авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Повышение эффективности процесса резания путём применения инстумента с наноструктуным покрытием

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ВЕЛЬМЕСЕВА ЕЛЕНА ВИТАЛЬЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ПУТЁМ ПРИМЕНЕНИЯ ИНСТУМЕНТА С НАНОСТРУКТУНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Специальность 05.02.07 – технологии и оборудование механической

и физико-технической обработки (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Н.Новгород – 2012

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете им.Р.Е. Алексеева, г. Н.-Новгород

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Кабалдин Юрий Георгиевич

Официальные оппоненты: Нижегородская государственная

сельскохозяйственная академия

доктор технических наук,

профессор Сорокин Виталий Матвеевич

ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей»»

начальник бюро

кандидат технических наук,

Секретова Елена Павловна

Ведущая организация: Нижегородский филиал ИМАШ РАН

Защита состоится: 29 мая 2012г. В 14-00 на заседании диссертационного совета Д212.165.09 на базе Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева по адресу ул. Минина д. 24

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева по адресу ул. Минина д. 24

Автореферат разослан____ «апреля »2012 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Б.В.Устинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Состояние металлорежущего инструмента в процессе механической обработки в значительной мере определяет качество обрабатываемой поверхности, силы резания, а, следовательно, устойчивость процесса резания и производительность обработки. Последнее достигается за счёт снижения времени резания (возможности увеличения режима резания) и времени на замену режущего инструмента (увеличение периода стойкости).

Большое влияние на производительность обработки оказывают колебания упругой системы станка. Процесс резания по мере изнашивания инструмента сопровождается «биениями» и переходит к хаотическим колебаниям. В этой связи, возникает необходимость диагностики состояния режущего инструмента, особенно в условиях автоматизированного производства.

В современной промышленности широко применяются такие конструкционные материалы как нержавеющие стали, титановые сплавы, которые обладают высокими прочностными и вязкостными характеристиками, что существенно затрудняет их обработку. Поэтому, к современному металлорежущему инструменту предъявляются повышенные требования: он должен иметь высокую сопротивляемость к изнашиванию и хрупкому разрушению в условиях механических и тепловых нагрузок.

Режущий инструмент является наиболее слабым элементом технологической системы. Процесс обработки металлов резанием может быть существенно усовершенствован за счёт применения наноструктурного покрытия для режущего инструмента. В этой связи разработка новых составов покрытий с характеристиками, обеспечивающими высокую сопротивляемость износу режущего инструмента, является актуальной проблемой машиностроения.

Цель работы - разработка режущего инструмента с наноструктурным покрытием для повышения эффективности процесса резания. Для достижения поставленной цели было необходимо осуществить ряд исследований:

1. Провести анализ существующих методов осаждения и составов износостойких покрытий для режущего инструмента.

2. Провести комплексное исследование влияния составов покрытий на основные выходные параметры механообработки (силы резания, усадка стружки, относительный сдвиг, устойчивость процесса резания), определяющих эффективность процесса резания.

3. С использованием современной аппаратуры установить наноструктурный характер осаждаемых на режущий инструмент покрытий.

4. Исследовать стойкость инструмента и механизм разрушения покрытий при резании конструкционных и нержавеющих сталей, на этой основе разработать наноструктурные покрытия, обеспечивающие высокую работоспособность инструмента.

5. Провести исследование режущего инструмента с наноструктурными покрытиями в условиях действующего производства и разработать рекомендации для их эффективного использования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведён анализ методов и составов существующих износостойких покрытий для режущего инструмента и определены современные тенденции повышения эффективности процессов механообработки. Показано, что наиболее перспективным направлением повышения эффективности обработки является использование режущего инструмента с наноструктурным покрытием.

2. С использованием современной аппаратуры, в частности, сканирующего электронного микроскопа, микрорентгеноспектрального анализа, атомного силового микроскопа показано, что многоэлементное покрытие обеспечивает формирование наноструктурного размера зёрен. Это достигается и при формировании многослойных покрытий.

3. Установлено, что применение режущего инструмента с наноструктурными покрытиями способствует снижению сил резания, усадки и повышению устойчивости процесса резания.

4. На основе анализа виброакустической эмиссии (ВАЭ) при резании построены аттракторы динамической системы обработки резанием. Показано, что использование инструмента с наноструктурным покрытием способствует снижению величины фрактальной размерности аттракторов. Анализ энергетических соотношений при резании позволил констатировать, что технологическая система обработки резанием – диссипативная динамическая система. Снижение интенсивности процессов деформации в системе резания за счёт уменьшения сил трения в зоне контакта стружки с инструментом способствует росту устойчивости резания. В этой связи, для повышения надёжности процесса резания, разработана система диагностики для станков с ЧПУ его динамической устойчивости, основанная на оценке фрактальной размерности аттрактора при анализе сигнала ВАЭ по мере изнашивания режущего инструмента в режиме реального времени.

