мм від основи, які, як наслідок, будуть мати найкращі експлуатаційні характеристики. Тому величина припуску при точінні повинна вибиратись так, щоб з виробу видалявся найбільш дефектний матеріал і до обробленої поверхні прилягали найбільш тверді, міцні та однорідні шари покриття.
Дослідження особливостей мікроструктури оброблюваного матеріалу показали, що ПАКС, які формуються у процесі напилювання, у залежності від виду напилюваного матеріалу та умов напилювання мають різну структуру, але спільним для них є поєднання аморфної і кристалічної фаз, які мають відмінні механічні властивості, а також присутність декількох структурних складових, що обумовлює структурну неоднорідність напилених покриттів цього класу.
Використовуючи положення теорії фракталів, яка дозволяє охарактеризувати досліджуваний об’єкт параметрами, що не залежать від масштабу їх оцінки, запропоновано кількісно оцінювати оброблюваність різанням напилених ПАКС характеристикою, яка враховує особливості структури, нестабільність механічних властивостей та наявність різного роду дефектів в матеріалі на різних масштабних рівнях, – узагальненою фрактальною розмірністю , де Ds і Dр – відповідно фрактальна розмірність сукупності механічних властивостей матеріалу та сукупності ординат профілю поверхні. Під час чистового точіння за умови проведення обробки за декілька про-ходів, макронерівності шару матеріалу, який видаляється, через їх незначну величину суттєво не впливають на величину глибини різання та на процес різання. Тому в цьому випадку величиною Dp правомірно знехтувати, а оброблюваність визначати за величиною Ds, яка характеризує нестабільність властивостей матеріалу з гетерогенною структурою.
Дробна величина характеристики Ds, значення якої лежать у діапазоні від 2 до , та аналіз сукупності значень P на різних масштабних рівнях навантаження індентора підтверджують фрактальний характер структури покриттів. Для оброблюваних ПАКС спостерігається певний зв’язок між величиною Ds і вмістом аморфної фази в покриттях, при зменшенні якого відзначається зростання неоднорідності структури покриття.
З метою оцінки можли-вос-тей процесу точіння по фор-му-ванню стану поверхневого ша-ру, зокрема, шорсткості поверхні, покриттів була проведена серія дослідів та встановлена залеж-ність висоти мікронерівностей від умов точіння. Отримані резуль-тати досліджень свідчать про те, що неоднорідність структури по-крит-тя здійснює основний вплив на величину параметрів шорст-кості поверхні, яка формується при обробці. Аналіз залежності Ra = fDs), яка наведена на рис. , як для випадку обробки одного типу покриття, яке характери-зується різними значеннями Ds, так і при обробці різних мате-ріалів, дозволяє говорити про за-галь-ну тенденцію – якісніша по-верх-ня досягається під час обробки покриттів, які характеризуються меншими величинами Ds їх ма-теріалів, а за величиною Ds право-мірно оцінювати оброблю-ваність ПАКС за критерієм шорсткості обробленої поверхні.
Варіювання режи-ма-ми різання під час обробки покриттів, які характеризуються величиною Ds у діапазоні ,6…2,85, не призво-дить до суттєвої зміни висоти мікро-нерівностей та не дозволяє отримати точінням поверхні з низькою шорст-кістю, що пов’язано з високою гетерогенністю структури та-ких покриттів. У процесі точіння утворюється порош-коподібна струж-ка надлому, а також має місце викри-шування та осипання окре-мих час-тинок покриття, що слабо здефор-мувались у процесі напилю-ван--ня.
Проте, під час точіння газополуменевих покриттів, напи-лених з порошку Fe78Si12B10 (Ds = 2,310,016) та з порошкового дроту Fe80B20 (Ds ,320,012) варіюванням умовами обробки можна суттєво наблизити мікрогеометрію поверхні до такої, яка вимагається умовами експлуатації.
