Основи лезової обробки зносостійких захисних покриттів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ім. В. М. БАКУЛЯ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню

доктора технічних наук

Основи лезової обробки зносостійких захисних покриттів

Клименко Сергій Анатолійович

Київ 1999 р.

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Інституті надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України.

Наукові консультанти - Е. В. Рижов

доктор технічних наук, професор, Інститут надтвердих матеріалів НАН України, завідувач відділом М. В. Новіков

академік НАН України, доктор технічних наук, професор, Інститут надтвердих матеріалів НАН України, директор

Офіційні опоненти - О. О. Розенберг

доктор технічних наук, професор, Інститут

надтвердих матеріалів НАН України, завідувач відділом Б. В. Лупкін

доктор технічних наук, старший науковий

співробітник, Адміністрація Президента

України, головний консультант-інспектор

Контрольної служби Н. С. Равська

доктор технічних наук, професор, Національний

технічний університет України "КПІ", завідувач кафедрою

Провідна організація - Харківський державний політехнічний

університет Міносвіти України

Захист відбудеться "15" квітня 1999 р. о 13 годині 30 хвл. на засіданні спеціалізованої Наукової Ради Д 26.230.01 Інституту надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України за адресою: 254074, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України.

Автореферат розісланий "12" березня 1999 р.

Учений секретар спеціалізованої

Ради, д.т.н., професор А. Л. Майстренко

1. Актуальність проблеми

Розвиток сучасного машинобудування неподільно пов'язаний з підвищенням надійності деталей машин і механізмів, зниженням енерго- і матеріалоємності виробництва і потребує широкого використання нових прогресивних технологій.

В зв'язку з цим велике значення має забезпечення захисту поверхні деталей і конструкцій від зносу. Тривалий час для цього використовувались об'ємно-леговані матеріали. Однак, економічно і технічно доцільно розвивати принципово інший підхід до вибору матеріалів вже на стадії проектування виробів: механічна міцність деталей гарантується за рахунок впровадження одного матеріалу, а специфічні якості поверхні досягаються в результаті формування на ній тонких шарів інших матеріалів - покриттів.

В теперішній час до числа направлень, які найбільш активно розвиваються в галузі захисних покриттів, відносяться методи наплавки і напилення.

Однак, впровадження зносостійких покриттів стримується в зв'язку з нестачею науково обгрунтованих рекомендацій з їх продуктивності і якісної обробки. Особливо це відноситься до лезової обробки наплавлених і напилених покриттів твердістю 40-65 HRC_е, зокрема нанесених порошковими дротами, спеченими стрічками та із самофлюсуючихся порошків системи Ni-Cr-B-Si.

Процес різання покриттів відрізняється від різання монолітних матеріалів. Утворюєма стружка легко розподіляється на елементи, які мають велику кількість тріщін і дефектів. Пористість матеріалу покриттів, знижуючи теплопровідність на 20% і більше та зменьшуючи істиний переріз зрізаємого шару, викликає збільшення деформації в процесі утворення стружки. Температура різання покриттів перевищує температуру при обробці монолітних матеріалів ідентичного складу.

Низька обробність покриттів є також слідством великої стираючої здібності твердих включень, які є в них.

Перспективним методом обробки зносостійких покриттів є лезова обробка інструментом з полікристалічних надтвердих матеріалів (ПНТМ) на основі кубічного нітриду бора (КНБ).

Процеси лезової обробки супроводжуються більш низькими енергозатратами і, підчас, більш продуктивні, ніж шліфування. Точіння в багатьох випадках забезпечує вимоги за якістю, яке висувається до робочих поверхонь деталей. Тому дослідження процесу лезової обробки деталей з наплавленим і напиленим поверхневим шаром являє собою значний науковий і практичний інтерес.

Наукові дослідження і розробки автора в 80-х роках були направлені на виконання робіт з проблеми 1.11.5.8 "Наукові основи підвищення надійності і ресурсу за критеріями зносостійкості" Класифікатора актуальних наукових направлень АН СРСР на 1986 - 1990 р. р. і на період до 2000 р. (теми НДР ІНМ АН України - 1820, 1822, 1829, 1831). В період з 1992 по 1998 р. р. роботи виконувались в рамках державних науково-технічних програм ДНТП України 05.43. "Ресурсозберігаючі технології механічної обробки і засобів з'єднання матеріалів", 04.04 "Високоефективні технології механоскладального виробництва", державної науково-технічної програми Міннауки України 04.02. "Високоефективні технології механоскладального виробництва" пріорітетного напрямку розвитку науки і техніки 4. "Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології", тем НДР ІНМ НАН України 1842, 1851, 1854.

Мета роботи. Підвищення ефективності лезової обробки і забезпечення потрібного стану поверхневого шару деталей машин з наплавленими і напиленими захисними покриттями високої твердості на основі розробки системних уявлень про процес з урахуванням особливостей структури та властивостей гетерогених матеріалів покриттів та впровадження ріжучого інструменту з полікристалічних надтвердих матеріалів.

Методологія і методи досліджень. Методологічною основою роботи є системний підхід до вивчення і опису дослідного об'єкту, процесів контактної взаємодії ріжучого інструменту з наплавленими і напиленими деталями, закономірностей формування стану їх поверхневого шару.

Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорії різання, сучасної статистичної теорії та методології, фізико-хімічної теорії контактної взаємодії, фрактальних уявлень про природу поверхонь, теорії випадкових функцій.

Експериментальні дослідження базуються на теорії імітаційного моделювання, математичного планування експериментів, на апараті дисперсійного і кореляційного аналізів, на широкому використанні обчислюючої техніки.

При виконанні роботи застосовували сучасні методи оцінки параметрів стану поверхевого шару матеріалів і деталей, зокрема профілометрірування, растрову електронну і тунельну мікроскопію, оже-спектроскопію, спектральний и рентгенівський мікроаналізи, вторинну електронну мас-спектрометрію, деформаційно-спектральний і металографічний аналізи, метод екзоелектроної емисії та ін.

Автор захищає: 1. Поняття і структуру системи випадкового збудження при обробці різанням захисних покриттів, яка включає до себе три підсистеми: - структури і властивостей покриттів, пов'язану з нестабільністю структури і властивостей наплавлених і напилених покриттів; - різання, визначаєму контактною взаємодією інструмента з дефектним поверхневим шаром покриттів; - технологічного обладнання, зумовленою шорсткістю обладнання, пристроїв, деталі і інструменту.

