Підвищення якісних характеристик деталей і РІ завдяки адаптивному управлінню технологічними параметрами плазмово-іонної та комбінованої обробки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

УДК 621.865.8

Підвищення якісних характеристик деталей та РІ завдяки адаптивному управлінню технологічними параметрами плазмово-іонної та комбінованої обробки

Спеціальність 05.03.07 -

процеси фізико-технічної обробки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Юаньдун Сін

Харків-2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Костюк Геннадій Ігорович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, м. Харків, завідувач кафедри.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, ст. наук. співробітник Хороших Володимир Максимович, Національний науковий центр “ХФТІ”, м. Харків, завідуючий відділом;

кандидат технічних наук, доцент Чистяк Володимир Григорович, Харківський національний економічний університет, м. Харків, доцент кафедри техніки і технології.

Провідна установа: Інститут машин і систем НАНУ та Міністерства промислової політики України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 18 ” травня 2007 р. о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий “ 16 ” квітня 2007.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Застела О.М.



АНОТАЦІЯ

Юаньдун Сін. Підвищення якісних характеристик деталей і РІ завдяки адаптивному управлінню технологічними параметрами плазмово-іонної та комбінованої обробки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки. Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” - м. Харків, 2007. керування покриття плазмовий іонний

Дисертація присвячена розробці наукових основ створення адаптивних систем управління плазмово-іонною обробкою (ПІО) та комбінованою обробкою (КО), розв'язанню таких питань: вибору покриття одно- та багатошарового залежно від умов експлуатації та температурних режимів, системних основ вибору технологічних і геометричних параметрів для розміщення деталей (РІ) в установці, вибору методів контролю та можливих зворотних зв'язків створено адаптивну систему керування та перевірено її для досягнення стабільних підвищених характеристик РІ та деталей.

Розроблено фізико-технічні основи створення систем адаптивного керування, завдяки яким одержано стабільні високоякісні характеристики, які впроваджені в навчальний процес Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "ХАІ".

Ключові слова: адаптивне управління, плазмово-іонна обробка, комбінована обробка, якісні характеристики.



АННОТАЦИЯ

Юаньдун Син. Повышение качественных характеристик деталей и РИ за счет адаптивного управления технологическими параметрами плазменно-ионной и комбинированной обработки. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - процессы физико-технической обработки. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "Харьковский авиационный институт" - г. Харьков, 2007.

Диссертация посвящена разработке научных основ создания адаптивных систем управления плазменно-ионной обработкой (ПИО), комбинированной обработкой (КО), которая включает в себя широкий круг вопросов: выбор типа покрытия одно- и многослойного на детали или РИ в зависимости от условий эксплуатации (для РИ - режимы резания) и характера действий температурных напряжений (динамические или стационарные), системных основ выбора технологических параметров, геометрических параметров для размещения детали и РИ в установке и физико-механических характеристик (ФМХ) деталей перед обработкой, выбора методов контроля и обратных связей, создана система адаптивного управления и она экспериментально проверена для достижения стабильных качественных характеристик деталей и РИ.

Решена теоретическая совместная задача теплопроводности и термоупругости в зоне обработки детали и в теле РИ, которая позволяет не только получить поля температур и температурных напряжений, но и рассчитать теоретическую стойкость РИ.

Расчеты, проведенные с помощью этой модели, позволяют выбирать одно- и многослойные покрытия по критерию: в зоне перехода от покрытия к покрытию или от покрытия к подслою изменение температурных напряжений не превышает 30% (условие предотвращения термоупругого или термоусталостного отслаивания покрытия), а знак суммарных эквивалентных напряжений: отрицательный (сжимающие для передней поверхности РИ) и положительный (растягивающие для задней поверхности), т.е. можно использовать разные покрытия для передней и задней поверхностей РИ. Найдены удачные сочетания покрытий из химических соединений и подслоев из чистых металлов, а также между покрытиями из чистых металлов для динамического (прерывистое резание) и стационарного действия температурных напряжений.

На основе анализа физических процессов при ПИО, параметров контроля, возможных обратных связей получены технологические и физические параметры и способы их адаптивного управления, на основе которого создана реальная система адаптивного управления ПИО с измерением толщины покрытия и температуры детали в реальном масштабе времени. Представлены системные основы выбора технологических параметров обработки, геометрических параметров размещения деталей и РИ в процессе обработки, ФМХ детали перед нанесением покрытий, обеспечивающие максимальное значение функции цели - основной качественной характеристики (например, стойкость для РИ) и требуемый диапазон остальных качественных характеристик за счет выбора соответствующих параметров обработки и ФМХ перед обработкой (ПИО или КО).