Методом планування експерименту отримано рівняння регресії умов різання на висоту мікронерівностей Ra під час точіння покриття, напиленого з порошку Fe78Si12B10:
,
яке свідчить, що найбільший вплив на шорсткість обробленої поверхні здійснюють передній кут інструменту, величина фаски зносу по задній поверхні та подача. Під час точіння таких покриттів утворюється суцільна стружка, вигляд якої свідчить про те, що в процесі точіння відбувається зрізування шару покриття як відносно компактного матеріалу, а не окремих його елементів. Значна усадка такої стружки (Kl ,5) є наслідком високої пластичності аморфної складової ПАКС.
У четвертому розділі представлені результати досліджень температурно-силових закономірностей процесу точіння ПАКС та впливу умов обробки на фазові перетворення в їх структурі.
Існуючі методики аналітичного розрахунку температур різання і параметрів теплових полів можуть правомірно використовуватись у випадку обробки суцільних матеріалів. У покриттях містяться фази з різними теплофізичними властивостями, характер розташування яких є випадковим. Фронт теплового поля під час обробки покриттів розповсюджується по фазах з високою теплопровідністю та має складний фрактальний характер.
На основі фрактального аналізу структури оброблюваного матеріалу, припустивши, що структура досліджуваних ПАКС складається із фрагментів, які мають визначену та нульову (пори) теплопровідність, та, використовуючи залежності, які описують побудову регулярного фракталу – тріадної кривої Кох, розроблена методика визначення теплофізичних характеристик напилених покриттів, яка враховує гетерогенність їх структури. Зокрема, вираз для визначення коефіцієнту теплопровідності гетерогенного матеріалу має вигляд: |
,
де суц – коефіцієнт теплопровідності аналогічного за хімічним складом суцільного матеріалу,f – фрактальна розмірність фронту теплового поля.
Порівняння експериментальних та аналітичних даних свідчить про те, що використання розробленої методики дозволяє проводити точніший теплофізичний аналіз процесу різання неоднорідних матеріалів, використовуючи аналогічні методики, які розроблені для монолітних матеріалів. Розходження з експериментальними значеннями температури не перевищує 10
Експериментально досліджено вплив швидкості різання, подачі і зносу інструменту на температуру різання під час точіння ПАКС, а також отримана відповідна математична залежність під час точіння покриття, напиленого з порошку Fe78B10Si12:
.
Результати рентгеноструктурних досліджень свідчать про те, що під час точіння у широкому діапазоні швидкостей різання (v ,7…2,7 м/с) та при величині зносу ріжучого інструменту hз 0,3 мм в оброблюваних покриттях не відбувається структурно-фазових перетворень.
Результати теоретичних розрахунків із визначення швидкості охолодження ша-ру покриття після проходження ріжучої кромки під-тверджують відсутність передумов для протікання процесів кристалізації в оброблюваному матеріалі у широкому діапазоні умов точіння.
Із зростанням величини зносу hз ,3 мм під час обробки із швидкостями різання v ,5 м/с покриттів, які характеризуються високим вмістом аморфної фази (АФ) (більше 70спостерігається деяке його зменшення у поверхневих шарах оброблюваного матеріалу. Аналіз рентгенограм свідчить про зменшення (до вмісту АФ у випадку затуплення різця до величини hз ,4 мм, що є наслідком зміни напружено-деформованого стану оброблюваного матеріалу у процесі точіння. По мірі зношування інструменту спостерігається зростання складових сили різання, особливо сили Py, що призводить до підвищення інтенсивності їх впливу на оброблюваний матеріал, внаслідок чого аморфна складова частково кристалізується. Проте, після обробки покриттів зношеним різцем на більш низьких швид-костях різання (0,7…1,5 м/с) в об-роб-люваному мате-ріалі не спостері-га-ється зменшення вмісту АФ. На підставі отриманих результатів встановлено, що тільки одночасний високо-ін-тен-сивний вплив як темпера-турного, так і силового фак-то-рів процесу точіння призво-дить до часткової крис-та-лізації поверхневих шарів об-роб-лю-ва--них ПАКС з ви-соким вміс-том аморф-ної фази (рис. ), у зв’язку з чим при-значений критерій, який об-ме-жує процес то-чіння ПАКС – гра-нич-на по-туж--ність різання: , де v – швидкість різання; Pz – тан-генційна сила рі-зання, пе-ре--ви-щення якого при-зводить до фазових змін у поверх-невому шарі оброблюваного матеріалу. Для газополуменевих покриттів, напилених з порошкового дроту Fe80B20 та з порош-ку Fe78B10Si12, Nд становить 1100 Вт.