2. Запропонований критерій оцінки обробності наплавлених і напилених матеріалів, поданий сумою величин інформаційних ентропій основних показників підсистем: - ентропії сукупності механічних властивостей покриття, ентропії сукупності ординат профілю поверхні покриття і ентропії сукупності величин жорсткості (піддатливості) обладнання, пристроїв, деталі, інструменту.

3. Оригінальну методику вибору відносної працездатності інструментальних матеріалів за деформаційно-спектральними параметрами поверхневого шару.

4. Розроблені уявлення про механізм зношування ріжучого інструменту за рахунок утворення, плавління і вилучення із зони контакту інструменту зі стружкою і деталлю продуктів хімічної взаємодії інструментального матеріалу (на основі КНБ) з обробним (на основі Fe і Ni) і елементами довкілля.

5. Концепцію формування шорсткості поверхні при точінні гетерогених матеріалів покриттів, основану на урахуванні впливу кінематико-геометричних умов процесу обробки, пластичних явищ в зоні різання, наявності дефектів (типу пор) в обробному матеріалі, рівня жорсткості технологічної системи.

6. Обгрунтування шляхів підвищення ефективності процесів лезової обробки наплавлених і напилених захисних покриттів за рахунок управління закономірностями процесу різання і властивостями інструментального та обробного матеріалів.

7. Розроблені засоби обробки різанням і конструкції ріжучих інструментів, в яких реалізуються розроблені уявлення і досліджені особливості процесів лезової обробки захисних покриттів.

Наукова новина роботи:

- на основі аналізу процесу обробки покриттів як складної системи з урахуванням стохастичного характеру взаємодії інструменту із заготовкою, запропонований новий підхід до оцінки обробності захисних покриттів за сумою інформаційних ентропій сукупності даних про механічні якості покриттів як матеріалів з гетерогеною структурою, розміри параметрів профілю поверхні покриттів і розміри жорсткості технологічного обладнання;

- вперше встановлено, що при обробці гетерогених матеріалів покриттів коефіцієнт терття на передній поверхні інструменту із ПНТМ на основі КНБ відповідає умовам рідкого терття, дотичні напруги в площині зсуву в 2 - 3 рази меньші, а нормальний тиск на задній поверхні інструменту в 1,5 - 2,25 разів більше у порівнянні із значеннями, визначеними для конструкційних сталей такої самої твердості з гомогеною структурою;

- встановлено, що при обробці покриттів зі швидкостями різання до 0,5 - 1,8 м/с зношування інструменту з ПНТМ на основі КНБ визначається інтенсивністю утворення евтектичних з'єднань типу Ме-Ме_хВ з елементів інструментального та обробного матеріалів, а при швидкостях різання більше ніж 2 - 3 м/с, коли в зоні різання реалізуються термобаричні умови, які відповідають потужності понад 1250 - 1350 Вт, найбільше впливає на зношування інструменту інтенсивність окислення інструментального матеріалу;

- запропонований новий принцип управління працездатністю інструменту за рахунок введення в склад інструментального матеріалу чи оточуєче інструмент середовище речовин, які забезпечують при певних термобаричних умовах, під час процеса різання, підвищений парціальний тиск азоту в зоні обробки;

- в результаті виконання досліджень розроблена методологія прогнозування і оцінки імовірності технологічного забезпечення потрібних показників стану поверхневого шару покриття після його обробки.

На базі системних уявлень про процес та результатів дослідження термосилових закономірностей, особливостей механіки і фізико-хімії контактної взаємодії при лезовій обробці гетерогених наплавлених і напилених покриттів розроблені методології вибору інструментального матеріалу і умов обробки покриттів за характеристиками їх структури і властивостей, імовірності забезпечення необхідної якості поверхневого шару після обробки, обгрунтовані шляхи підвищення ефективності технології і створені основи лезової обробки зносостійких захисних покриттів.

Практична цінність роботи. Використовуємий методологічний підхід, запропонований автором, дає можливість на основі попередньої інформації вибрати найбільш ефективний матеріал для оснащення ріжучого інструменту, вибрати геометричні параметри інструменту і режими обробки наплавлених і напилених захисних покриттів, оцінити можливості по забезпеченню потрібних параметрів стану поверхневого шару покриттів, забезпечити підвищення працездатності виробів з покриттям. При цьому створена здатність провадити лезову обробку деталей з покриттями, які раніш оброблялись тільки шліфуванням або не оброблялись зовсім. В порівнянні із застосуванням інструменту з твердих сплавів продуктивність запропонованої обробки збільшується в 1,3 - 6 разів з одночасним підвищенням стійкості ріжучого інструменту в 2 - 10 разів. В порівнянні з процесами алмазно-абразивного шліфування продуктивність лезової обробки збільшується в 2 - 4 рази.

Реалізація результатів і ефективність роботи. Результати виконаних досліджень знайшли і отримують нове застосування на підприємствах вугільної і гірничо-видобувної промисловості, чорної і кольорової металургії, машинобудування та інших галузей промисловості, а також в навчальному процесі при підготовці інженерів-технологів для промислових підприємств Україні, увійшли в КТМ "Технологічні процеси обробки покриттів, напилених газотермічними методами. Типовий технологічний процес КТМ ІЕЗ-9-90".

Загальний економічний ефект від впровадження результатів роботи з 23 господарських договорів складає понад 1,4 млн. рублів при пайовій участі автора понад 650 тис. рублів в цінах 1992 р.