5. Проведены стойкостные испытания режущего инструмента с различными составами покрытий. Установлено, что наибольшая стойкость режущего инструмента достигается при использовании режущего инструмента с наноструктурными покрытиями. При резании конструкционных и нержавеющих сталей стойкость инструмента увеличивается до 4 раз.

6. Исследован механизм разрушения покрытий, вызывающий изнашивания режущего инструмента в процессе резания. Показано, что в начальный момент резания происходит трещинообразование покрытия, а затем отрыв его частиц. Частицы покрытия могут залегать в местах вырыва зёрен карбидной фазы твёрдосплавной основы и тем самым упрочнять её, способствуя повышению сопротивляемости изнашиванию на участке «нормального» износа. На основе выявленного механизма изнашивания инструмента, разработаны новые составы наноструктурных покрытий, обеспечивающие повышение работоспособности инструмента при обработке конструкционных и нержавеющих сталей.

Практическая значимость заключается в результатах производственных испытаний режущего инструмента в условиях действующего производства ООО «Нижегородские моторы» группа ГАЗ. Показано, что при точении коррозионностойкой стали было достигнуто повышение стойкости режущего инструмента в 4 раза по сравнению с инструментом без покрытия.

Реализация результатов работы. Полученные результаты, используются в учебном процессе кафедры «Технология и оборудование машиностроения» НГТУ им. Р.Е. Алексеева, а также в условиях действующего производства ООО «Нижегородские моторы» группа ГАЗ.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Результаты комплексных исследований эффективности составов покрытий для инструмента при резании с оценкой сил резания, усадки, и устойчивости процесса резания путём построения аттракторов и фрактальной размерности при анализе сигналов виброакустической эмиссии.

2. Результаты исследований структуры покрытий с использованием растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа, силового туннельного электронного микроскопа, а также других характеристик покрытия.

3. Результаты стойкостных лабораторных и производственных испытаний инструмента с различными составами покрытий при обработке конструкционных и нержавеющих сталей.

4. Рекомендации по повышению эффективности использования режущего инструмента с покрытием в производственных условиях.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены и обсуждены на: VI международной молодёжной научно-технической конференции «Будущее технической науки». – Н.Новгород – 2007г.; Научно-технической конференция молодых специалистов группы ГАЗ – 2008г., 2011г.; 9-ой специализированной выставке «Машиностроение. Станки. Инструмент», 2010г.; расширенном заседании кафедры «Технология и оборудование машиностроения», 2010... 2012г.г.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 4 печатных работах, из которых 1 в центральных журналах, 1 в зарубежном, статей в сборниках трудов 2.

Получен патент на полезную модель «Режущая пластина» №107987

Личный вклад автора состоит в разработке методик исследования, организации и проведении производственных испытаний образцов покрытий, обработке результатов экспериментов. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения и разработаны основные выводы работы. Интерпретация результатов всех проведённых исследований и выводы сделаны автором. Автором разработаны новые составы наноструктурных покрытий для режущего инструмента.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложений, изложена на 140 страницах, включает 57 рисунков, список литературы из 126 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы. Сформулированы цели, научная новизна и задачи исследования, приводится краткое содержание работы.

В первой главе приведён аналитический обзор литературных и интернет источников по вопросам повышения работоспособности режущего инструмента. Изложены механизмы изнашивания режущего инструмента и методы повышения его работоспособности. Анализ источников показывает, что наиболее перспективным направлением повышения работоспособности инструмента является нанесение износостойких покрытий. Большой вклад в разработку механизмов изнашивания твердосплавного РИ и повышение его работоспособности внесли Аваков А.А., Жарков И.Г., Зорев Н.Н., Бобров В.Ф., Верещака А.С., Григорьев С.Н., Кабалдин Ю.Г., Клушин М.И., Кретинин О.В. Кудинов В.А., Лоладзе Т.Н., Полетика М.Ф., Остафьев В.А., Подураев В.Н., Резников А.Н, Розенберг А.М., Силин С.С., Старков В.К., Талантов Н.В. и др.

Важные исследования в области инструмента с износостойкими покрытиями выполнены научными коллективами государственного технического университета «Мосстанкин», научно-исследовательского технологического университета «МИСиС», Ульяновского государственного технического университета, ВНИИТС и др.

Однако к современному инструменту предъявляются высокие требования как по износостойкости, так и надёжности. Надёжность – это безотказность работы в установленный период. Износостойкость и надёжность в значительной степени определяется динамическими характеристиками технологической системы – устойчивостью процесса резания. Это обусловливает необходимость новых подходов к выбору составов и структуры износостойких покрытий.