Після обробки покрит-тів з невисоким вмістом АФ ( 50у дослід-жу-ваному діапа-зоні умов точіння змен-шення її кількості не встановлено.
П’ятий розділ при-свя-чено вивченню особли-вос-тей зно--шування ріжу-чого інстру-мен-ту (РІ) та дослід-женню його стійкості під час точіння ПАКС.
Знос РІ під час точіння ПАКС з високим вміс-том АФ відбувається як по зад-ній, так і по пе-редній поверхнях, а у випадку точіння покриттів з більш гетеро-генною структу-рою та значно меншим вміс-том аморфної скла-дової ін-стру-мент переважно зношується по задній поверхні.
У залежності від умов обробки та геометричних параметрів РІ його зно-шу-ван-ня обумовлюється поєднанням комплексу факторів: механічного руйнування, абразив-ного та адгезійного зношування, хімічної взаємодії між контактуючими матеріалами та елементами навколишнього середовища. Під час обробки ПАКС із невисокими швидкостями різання (v ,5 м/с) зношування інструменту носить переважно абразивно-механічний характер, дія якого підсилюється із зростанням вмісту твердих включень у матеріалі покриття. Підвищення гетерогенності структури покриттів у таких умовах призводить до осипання різальної кромки різця унаслідок зростання ударних навантажень на РІ та високої динамічності процесу різання.
Під час обробки із швидкостями різання v м/с установлено інтенсивне масоперенесення оброблюваного матеріалу на контактні поверхні РІ. Після точіння високоаморфізованих (більше АФ) покриттів утворюється щільний наліт, який захищає контактні поверхні РІ від стикання з оброблюваним матеріалом та сприяє зменшенню інтенсивності зношування інструменту при швидкостях різання 1…1,5 м/с. У той же час, утворення нальоту, його схоплювання з інструментом, чому сприяє підвищена пластичність аморфної складової покриттів, та його постійне видалення призводить до інтенсифікації процесу адгезійного зношування. Своєрідний "наліт" на неконтактних поверхнях інструменту під час точіння на швидкостях різання більше 2 м/с підтверджує присутність між інструмен-таль-ним та оброблюваним матеріалом рідкої фази, яка у процесі різання виноситься за межі ділянки контакту.
Інтенсивної хімічної взаємодії між контактуючими матеріалами під час обробки покриттів, що не містять хрому, у досліджуваному діапазоні умов не відбувається. При температурах, які розвиваються у процесі точіння із високими швидкостями різання, процес зношування інструменту інтенсифікується у результаті окислення інструментального матеріалу.
Допустимий знос РІ при чистовому точінні ПАКС нижче, ніж знос для інструментів з киборита при обробці покриттів з кристалічною структурою (hз = ,4 мм), та становить hз ,25…0,3 мм, що визначається вимогами до стану поверхневого шару оброблюваного покриття. Це, переважно, пов’язано з високими питомими навантаженнями, які діють на РІ навколо ріжучої кромки, що призводить до її прискореного руйнування.
Установлені залежності стійкості інструменту з киборита при точінні ПАКС від його геометричних параметрів та режимів різання дозволили визначити їх оптимальні значення, за яких відзначається максимальна стійкість РІ: v ,2…1,3 м/с, S ,05…0,07 мм/об, , .
Установлено, що інтенсивність зношування РІ і, як наслідок, його стійкість значною мірою визначаються однорідністю структури оброблюваного матеріалу. Підвищення ступеня гетерогенності структури ПАКС, який кількісно характеризується величиною Ds, призводить до прискорення зношування РІ (рис. ), що пов’язано, насамперед, з інтенсифікацією ударних навантажень на лезо інструменту та зростанням нестабільності самого процесу різання, а величину Ds правомірно використовувати в якості характеристики, яка визначає оброблюваність різанням покриттів (рис. ). При зростанні швидкості різання відзначається зменшення впливу неоднорідності структури ПАКС на стійкість РІ, що визначається як зміною характеру зношування інструменту, так і динамічних умов різання.