Особистий внесок автора складає:

- розробка основ лезової обробки захисних покриттів, які базуються на положеннях системного аналізу;

- розробка уявлень про систему випадкового збудження при лезовій обробці захисних покриттів і критерію оцінки обробності різанням наплавлених і напилених покриттів;

- розробка уявлень про механізм зношування ріжучого інструменту з полікристалічних надтвердих матеріалів на основі кубічного нітриду бора, які базуються на результатах термодинамічних розрахунків і експериментів з вивчення хімічної взаємодії інструментального і обробного матеріалів з урахуванням впливу довколишнього середовища;

- розробка оригінальної методики вибору інструментального матеріалу для оснащення ріжучого інструменту для обробки захисних покриттів, заснованої на використанні результатів деформаційно-спектрального аналізу поверхневих шарів інструменту і обробного покриття;

- розробка концепції формування нерівностей на обробній поверхні, яка враховує кінематико-геометричні закономірності процесу різання, наявність в обробному матеріалі дефектів типу пор, нестабільність властивостей матеріалу покриття і вплив пластичної деформації зрізаємого шару покриття перед передньою поверхністю інструменту;

- оцінка можливості технологічного забезпечення якості поверхневого шару деталей з покриттями;

- обгрунтування шляхів підвищення ефективності процесу обробки наплавлених і напилених матеріалів.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи докладались і надруковані в збірках докладів і матеріалів понад 80 науково-технічних конференцій, семінарів, симпозіумів, конгресів, в тому числі понад 30 Міжнародних, зокрема 7 conferencia so zahranicnov ucastov "NASTROJE, 89" (Bratislava, Slovakia, 1989), VI Krajowa Konferencja Naukovo-Techniezna "Postery w teorii i technike obrobki materialow" (Krakow, Polsha, 1990), VII nemzetkozi szerszam konferencia es kialliias (Miscolc, Hungary, 1990), 2-й та 3-й Міжнародні симпозіуми українських інженерів-механіків у Львові (м. Львів, Україна, 1995, 1997), 6th European Conference on applications of surface and interface analysis "EcAsia'95" (Montreux-Lausanne, Switzerland, 1995), "Технология-96" (м. Новгород, Росія, 1996), XXVIth International Symposium of Production Mechanical Engineering (Podgorica-Budva, Yugoslavia, 1996), 14th International Plansee Seminar (Reutte, Tyrol, Austria, 1997), 6th International Conference on flexible technologies (Novi Sad, Yugoslavia, 1997), 1th World Tribology Congress (London, UK, 1997), 1th International Conference of DAAAM National Estonia "Industrial Engineering-Actual Activities" (Tallinn, Estonia, 1997), 2th Joint American-Eastern European Conference "New Materials And Technologies In Tribology (NMTT-97). Surface Engineering, Diagnosis and Monitoring" (Minsk - Grodno - Warsaw, Belarus-Polsha, 1997), 9th International Conference on Modern Materials & Technologies " CIMTEC'98". World Ceramics Congress & Forum on new Materials (Florence, Italy, 1998), "Пленки и покрытия'98" (м. Санкт-Петербург, Росія, 1998), 27th Conference on Production Engineering of Yugoslavia with Foreign Participants (Nis-Niska Banja, Yugoslavia, 1998).

Публікації. Результати досліджень, подані в дисертації, надруковані в 190 працях, в тому числі 4 монографіях, 7 брошурах, 80 статтях. Список основних 53 праць наведений в авторефераті. На 20 методичних і конструкторських розробок отримані авторські свідоцтва СРСР і патенти України та Росії. Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, восьми розділів, загальних висновків, переліку використованої літератури із 373 найменувань і додатку. Робота викладена на 250 сторінках машинописного тексту із 125 малюнками і 62 таблицями. Загальний об'єм роботи 461 сторінок, в т.ч. додаток на 54 сторінках.

2. Вміст роботи

лезовий обробка покриття ріжучий

Структура дисертації відповідає послідовності розробки методик досліджень, проведення експериментальних і теоретичних робіт, аналізу і обговорення результатів, обгрунтування висновків.

Перший розділ. Теперішні дослідження є логічним продовженням робіт вітчизняних і зарубіжних учених: Ангелла Г.М., Іващенка Г.О., Карюка Г.Г., Коломійця В.В., Кудрявцева Ю.Г., Мощенка В.І., Муковоза Ю.О., Пилипенка О.М., Полонського Л.Г., Рижова Е.В., Сорбата В.І., Фельдштейна Е.Е., Філонникова О.Л., Харламова Ю.О., Харченкова В.С., Ящерицина П.І., Baik M.-Ch., Bell G.R., Biemann D., Csaba V., Grettman D., Hayami T., Ikuta T., Inui V., Meister D., Muller P., Pauc A., Steinmetz K та інших учених, які вивчають питання обробки покриттів лезовим інструментом.

Аналіз літературних даних показує, що питання обробки захисних покриттів зберігають свою актуальність. Особливо це відноситься до покриттів із сплавів на основі заліза, нікеля, хрома, а також самофлюсуючихся сплавів систем Ni-Cr-B-Si, Fe-Cr-B-Si-C. Електродугова і плазмена наплавки, газопламене і плазмене напилення є найбільш застосовуємими технологіями нанесення таких покриттів.

Поліпшити техніко-економичні показники процесу різання наплавлених і напилених покриттів твердістю HRC_е 40-65 можливо за рахунок впровадження інструменту, оснащеного полікристалічними надтвердими матеріалами (ПНТМ) на основі кубічного нітриду бора (КНБ). Однак і в цьому випадку процес обробки характерізується низькою працездатністю, особливо при видалені корки покриття, та інтенсивним зношуванням інструменту. Часто споживачі відмовляються від застосування перспективних матеріалів для покриттів через проблеми, які виникають при їх механічній обробці.

Ефективний вибір інструментального матеріалу для обробки покриттів повинен грунтуватися на значному числі статистичних даних, що неможливо при проведенні стійкісних випробувань. Особливий інтерес представляє прогнозування працездатності ріжучого інструменту, яке базується на аналізі властивостей його матеріалу, що дозволило б знизити витрати на проведення експериментальних робіт, а також дало б можливість оцінювати найбільш ефективні галузі застосування нових інструментальних матеріалів.

Практично відсутні роботи з ціленаправленого конструювання ріжучих інструментів з урахуванням особливостей процесів обробки захисних покриттів.

Недостатньо вивчено вплив властивостей захисних покриттів на вибір режимів різання. Практично відсутні дослідження з вивчення впливу особливостей структури і властивостей покриттів на експлуатаційні характеристики інструменту - знос та стійкість. Механізм зносу інструменту з ПНТМ при обробці покриттів вивчений вкрай мало. В зв'язку з цим, недостатньо пропозицій з управління працездатностю інструмента.