В последние годы появились работы, где сообщается о возможности формирования в покрытиях наноструктурного состояния. Однако этот вопрос мало изучен и требует дальнейших исследований.

Существует ряд методов осаждения покрытий на режущие пластины – CVD и PVD. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Метод CVD обеспечивает более высокую прочность сцепления покрытия с твердосплавной основой. Метод PVD (метод КИБ, магнетронный и т.д.) обладает большей гибкостью в смысле формирования широкого спектра по составу покрытий.

В этой связи, целью настоящей работы явилась разработка наноструктурного режущего инструмента для повышения эффективности процесса резания.

На основании вышеизложенного, были сформулированы следующие задачи:

1) провести анализ существующих методов осаждения и составов износостойких покрытий для режущего инструмента;

2) провести комплексное исследование влияния составов покрытий на основные выходные параметра процесса резания (силы резания и устойчивость процесса резания);

3) с использованием современной аппаратуры определить наноструктурный характер осаждаемых на режущий инструмент покрытий;

4) исследовать механизм разрушения покрытий и разработать рекомендации по повышению износостойкости режущего инструмента с покрытием, разработать наноструктурные покрытия, обеспечивающие высокую работоспособность;

5) провести исследование режущего инструмента с наноструктурными покрытиями в условиях действующего производства и разработать рекомендации для их эффективного использования.

Во второй главе изложены методики исследования как выходных параметров процесса резания ( сил резания, устойчивости процесса резания), так и оценке структурного состояния покрытия.

Обработке подвергались сталь 45 и нержавеющая сталь 1Х18Н10Т. Приведено описание экспериментальной установки, состоящей из токарно-винторезного станка мод. 1К62 и измерительной аппаратуры, включающий динамометр, резец с датчиком для регистрации виброакустической эмиссии (ВАЭ).

На рис.1 приведена обобщённая схема регистрации и обработки ВАЭ при резании. При этом полученные осциллограммы рассматривались как временные ряды, на основе которых определялась фрактальная размерность ВАЭ сигнала.

Рис.1. Этапы получения временных рядов, характеризующих динамическую систему токарного станка в процессе механической обработки резанием

Приведены схемы получения покрытий методом магнетронного распыления, составы покрытий и результаты их лабораторных исследований (модуль упругости, микротвёрдость и т.д.).

В третьей главе приведены результаты исследования сил резания, усадки стружки, угла сдвига и температуры резания.

При обработке сталь 45 (рис. 2) наибольшие силы резания: Pz, Py наблюдались при работе пластинами без покрытия, а также с покрытием TiCN, наименьшие силы резания были зафиксированы (так же, как и при обработке нержавеющей стали) при работе пластинами с покрытием AlTiN.

Рис. 2 Зависимость силы резания Pz при обработке стали 45 от скорости резания:

Sо=0,39 мм/об; t=1мм; =90°

Исследования показали, что при обработке нержавеющей стали 1Х18Н10Т наибольшие силы резания Pz, Py (Pz порядка 370…450Н; Py порядка 370…420Н) зафиксированы при работе пластинами без покрытия, а также с покрытием AlCrN. Наименьшие величины сил резания наблюдаются при работе пластинами с покрытием AlTiN.

Приведены результаты исследования зависимости коэффициента усадки стружки (рис. 3) и угла текстуры (рис. 4) от скорости резания и состава покрытия режущего инструмента при обработке стали 45.

Рис. 3 Зависимость коэффициента усадки стружки от скорости резания:сталь45 Sо=0,39 мм/об; t=1мм; =90°

Рис. 4 Зависимость угла сдвига текстуры от скорости резания: сталь 45, Sо=0,39 мм/об; t=1мм; =90°

На рис. 5 приведена зависимость стойкости Т инструмента от скорости резания V. Как следует из рис. 5 наибольшая стойкость была зафиксирована при обработке режущим инструментом с покрытием AlTiN. Наименьшую стойкость инструмента показали пластины с покрытием AlCrN.

 Зависимость стойкости режущего-4

Рис.5 - Зависимость стойкости режущего инструмента с различными видами покрытий к изнашиванию при обработке стали 1Х18Н10Т от скорости резания

а)

 б) Аттракторы сигнала ВЭА при-9

б)

Рис. 6 - Аттракторы сигнала ВЭА при резании стали 45 (V=120 м/мин, Sо=0,12 мм/об; t=0,5мм) инструментом с покрытиями а) AlTiN, б) AlCrN

Таблица 1 - Фрактальная размерность и аттракторы при анализе акустического сигнала при резании сталь 45 V=100 м/мин t=1мм, S=0,12 мм/об

Вид покрытия Фрактальная размерность
TiCN 1,17
AlCrn 1,18
AlTiN 1,16
AlTiN-TiN-ml 1,17
Без покрытия 1,22


Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.