У шостому розділі на підставі результатів досліджень розроблені рекомендації щодо проведення процесу точіння виробів з ПАКС.
В табл. наведені режими різання інструментом з киборита, що рекомен-ду-ються при точінні ПАКС, за яких досягається максимальна стійкість ріжучого інструменту, мінімальні значення параметрів шорсткості поверхні та забезпе-чується збереження вихідного вмісту аморфної фази в оброблюваному матеріалі.
Результати проведених досліджень дозволили виявити наступні особливості процесу точіння покриттів з аморфно-кристалічною структурою:
-
величина оптимального припуску при точінні ПАКС функціонально залежить від товщини покриття, яка визначається протіканням процесу аморфізації матеріалу, що напилюється;
-
критерієм, що обмежує процес точіння покриттів із вмістом АФ понад є допустима потужність різання, перевищення якої спричиняє зменшення вмісту АФ в оброблюваному матеріалі;
Рис. 3. Залежність стій--кос-ті інструменту T (hз ,25 мм) від ве-ли-чи-ни (Ds) низки покриттів (S = ,05 мм/об, t ,2 мм). | Рис. 4. Вплив ве-ли-чи-ни (Ds) низки покрит-тів на швидкість різання v23 (S = 0,05 мм/об, t = ,2 мм), при якій забезпечується стій-кість інструменту Т = хв.(hз ,25 мм).
Таблиця. Показники технології точіння покриттів з аморфно-кристалічною структурою
Матеріал
по-крит-тя, Ds | Режими різання | Ra, мкм | T *, хв | Q, см3/хв
v, м/с | S, мм/об | t, мм
Fe-B; Fe-Si-B (Ds ,2-2,5) | 1,5-1,7
1,2-1,3 | 0,15-0,2
0,02-0,05 | 0,3-0,6
0,2-0,4 | 0,7-1,5
0,52-0,63 | 120-140
60 | 3,5-5
1,5-2,2
Fe-B; Fe-Cr-B (Ds ,5-2,85) | 1,5-2,2 | 0,05-0,2 | 0,2-0,6 | 1,2-2,7 | 60-80 | 3,6-5
Примітка: чисельник – чорнове точіння; знаменник – чистове точіння;
* чорнове точіння – Т при hз = 0,4 мм; чистове точіння – Т при hз = 0,25 мм.
-
збільшення від’ємного значення переднього кута понад призводить до інтенсифікації зношування ріжучого інструменту та суттєвого зростання висотних параметрів шорсткості обробленої поверхні;
-
знос інструменту при точінні ПАКС з вмістом АФ понад відбувається як по задній, так і передній поверхнях;
-
під час точіння ПАКС відбувається інтенсивне масоперенесення оброблюваного матеріалу та його схоплювання з поверхнею інструменту, що призводить, з одного бо-ку, до інтенсифікації адгезійного зношування РІ, а при обробці покриттів з вмістом АФ фази понад на швидкостях різання v ,0…1,5 м/с до утворення на контактних поверхнях інструменту щільного захисного нальоту з оброблюваного матеріалу, з іншого, що сприяє зменшенню інтенсивності зношування інструменту в таких умовах;
-
допустимий знос інструменту з киборита при чистовому точінні ПАКС нижче, ніж при обробці кристалічних покриттів аналогічної твердості, та становить hз = 0,25 …0,3 мм і визначається вимогами до стану поверхневого шару оброблюваного покриття;
-
при точінні покриттів з вмістом АФ понад на швидкостях різання v ,2…1,7 м/с відзначається висока стійкість РІ з киборита (Т хвилин при hз ,25 мм), яка у два рази перевищує стійкість інструменту при обробці ПАКС, які характеризуються невисоким вмістом ( аморфної фази;
-
процес точіння ПАКС із збільшенням гетерогенності структури оброблюваного матеріалу доцільніше проводити на більш високих швидкостях різання, що дозволить підвищити продуктивність та зменшити собівартість обробки;
-
збільшення радіуса при вершині інструменту під час точіння ПАКС призводить до зростання висоти мікронерівностей обробленої поверхні.