Аналіз літературних даних з впливу умов обробки на якість та експлуатаційні властивості деталей з покриттями показав, що досліджень в даному напрямку недостатньо. В окремих роботах розглядаються питання шорсткості поверхні, впливу умов різання на зміцнення і залишкові напруги в поверхневому шарі. Однак, ці роботи малочислені, а результати досліджень фрагментарні і суперечні.

Як видно, актуальною є задача підвищення ефективності лезової обробки і забезпечення потрібного стану поверхневого шару деталей машин з наплавленими і напиленими захисними покриттями високої твердості на базі урахування особливостей структури і свойств гетерогених матеріалів покриттів і застосування ріжучого інструменту з полікристалічних надтвердих матеріалів.

Другий розділ. Захисні покриття характерізуються значним розміром і нестабільністю механічних властивостей, складністю і неоднорідністю хімічного складу, більшим перемінним припуском на обробку, можлива наявність в обробному матеріалі твердих включень, раковин, пор. Для підвищення ефективності обробки таких складних багатофакторних об'єктів процес необхідно розглядати з позицій системного підходу.

У відповідності з системними уявленнями, виходячи з мети розглядаємої системи S, постулюється правило, за яким провадиться її декомпозиція - об'єктами нижнього рівня декомпозиції системи обробки покриття є елементи, які визначають параметри взаємодії інструменту з деталлю і режими різання.

На основі наявного досвіду і аналізу літературних даних постулюємо, що для опису системи обробки покриття S достатньо розглянути деяку умовну систему I_S, яка включає імітаційні і натуральні моделі, адекватно визначаючі зв'язки в системі S. Структура умов системи включає модель системи випадкового збудження D_S, яка описує обробний об'єкт у взаємозв'язку з використовуємим технологічним обладнанням, модель зношування ріжучого інструменту D_I і імітаційну модель формування мікронерівностей на обробній поверхні D_Sh, а також натуральні моделі формування технологічних характеристик процесу обробки D_N.

Враховуючи нестабільність механічних властивостей, неоднорідність хімічного складу, наявність на деталях з покриттями відхилень макро - і мікрогеометрічні параметри поверхонь, нестабільність жорсткості використовуємого технологічного обладнання, має сенс говорити про наявність при обробці різанням таких гетерогених матеріалів і виробів системи випадкового збудження D_S.

Така система зображується, як система, яка має три підсистеми (мал.1). Верхній рівень {M₁} системи зумовлений жорсткістю технологічного обладнання, пристроїв, інструменту і деталі (умовно - технологічного обладнання). Середній рівень {M₂} системи випадкового збудження пов'язаний з наявністю на поверхні виробів з покриттями макро - і мікронерівностей, відхилення форми виробів і зумовленими цими особливостями контактування з ріжучим інструментом. На нижньому рівні {M₃} розглядаються неоднорідності структури і механічних властивостей наплавлених і напилених матеріалів.

Параметри, визначаючі елементи, які входять у відповідну підсистему є імовірними. Ці параметри мають ступінь непевності, натуральною мірою якої виступає інформаційна ентропія за Шенноном Н. Вважаючі підсистеми незалежними, для всієї розглядаємої системи випадкового збудження по правилу складання ентропій отримуємо

	(1)

Наведений вираз інваріантно відносно абсолютного рівню параметрів, визначаючих випадкове збудження в підсистемах. В той же час абсолютна величина цих параметрів Х_i безпосередньо впливає на вихідні показники процесу обробки, тому в кінцевому вигляді залежність для критерія оцінки обробності покриттів різанням приймається у вигляді

	(2)

Для визначення залежності між характеристиками механічних властивостей, наприклад, твердістю матеріалу, і хімічним складом покриття скористуємося поняттям статистичної ваги атомів стабільних конфігурацій SVASK. В зв'язку з відсутністю в теперішній час певних кількісних даних з фазового складу наплавлених и напилених матеріалів як величини, кількісно оцінюючої хімічний склад розглядаємих матеріалів, розраховуємо SVASK матеріалу як сумарний SVASK для елементного складу вихідних компонентів покриттів. Математична обробка даних за величинами SVASK і середній твердості нанесених покриттів розділених по групам технологій отримання вихідних матеріалів і нанесення покриттів дозволила отримати лінійні залежності, які пов'язують твердість матеріалів з їх хімічним складом. Таким чином, як характеристики властивостей покриттів в подальшому використовуємо тільки їх твердість.

Вхід { X }	Структура системи S={ a, p, R }	Вихід { Y }	Функція { Т }
середа { X1 }	{ a1 }: верстат, устаткування, інструмент, деталь { p1 }: контактна жорсткість, деформація { R1 }: контактна взаємодія	{ Y1 } зміщення вершини інструменту	{ Т1 }: точність і якість виробів з мінімальними витратами
припуск { X2 }	{ a2}: інструмент, деталь, стружка, середовище { p2 }: склад, структура матеріалу композита, структура поверхні покриття { R2 }: механічна і хімічна взаємодії	{ Y2 } сила і температура різання	{ Т2 }: зйом припуску
{ X3 } елементний хімічний склад	{ a3 }: компоненти матеріалу покриття, технологічні фактори формування покриття { p3 }: хімічні і механічні властивості елементів { R3 }: хімічна і механічна взаємодії	{ Y3 } склад і властивості композиту	{ Т3 }: забезпечення експлуатаційних властивостей виробів

Мал.1. Система випадкового збудження.

Для статистичної оцінки твердості поверхневого шару покриття і ентропії сукупності її значень Н₁ використовуємо метод деформаційно-спектрального аналізу. Із аналізу трибограм виходить, що середня величина твердості Р поверхневого шару матеріалу на довжині траси сканування і величина ентропії Н₁ механічних властивостей дослідного матеріалу визначаються по залежностям



,

де p_i - ордината i - го максимуму на трибограмі; N - кількість розглядаємих крапок трибограми; С - коефіцієнт, який залежить від температури.