Результати дисертаційної роботи використовуються в умовах науково-виробничого підприємства по газотермічному напиленню ОДО "Тена" (Бєларусь, м. Мінськ), в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, а наукові положення в учбовому процесі ЖІТІ.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ
У роботі вирішена актуальна науково-технічна задача, яка полягає в розробці процесу лезової обробки напилених зносостійких ПАКС, що забезпечує збереження вихідного вмісту аморфної фази в оброблюваному матеріалі, присутність якої обумовлює особливості протікання процесу обробки, а їх встановлення дозволило оцінити ефективність та перспективність застосування процесу лезової обробки.
У результаті проведеного комплексу досліджень із вивчення особливостей точіння ПАКС отримані наступні результати:
1.
На основі використання положень фрактального формалізму запропо-но-вано характеристику – фрактальну розмірність сукупності механічних властивостей Ds матеріалу, яка дозволяє кількісно оцінити оброблюваність різанням гетерогенних напилених покриттів з аморфно-кристалічною структурою, зокрема, обумовлює можливості технологічного управління якістю обробленої поверхні та дозволяє прогнозувати інтенсивність зношування ріжучого інструменту. Збільшення величини фрактальної розмірності Ds ПАКС, напилених з матеріалів систем Fe-B, Fe-Cr-B і Fe-Si-B, від 2,3 до 2,8 призводить до зниження більш ніж у 2 рази стійкості ріжучого інструменту з ПНТМ на основі КНБ та зростання до 5 разів висотних параметрів шорсткості обробленої поверхні.
2.
Запропоновано методику визначення теплофізичних характеристик напилених покриттів, яка враховує гетерогенність їх структури та дозволяє проводити теплофізичний аналіз процесу різання неоднорідних матеріалів. Користуючись залежностями для регулярного фракталу Кох, виведено вираз для визначення коефіцієнта теплопровідності гетерогенного напиленого покриття, що обернено пропорційний величині фрактальної розмірності фронту теплового поля Df.
3.
Показано, що вищий рівень температур різання при точінні ПАКС ( у порівнянні з обробкою аналогічних суцільних матеріалів визначається фрактальним характером (Df) фронту теплового поля в напилених ПАКС. Теоретично показано та експериментально підтверджено, що у процесі точіння ріжучим інструментом із величиною зносу hз 0,3 мм відсутні передумови для протікання процесів кристалізації в оброблюваному матеріалі під дією температурно-силових умов, які виникають у процесі обробки.
4.
Установлено закономірності зміни неоднорідності структури, мікро-твердості, вмісту аморфної фази по перерізу покриттів, що дозволило визначити величину оптимального припуску при точінні ПАКС, яка становить до 40товщини напиленого покриття.
5.
Стійкість ріжучого інструменту та інтенсивність його зношування в різних температурно-силових умовах процесу точіння напилених покриттів з аморфно-кристалічною структурою систем Fe-B, Fe-Cr-B і Fe-Si-B обумовлю-ють-ся абразивною взаємодією, адгезійним зношуванням, що визначається інтенсив-ним масоперенесенням та міцним схоплюванням оброблюваного матеріалу з по-верхнею інструменту, а також хімічною взаємодією між контактуючими мате-ріа-ла-ми та елементами навколишнього середовища. На основі аналізу явищ, які визначають зношування РІ, встановлено, що із зростанням швидкості різання зменшується вплив неоднорідності ПАКС на інтенсивність зношування інструменту.
6.
Установлено величину допустимого зносу інструменту з киборита при чистовому точінні ПАКС, яка нижче ніж при обробці кристалічних покриттів аналогічної твердості, та становить hз ,25…0,3 мм і визначається вимогами до стану поверхневого шару оброблюваного покриття.
7.
Установлено критерій – гранична потужність різання, що визначає об-ме-ження параметрів процесу точіння ПАКС, перевищення межі якого призводить до зменшення вмісту аморфної фази в поверхневому шарі оброблюваного матеріалу, що обумовлює зниження експлуатаційних властивостей аморфізованих покриттів.
8.
Установлено умови обробки, які дозволяють забезпечити максимальну стійкість інструменту, отримати належну якість поверхні та забезпечити збереження вихідного вмісту аморфної фази в покриттях з аморфно-кристалічною структурою.