Вхідним параметром другої підсистеми є змінна глибина різання, пов'язана з наявністю на поверхні покриття значних макронерівностей. Аналіз сукупності ординат профилю поверхні покриттів при різному кроку виміру дозволяє припустити наявність на розглядаємих поверхнях фрактальних властивостей (табл.1). Використовуючи метод нормованого розмаху Херста, враховуючи довжину заразка L і максимальну висоту нерівностей на поверхні R, отримуємо вираз для визначення величини ентропії сукупності ординат профилю поверхні покриття H₂ через величину її фрактальної розмірності D

	(5)

Таблиця.1. Фрактальна розмірність D профилю поверхонь покриттів

Покриття, матеріал, метод нанесення	D
ПГ-СР4, порошок гранульований, автоматична широкополосна плазмена наплавка	1,4884
ПП-Нп-25Х5ФМС, порошковий дріт, електродугова наплавка під слоєм флюсу	1,6522
ПГ-10Н-01, порошок гранульований, ручне газопламене напилення з оплавленням (довгий зразок)	1,2485
ПГ-10Н-01, порошок гранульований, ручне газопламене напилення з оплавленням (короткий зразок)	1,0822
ПС-12НВК-01, поршкова суміш, автоматичне плазмене напилення з оплавлінням	1,325

Гістограми пружніх деформацій в токарних верстатах за результатами вимірів, що виконав у відповідності з ГОСТ 18097-72 В. К. Старков, з гарним приближенням апроксимуються логарифмічно нормальним розподілом. Вираз для розрахунку параметру Н₃ через дисперсію величини пружніх деформацій ₁ має вигляд

	(6)

Третій розділ. Особливості структури і властивостей покриттів визначають термосилові закономірності їх обробки.

В теперішній роботі сили на задній поверхні інструменту визначали за результатами рішення пружньої контактної задачі про впровадження ріжучої кромки в матеріал покриття, моделюючи її у вигляді сферичного індентора. В результаті отримані рівняння, які враховують механічні властивості покриттів (HB₀, E₀, H_прж, ) і особливості їх структури, зокрема, пористість (A, k, n), фрактальну розмірність (D) поверхні деталі з покриттям, параметри режиму різання (t_пост), геометричні параметри інструменту (R, , , _р, _1р) і величину зносу інструменту по задній поверхні (h_з)

	(7)

Проведені розрахунки показників механіки контактної взаємодії показали, що напруга в умовах площини зсуву при різанні наплавленого металу в 2,1 разів меньше розрахункового для гомогених сталей тієї ж твердості. Вказане зумовлено, можливо, слабким міжкристалічним зв'язком і домішками на межі зерен покриттів, знижуючими напругу при зсувній деформації більше ніж в два рази. Однак, при деформації, зумовленої вдавлюванням ріжучого леза в обробний матеріал, ці особливості структури наплавленого металу подібним чином не проявляються. Навпаки, при величині коефіцієнту терття на передній поверхні інструменту _n = 0,02, сходимість розрахованих і дослідних значень сил забезпечується при величинах q_Nз в 1,5 разів більших в порівнянні з тими, які трапляються при різанні звичайних конструкційних матеріалів.

Аналогічні розрахунки, проведені за результатами оцінки сил різання при точінні напилених покриттів, показують, що точіння порошкових матеріалів при оптимальних швидкостях різання характеризуються десь в 3 рази меншою дотичною напругою в площині зсуву і в 2,25 разів більшим нормальним тиском на задній поверхні інструменту в порівнянні з визначеними, виходячи з механічних характеристик, для гомогених сталей.

Отримані експериментальні залежності температури різання від швидкості різання при точінні наплавлених та напилених матеріалів. Для точіння наплавлених покриттів характерно монотонне збільшення температури різання з ростом швидкості різання, при цьому температура різання при обробці плазмено наплавлених покриттів на основі Ni на 150 - 200 С вище, ніж при обробці покриттів на основі Fe, нанесених електродуговою наплавкою.

При обробці напилених покриттів залежність має екстремальний характер (максимальна температура 1150 - 1200 С). Як теоретично показав О. О. Виноградов, така залежність можлива при зменьшенні коефіцієнту терття на передній поверхні інструменту до величин 0,01 - 0,1, що, враховуючи наведені вище результати, є цілком імовірним при обробці покриттів різцями, оснащеними ПНТМ на основі КНБ.

Четвертий розділ. Враховуючи отримані результати про механіку і температурні закономірності процесу різання покриттів, у відповідності з постульованим уявленням про умовну систему, для розробки процесу обробки покриттів розроблена модель зношування ріжучого інструменту.

Як відмічалося вище, при вивченні закономірностей механіки контактної взаємодії інструменту з обробним покриттям сходимість експериментальних результатів і теоретичних розрахунків має місце при величині коефіцієнту терття на передній поверхні інструменту, яка відповідає умовам рідкого терття. При температурі в зоні різання 1200 С рідка фаза в контакті інструмент-стружка може з'явитися тільки при умові наявності хімічної взаємодії між контактуючими матеріалами і плавлення утворених з'єднань.

Аналіз діаграми стану систем Ме-В показав, що в зазначеній області температур має місце існування евтектики Ме-Ме_хВ з відповідною температурою плавління.

Термодинамічні розрахунки свободної енергії Гіббса Gr реакцій утворення боридів FeB (1), Fe₂B (2), Ni₂B (3), Ni₃B (4) (мал.2), проведені по залежності

,	(8)

показують, що при парціальному тиску азоту в зоні контакту 70 - 750 Па і тиску в контакті інструментального і обробного матеріалів 1 - 5 ГПа, температура початку взаємодії нітрида бора і металів складає 1200 С.

Модельні експерименти, проведені методом ДТА, підтвердили справедливість результатів, отриманих розрахунками.

В умовах модельної термоактивації контактної взаємодії (нагрів до 1200 С) контактуючих зразків із сталі і КНБ на повітрі здійснюється утворення нової хімічної речовини, яка містить -Fe, Cr, O, Al, B, N. Після охолодження утворений продукт взаємодії контактуючих матеріалів виглядає як сукупність окремих кристалів різної форми, що свідчить про його формування із рідкої фази.

Умови термотрибоактивації взаємодії реалізовувались безпосередньо в процесі різання покриття. Як видно з отриманих результатів, на контактних ділянках інструменту має місце утворення нових хімічних з'єднань, що підтверджується наявністю в ОЖЕ-спектрах ліній, відповідних B, N, O, C, Me і в спектрах позитивних вторинних іонів ліній, відповідних BN⁺, MeO⁺, MeC⁺, MeB⁺, MeN⁺ (табл. 2).

Аналіз отриманих даних і мікрофотографій зношеної частини інструменту дозволяє заключити, що поряд із взаємним переносом обробного і інстру-ментального матеріалів і зміною хімічного складу поверхневих шарів контактних поверхонь інструменту, має місце зміна складу поверхневого шару і на неконтактних ділянках, яке виявляється в утворенні, свого роду, покриття на ділянках передній і задніх поверхнях різця. В залежності від режимів обробки і розміру зносу інструменту змінюється зовнішній вигляд покриття, його конфігурація і розташування відносно ріжучих кромок і вершини. Порівняння енергетичних спектрів з контактною поверхнею інструменту і поверхні покриття, дозволяє зробити висновок, що покриття складається з окислів, карбідів, нітридів і боридів елементів, які входять в хімічний склад контактуючих матеріалів.

Таблиця 2. Відносний іоний склад поверхневого шару покриття.

Поверхня	52Сr+ 56Fe+	52Сr11В+ 56Fe+	52СrN+ 56Fe+	11BN+ 56Fe+	52СrO+ 56FeC+ 56Fe+	56Fe11B+ 56Fe+	56FeN+ 56Fe+	56FeO+ 56Fe+
Після обробки	0,77	0,77	0,29	0,38	0,63	0,62	0,12	0,37
Після травл. О2 (20 хвл.)	0,82	0,35	0,14	0,22	0,32	0,34	0,08	0,19
Після травл. О2 (30 хвл.)	0,71	0,09	0,07	0,11	0,15	0,15	0,04	0,15

Так як продукти зносу (рідка фаза) викидаються з зони контакту в навколишнє середовище і осідають на неконтактуючих з обробним матеріалом поверхнях ріжучого інструменту, то їх частинки знаходяться і в оточуючому зону різання газовому просторі. Частинки розплавленого матеріалу, попадаючи в повітря, приймають під дією сил гравітації і поверхневого натягу правильну сферичну форму і кристалізуються в такому вигляді з дендритною структурою. При цьому, вершина інструменту працює в "хмарі" із сферичних частинок продуктів взаємодії інструментального матеріалу з обробним і елементами навколишнього середовища, що підтверджено експериментально (а. с. 1817001). В хімічний склад сферичних частинок, який визначено спектральним аналізом і на рентгенівському мікроаналізаторі, входять елементи, які є в складі контактуючих матеріалів і в навколишньому середовищі (B, N, O, C, Fe, Cr, Si, Al).

Таким чином, наявність в зоні контакту інструменту із стружкою рідкої фази надійно підтверджується наведеними вище результатами досліджень. Цей ефект має місце і при обробці в різних газових середовищах - на повітрі, в аргоні і в азоті.

Швидкостям різання 0,5 - 0,75 м/с відповідає середня температура на контактній ділянці передньої поверхні 700 - 950 С. При таких температурах нагріву окислення інструментального матеріалу має низьку інтенсивність (мал. 3). В той же час, евтектична рідка фаза в зоні контакту інструментального і обробного матеріалів вже є. В таких умовах вплив газових середовищ на знос інструменту пов'язано із зниженням інтенсивності хімічної взаємодії зі збільшенням парціального тиску азоту (аргон повітря азот).

Збільшення швидкості різання більше 2 -3 м/с супроводжується зростанням температури на контактних ділянках інструменту більше 1050 - 1200 С. При роботі на повітрі інтенсифіцується окислення інструментального матеріалу. Введення в зону різання аргону знижує окислювальне зношування інструменту. Азотне середовище, окрім того, мінімізує зношування інструменту за рахунок зменьшення інтенсивності утворення рідкої фази евтектичного складу на контактних поверхнях інструменту.

Аналіз змін сил і температури різання з ростом швидкості різання при обробці наплавлених і напилених матеріалів показує, що окислення інструментального матеріалу на основі КНБ найбільше впливає на знос інструменту при термобаричних умовах, які відповідають потужності різання більш ніж 1250 - 1350 Вт.

Урахування пропонуємого механізму зношування полікристалів на основі КНБ дозволяє керувати працездатністю інструменту як на стадії виробництва ріжучих елементів, так и в процесі його експлуатації. Введення в склад полікристалу чи технологічного середовища речовини, яка є інгібітором реакцій взаємодії інструментального матеріалу з обробним і елементами навколишнього середовища або зсуваючого протікання цих реакцій в більш високотемпературну зону (наприклад, газоподібний азот), дозволяє збільшити продуктивність обробки виробів за рахунок зростання швидкості різання і підвищити стійкість ріжучого інструменту.

З ростом параметру H' працездатність інструменту знижується, що пов'язано з інтенсифікацією обох складових механізму зношування.

П'ятий розділ. Для ефективної обробки наплавлених і напилених покриттів особливе значення має правильний вибір матеріалу ріжучого інструменту. Враховуючи якості обробних матеріалів, вибір матеріалу для інструменту повинен провадитися на основі двох критеріїв.

На першому етапі використовуються методики, які враховують сукупність міцнісних якостей поверхневого шару дослідних матеріалів. Одним з таких методів є деформаційно-спектральний аналіз. Властивості поверхневого шару оцінюються комплексом числених характеристик: m - математичне чекання тангенційної складової сили контактної взаємодії індентора з поверхневим шаром; D_d - дисперсія сили контактної взаємодії; S - енергетична спектральна щільність розподілу сили контактної взаємодії.

Для порівняння властивостей поверхневого шару різних ПНТМ розроблений спосіб оцінки питомих параметрів m' і D_d' (а.с. 1758521).

З гами промислово випускаємих в теперішній період інструментальних матеріалів з ПНТМ на основі КНБ і твердих сплавів найбільшу зносостійкість мають полікристали кибориту і композиту 10, які мають високі значення параметру m' (2,2 - 2,3 Н) при найменьшому розкиді міцнісних властивостей D_d' (3^.10^-5 - 10^-6 Н²). Меньша працездатність інструменту з твердого сплаву підтверджується значно більш низькою величиною питомої сили контактної взаємодії m' (0,5 Н) і підвищеним розкидом міцнісних якостей D_d' (2,7^.10^-4 Н²) матеріалу.

Для оцінки працездатності інструментів в умовах ударних навантажень в аналіз слід включити параметри, які характеризують руйнування інструментального матеріалу, наприклад, коефіцієнт тріщіностійкості К_1c. Беручи до уваги значення К_1c (8,16 МПа^.м^1/2) і результати деформаційно-спектрального аналізу, можна зробити висновок, що в умовах ударних динамічних навантажень найбільш високі експлуатаційні якості має ПНТМ киборит.