Основні результати роботи висвітлено у наступних публікаціях:
1.
Клименко С.А., Мельнійчук Ю.О. Лезова обробка захисних покриттів. Стан та перспективи // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. – 1999. – № . – С. .
2.
Клименко С.А., Мельнийчук Ю.А. Фрактальный подход к обработке ре-за-нием материалов и изделий // Сучасні процеси механічної обробки інстру-ментами з НТМ та якість поверхні деталей машин. Серія Г. Процеси механічної обробки, верстати і інструменти: : Зб. наук. праць. – К.: ИСМ НАНУ. – 2001. – С. .
3.
Мельнійчук Ю.О. До питання про знос інструмента з надтвердих ма-те-ріалів при точінні зносостійких напилених покриттів з аморфно-кристалічною структурою // Резание и инструмент в технологических системах: Сб. науч. тр. – Харьков: ХГПУ, . – Вып. 60. – С. .
4.
Клименко С.А., Мельнійчук Ю.О. Шорсткість поверхні при точінні на-пи-лених покриттів із аморфно-кристалічною структурою // Вісник Житомирсь-кого інженерно-технологічного інституту. – 2001. – Спец. вип. – С. .
5.
Мельнійчук Ю.О., Клименко С.А. Особливості точіння покриттів з аморф-но-кристалічною структурою // Вісник Харківського державного техніч-но-го університету сільського господарства: Зб. наук. праць – Харьков: ХДТУСГ, 2001. – Вип. , Т. . – С. .
6.
Мельнийчук Ю.А. Температурно-силовые закономерности и струк-турно-фазовые превращения в обрабатываемом материале при точении напы-ленных покрытий с аморфно-кристаллической структурой // Віс-ник Черкаського інженерно-технологічного інституту: Зб. наук. праць. – Черкаси: ЧІТІ, 2001. – № . – С. .
7.
Мельнийчук Ю.А. Особенности структуры и свойств покрытий с аморфно-кристаллической структурой, применяемых в машиностроении // Proc. International Conf. "XXVI Jupiter Conference", Beograd, febr. 2000. – Beograd (Yugoslavia), 2000. – P. .51-3.56.
8.
Клименко С.А., Щербаков А.В., Мельнийчук Ю.А. Фрактальная оцен-ка механических свойств материалов // Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики: Мат. 8-го Междунар. семинара, Ялта, сент. 2000. – Киев: АТМ Украины, 2000. – С. .
9.
Клименко С.А., Мельнийчук Ю.А. Фрактальная размерность механи-ческих свойств напыленных покрытий с аморфно-кристаллической структурой и шероховатость обработанной поверхности // Качество машин: Тр. 4-й Междунар. конф., Брянск, май 2001. – Брянск: БГТУ, 2001. – С. .
10.
Клименко С.А., Мельнийчук Ю.А., Полонский Л.Г. Точение напылен-ных покрытий высокой твердости // Современные технологии при соз-дании продукции военного и гражданского назначения: Сб. докл. Междунар. конгр., Омск, окт. 2001. – Омск: ОГТУ, 2001. – ч. . – С. .
11.
Клименко С.А., Мельнийчук Ю.А. Оценка обрабатываемости резани-ем гетерогенных материалов по величине фрактальной размерности совокупности их механических свойств // Фракталы и прикладная синергетика: Тез. докл. 2-го междисциплинар. симпозиума, Москва, ноябрь 2001. – М: МГОУ, 2001. – С. .
Анотація
Мельнійчук Ю.О. Особливості точіння покриттів з аморфно-кристалічною структурою. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – "Процеси механічної обробки, верстати та інструменти". Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, Київ, 2002.