На другому етапі провадиться експериментальне порівняння працездатності інструментів з вибраних матеріалів. Враховуючи специфічні властивості матеріалів наплавлених і напилених покриттів, відносно малу товщину шару і значну вартість покриття найбільш ефективним є метод, оснований на прогнозуємих розрахунках із залученням мінімально необхідних експериментальних даних. На мал. 4 представлені результати такого моделювання стійкісних експериментів.

Відносна ефективність застосування інструменту з дослідного матеріалу визначається крітерієм, який являє собою відношення зносу інструменту (hз) на одиницю знятого матеріалу (Q) в одиницю часу (T), до аналогічного показника для еталону

	(9)

В табл. 3. наведені значення критерію Е для обробки ряду покриттів.

Таблиця 3. Відносна ефективність обробки покриттів різцями, оснащеними ПНТМ з кибориту і твердого сплаву Т15К6.

Тип покриття	Матеріал покриття	Твердість HRCе	Коефіцієнт Е
Наплавка	ПП-Нп-18Х1Г1М ПП-Нп-35В9Х3СФ Нп-65Г ЛС-5Х4В3МФС (по корці)	38-42 44-48 45-52 52-55	16,2 24,2 25,4 36,0
Напилення	ПГ-СР3 ПГ-10Н-01	47-52 54-60	17,3 24,3

Критерій враховує ефект від застосування інструментального матеріалу за рахунок зміни стійкості інструменту і продуктивності обробки. Ефективність застосування інструменту з ПНТМ зростає із збільшенням твердості обробного матеріалу.

Критерій враховує ефект від застосування інструментального матеріалу за рахунок зміни стійкості інструменту і продуктивності обробки. Ефективність застосування інструменту з ПНТМ зростає із збільшенням твердості обробного матеріалу.

Наведені вище дані з механіки контактної взаємодії, хімічної взаємодії в зоні різання і фактичні результати з працездатності інструментів із різних матеріалів дозволяють, с урахуванням методики Т. М. Лоладзе, сформулювати перелік вимог, які висуваються до матеріалу ріжучого інструменту для обробки покриттів:

- механічні властивості: твердість при температурі різання HV_и 2 - 6,2 ГПа; границя міцності на стиск _сж 0,9 - 3 ГПа; границя міцності на розтяг _р 0,3 ГПа; границя міцності при згині _и 0,6 ГПа; модуль пружності Е 800 ГПа; коефіцієнт тріщіностійкості К_1с 7 МПам^1/2;

- поверхневі властивості (навантаження 200 сН; швидкість сканування 2,64 мкм/с): m' 2,2 Н; D_d' 0,1^.10^-4 Н²;

- хімічні властивості: термостійкість на повітрі 1200 С; мінімальна інтенсивність взаємодії компонентів інструментального матеріалу з елементами обробного матеріалу (Fe, Cr, Ni, Co, Ti, Mo, W).

Особливості структури і властивості покриттів повинні враховуватися при призначенні режимів обробки.

Глибина різання є одним з основних параметрів умов різання. Однак, при обробці покриттів глибина різання меньше впливає на вихідні показники процесу обробки, так як вона невелика із-за невеликої загальної товщини покриття, яка складає для напилених матеріалів, як правило, 0,5 - 1,0 мм, а також із-за того, що вибір глибини різання підвладен необхідності забезпечення заданої експлуатаційної якості деталі. Це визначає залежність глибини різання від товщини h і твердості HRC_е покриття. Для матеріалів системи Ni-Cr-B-Si вона має вигляд (патент України 5507)

(0,54 - 2,45.10-3 HRCэ)h t (0,54 - 2,16. 10-3 HRCэ)h.	(10)

В загальному вигляді при обробці покриттів глибина різання складається з двох складових - перемінної (в границях нерівного шару покриття) t_прм і постійної (нижче нерівного шару покриття) t_пост. Середня величина t_прм може бути визначена за допомогою кривої відносної опорної поверхні покриття. Через фрактальну розмірність поверхні D, дисперсію ординат профілю покриття і довжину зразка L максимальна величина перемінної складової глибини різання визначається залежністю

.	(11)

Вибір подачі пов'язаний з конкретною операцією обробки. Стосовно процесу обробки покриттів обмеження подачі пов'язані з міцністю інструментального матеріалу і міцності сціплення покриття з основою. Обробка покриттів твердістю HRC_е 40 - 45 інструментом з ПНТМ, найбільш ефективних в цьому випадку, провадиться при подачі S < 0,2 мм/об.

Засоби визначення оптимальної швидкості різання, запропоновані для випадків обробки різанням конструкційних матеріалів, можуть бути застосовані і для обробки покриттів. Однак, останні мають специфічні властивості, які не враховуються у відомих засобах. Зокрема, на величину оптимальної швидкості різання впливають гетерогенність структури покриття, його пористість і т. д. Як показали дослідження, швидкість різання відповідна мінімальній зміні пористості поверхні (а. с. 1748956) співпадає з оптимальною швидкістю різання, яка відповідає максимальній стійкості інструменту.

Враховуючи високу вартість матеріалів для захисних покриттів, відносно невелику (особливо для умов обробки по корці) товщину покриття, доцільно теоретично визначать геометричні параметри інструменту. В цій роботі з урахуванням структурних особливостей і властивостей покриттів прийнято підхід, розроблений проф. М. М. Ларіним. Величина переднього кута різця з урахуванням пористості покриттів (k - пористість; A, n - коефіцієнти, які визначають форму пор, HB_о - твердість матеріалу без пор) визначається по залежностям:

- для наплавлених матеріалів	- для напилених матеріалів
- = 0,89.10-14[HB0 (1-Ak)n ]5,7	- = 0,066 HB0 (1-Ak)n -17,2.	(12)

За отриманими даними розроблені рекомендації з вибору інструментальних матеріалів для обробки наплавлених і напилених покриттів сформовані у відповідності до класифікації матеріалів покриттів Міжнародним інститутом зварювання.

На рівні авторських свідоцтв і патентів запропонована гама конструкцій інструментів, враховуючих особливості обробки зносостійких захисних покриттів (9 конструкцій).

Шостий розділ. У відповідності зі схемою декомпозиції вихідної задачі обробки покриттів і постульованим уявленням про умовну систему при обробці покриттів розроблена концепція формування мікронерівностей на обробній поверхні і досліджено вплив умов обробки на параметри стану поверхневого шару покриттів.

Висота мікронерівностей, розрахована з кінематико-геометричних уявлень закономірностей формування поверхні (Rz_р) і отримана в результаті обробки, в більшості випадків не співпадають. Стосовно обробки захисних покриттів слід враховувати зміну вишини нерівностей в результаті видавлювання частини матеріалу припуска в формуєму нерівність (H_пл), вібрацій в зоні різання, пов'язаних з неоднорідністю механічних властивостей обробного матеріалу (H_в), наявності в обробному матеріалі системи пор (H_п). Умовно приймаючи, що пори розташовуються нижче рівня, відповідного величині Rmax = Rz_р+H_пл+H_в, для нерівностей на плато, вишина нерівностей на обробній поверхні покриття визначається системою рівнянь

		(13)

де х - ордината профілю поверхні; P(x), P'(x) - відповідно функція разподілу імовірності і щільності розподілу величіни (х); R'max - максимальна вишина нерівностей поверхні покриття з порами; b, - параметри ступеневої апроксимації початкової ділянки опорної кривої профілю.

Для оцінки складової f(x) уявимо всю сукупність відкритих пор в обробному поверхневому шарі еквівалентною порою простої форми, наприклад, у вигляді кругового конусу, направленого вершиною усередину матеріалу. В цьому випадку

	(14)

де k - пористість; D1 - розмір частинок, з яких формується покриття.

Вплив пластичних явищ перед передньою поверхнею інструменту на процес утворення нерівностей на обробній поверхні досліджувалось із застосуванням кінозйомки. Аналіз кінограм показав, що збільшення вишини мікронерівностей на обробній поверхні зумовлений неповним вилученням в процесі різання всього масиву обробного матеріалу, відповідаючого профілю ріжучого інструменту в плані. Частина матеріалу, яка прилягає до допоміжної ріжучої кромки, обтікає допоміжню задню поверхню інструменту і видавлюється в вершину нерівності. Таке руйнування матеріалу зрізаємого припуску пояснюється спільною дією головної і допоміжної ріжучих кромок інструменту, визначаючою напрямок сходу стружки. Оцінка результуючого напрямку сходу стружки провадиться шляхом складання векторів швидкостей потоків металу від двох ріжучих кромок. Величини швидкостей приймаються прямопропорційними активній довжині кожної ріжучої кромки. В цьому випадку швидкість руху потоку вилучаємого матеріалу з боку головної ріжучої кромки перевищує швидкість потоку матеріалу, видаляємого з боку допоміжної ріжучої кромки. Тобто, в деформуємому об'ємі вилучаємої ділянки матеріалу перед передньою поверхнею ріжучого інструменту має місце пластичний зсув. Як показано в роботах Н. О. Шевченка і Е. Є. Кіппера, розподіл деформованого металу на зрізуєму і витиснену частини проходить в точці над передньою поверхнєю різця з боку вільної поверхні стружки (М), в якій формуються найбільші торкальні напруги. Розповсюджується зсув в матеріалі до допоміжної ріжучої кромки інструменту (мал. 5). Поток металу, який рухається на допоміжну ріжучу кромку, починає обтікати її і видавлюватись в формуєму нерівність, збільшує її вишину.

Величина приросту вишини нерівностей визначається умовами деформування і механічними властивостями обробного матеріалу (_в, )

,	(15)

де F_р - площа поперечного перерізу нерівності, яка відповідає профілю ріжучого інструменту; - усадка стружки; - кут сходу стружки; , ₁ - кути в плані інструменту в точці, відповідній величині Rz_р.

Приріст вишини нерівностей від вібрацій в зоні різання H_в визначається амплітудою коливань, пов'язаних з нерівномірною твердістю обробного матеріалу:

,	(16)

де - P_у - зміна величини нормальної сили на задній поверхні інструменту; - приведена жорсткість технологічного обладнання.

В пакеті "Фортран" розроблена програма для розрахунку на ПЕОМ параметрів шорсткості поверхні Rmax, Rz, Rv, tm, tp, і т. д.

Однією з практичних можливостей управління розгляненим механізмом утворення мікронерівностей поверхні при обробці запропоновано використання ріжучого інструменту з випуклою передньою поверхнею, наприклад, циліндричною або конічною, яка забезпечує відсутність або зниження ефекту зіткнення потоків металу від двох ріжучих кромок і мінімізацію складової приросту вишини нерівностей H_пл.

Вивчена можливість технологічного забезпечення параметрів стану поверхневого шару наплавлених і напилених покриттів лезовою обробкою, яка включає показники мікрогеометрії обробної поверхні, пружньо-деформованого і енергетичного стану і структури поверхневого шару, його хімічний склад. Отримані регресійні залежності, зв'язуючі параметри стану поверхневого шару покриттів з умовами обробки.

Специфічні структура і властивості захисних покриттів зумовлюють необхідність оцінки надійності забезпечення потрібних параметрів стану поверхневого шару. Враховуючи, що сукупність цих параметрів, за нашими даними, характерізується -розподілом, проведений розрахунок імовірності їх забезпечення (мал. 6), яка показує, що в залежності від розміру допуску (i) на зміну i-го параметру стану поверхневого шару покриттів після обробки імовірність його забезпечення змінюється в широких межах. При =5 - 15% від номінального значення параметру для характеристик шорсткості поверхні це 0,4 - 0,9, для показників фізичного стану 0,6 - 1,0.

Для розрахунку імовірності технологічного забезпечення параметрів стану поверхневого шару в пакеті "Фортран" різроблена програма для ПЕОМ.

Збільшення величини критерію оцінки обробності покриттів Н' знижує можливість по забезпеченню стану поверхневого шару в процесі механічної обробки деталей з покриттями.

Сьомий розділ. У відповідності зі схемою декомпозиції вихідної задачі обробки покриттів підвищення ефективності процесу обробки визначається можливостями направленої зміни властивостей обробного матеріалу, матеріалу ріжучого інструменту, а також управління закономірностями процесу різання.

...