Дисертацію присвячено питанню лезової обробки напилених зносостійких покриттів з аморфно-кристалічною структурою (ПАКС). Розроблено методологічний підхід, що дозволяє кількісно визначити структуру оброблюваного матеріалу фрактальною характеристикою. Запропоновано критерій оброблюваності точінням ПАКС, який дозволяє оцінити можливості по забезпеченню належних параметрів стану поверхневого шару покриттів та прогнозувати стійкість ріжучого інструменту. Представлено результати досліджень температурно-силових закономірностей процесу різання ПАКС, особливостей контактної взаємодії інструмен-тального і оброблюваного матеріалів, впливу умов різання на стан поверхневого шару оброблюваних покриттів, зношування та стійкості ріжучого інструменту та визначено особливості протікання процесу точіння ПАКС на відміну від кристалічних аналогів. Установлено критерій, який обмежує процес точіння покриттів з високим (більше вмістом аморфної фази.
На підставі результатів досліджень розроблено рекомендації щодо призначення умов точіння ПАКС, за яких досягається максимальна стійкість ріжучого інструменту, мінімальні значення параметрів шорсткості поверхні та забезпечується збереження вихідного вмісту аморфної фази в оброблюваному матеріалі.
Ключові слова: оброблюваність, точіння, різець, напилювання, аморфна структура, фрактальна розмірність, неоднорідність матеріалу.
Аннотация
Мельнийчук Ю.А. Особенности точения покрытий с аморфно-кристаллической структурой. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 – "Процессы механической обработки, станки и инструменты". Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, Киев, 2002.
Диссертация посвящена решению научно-технической задачи, которая заключается в разработке процесса лезвийной обработки газотермических износостойких покрытий с аморфно-кристаллической структурой (ПАКС), напыленных с применением порошков и порошковых проволок, состав которых соответствует эвтектическим системам типа Fe-B, Fe-Cr-B, Fe-Si-B. Актуальность работы обуславливается недостатком научно обоснованных рекомендаций по качественной и производительной механической обработке ПАКС, разработка которых имеет важное значение с точки зрения расширения сферы практического использования такого класса покрытий на деталях с высокой размерной точностью и качеством поверхности.
Научную основу диссертации составляет единый подход к проведению теоретических и экспериментальных исследований, который основывается на представлениях о процессе обработки напыленных покрытий, как неоднородных материалов, количественная характеристика, определяющая структуру которых, выступает в качестве критерия обрабатываемости их резанием. На основе фрактальных представлений о структуре обрабатываемого материала разработана методика определения фрактальной размерности совокупности механических свойств материалаDs), которая комплексно определяет характер нестабильности механических свойств обрабатываемого материала по величине, гетерогенность и дефектность его структуры. Показана эффективность и перспективность использования величины Ds покрытий с различным содержанием аморфной фазы для оценки их обрабатываемости резанием, которая позволяет прогнозировать интенсивность изнашивания режущего инструмента и значения высотных параметров шероховатости поверхности материалов с гетерогенной структурой.
Установлена величина оптимального припуска при точении ПАКС, которая функционально зависит от толщины покрытия.
Предложена методика определения теплофизических характеристик напыленных покрытий, которая учитывает гетерогенность их структуры и позволяет проводить более точный теплофизический анализ процесса резания неоднородных материалов с использованием аналогичных методик, разработанных для монолитных материалов.
В работе представлены результаты исследования температурно-силовых закономерностей процесса точения напыленных аморфно-кристаллических покрытий. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что в процессе точения режущим инструментом с величиной износа hз ,3 мм отсутствуют предпосылки для протекания процессов кристаллизации в обрабатываемых ПАКС. На основе результатов экспериментальных исследований установлено, что только одновременное высокоинтенсивное влияние как температурного, так и силового факторов процесса точения приводит к частичной кристаллизации (уменьшение относительного содержания аморфной фазы составляет до структуры обрабатываемых покрытий с содержанием аморфной фазы (АФ) более в связи с чем предложен критерий – допустимая мощность резания, который ограничивает процесс точения таких ПАКС.
Установлено, что при обработке ПАКС допустимая величина износа по задней поверхности режущего инструмента, оснащенного поликристаллическим сверхтвердым материалом "киборит", определяется требованиями к состоянию поверхностного слоя обрабатываемого материала и составляет hз ,25…0,3 мм.
Результаты проведенных исследований показали, что стойкость режущего инструмента и интенсивность его износа в разных температурно-силовых условиях процесса точения ПАКС определяются как абразивным, так и адгезионным изнашиванием, а также химическим взаимодействием между контактирующими материалами и