Использование адаптивного управления позволило получить стабильные и высокие качественные характеристики для барьерного покрытия их нитридами циркония и гафния при различных соотношениях компонентов. Показано, что покрытие 0,8ZrN+0,2HfN имеет высокую микротвердость (до 36 ГПа), которая значительно выше микротвердости любого из компонентов, рациональная толщина их 56 мкм, которая позволяет получать максимальную стойкость РИ из Р6М5 при точении титановых сплавов. Определены давление реакционного газа, ток дуги, потенциал на подложке, рабочая температура РИ, которые соответствуют максимальным качественным характеристикам и производительности нанесения покрытия. Получено, что износостойкость твердого сплава ВК6 с различными видами покрытий и упрочнений может повышаться в 1,3 - 2,4 раза (ПИО) и в 4,0 - 7,5 раза (КО) по сравнению с TiN.

Разработаны физико-технические основы создания адаптивного управления ПИО и КО, с помощью которых получены стабильно высокие качественные характеристики. Разработаны рекомендации по разработке промышленных адаптивных систем управления ПИО и КО (с ПИО). Результаты внедрены в учебный процесс Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского "ХАИ".

Ключевые слова: адаптивное управление, плазменно-ионная обработка, комбинированная обработка, качественные характеристики.



ANNOTATION

Yuandong Xing. Quality characteristics improvement of details and cutting tools (CT) through adaptive control of the technological parameters in plasma-ionic and combined treatment. Manuscript.

The dissertation is prepared for graduate degree competition of candidate of engineering sciences on speciality 05.03.07 - processes of physical-technical treatment. National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute” - Kharkov, 2007.

The dissertation is devoted to develop scientific bases for creating adaptive control systems of plasma-ionic treatment (PIT), combined treatment (CBT), In the work following problems have been solved: type choice of single-layer and multi-layer coating on details or CT, depending on using condition (for CT - cutting mode) and character of temperature stress (dynamic or stationary); creation systemic base for choice of technological parameters, geometrical parameters of placing detail and CT, physical-mechanical characteristics (PMC) of details before treatment; control methods and feedbacks choice; creation of adaptive control system and its experimental verification for getting stable quality characteristics of details and CT.

Physical-technical bases of creation of adaptive PIT and CBT control are developed, which allow getting stable high quality characteristics. Recommendations on development of the industrial adaptive control systems of PIT and CBT (with PIT) are developed. Results of research are applied in educational process of National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”.

Key word: adaptive control, plasma-ionic treatment, combined treatment, quality characteristic.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На цей час в світі багато проводиться досліджень в області плазмово-іонних технологій та їх впровадження. Це фірми Unixis, Bodycoat Group з дочірними фірмами Ionbond u Eifeler, Cen, Platit, Sandvik Coromant, Kennametal, Kyocera, але ці фірми використовують традиційні карбіди, нітриди та оксиди, правда, починають використовувати складні покриття (нітриди, карбіди, карбонітриди декількох металів), одно- і багатошарові покриття, але одержуваних результатів досліджень не публікують, бо вони є власністю фірм. У результаті їх прогнозів фірми одержують підвищення стійкості і вона досягає 10-20 хвилин для чорнового і напівчорнового різання.

У країнах СНД займалися плазмово-іонними покриттями ХФТІ, ВНДІEТО, НВО Eлектротерм, Саратов, ЦНДТІ, НПО Ротор та інші. Процесами нанесення покриттів займалися такі дослідники, як Аксьонов І. І., Верещака О.С., Внуков Ю.М, Костюк Г.І., Кривобоков В.П., Мацевитий В.М., Мєсяць Г.А., Романов А.А., Толок В.Т., Хороших В.М. На цей час досягнуто такі результати: підвищення стійкості різального інструменту в 3 - 3.5 раза, загальної зносостійкості у 2.7 - 3.2 раза, корозійної стійкості до 2 разів, але результат є нестабільним і залежить від кваліфікації оператора.

Альтернативою можуть бути іонно-променеві та лазерні технології, за якими досягаються практично такі ж результати, але установки та їх eксплуатація стають дорожчими, що суттєво підвищує вартість обробки. Завдяки застосуванню комбінованої технології можна суттєво підвищити якісні характеристики обробки, але співвідношення “ціна - якість” залишається вищою, ніж при плазмово-іонній обробці.

Все це говорить про те, що створення теоретичних і експериментальних основ адаптивного управління плазмово-іонною обробкою (ПІО) є актуальною задачею, яка дозволить отримувати стабільні фізико-механічні характеристики покриттів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась за пріоритетним напрямком "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі" секція 13 "Аерокосмічна техніка і транспорт", за науково-дослідною роботою "Створення фізико-технічних основ підвищення якості матеріалів покриттів аерокосмічних конструкцій", ДР 0103И004034 та госпдоговірними темами і договорами про співдружність.

Мета і задачі дослідження. Розробити фізико-технічні основи адаптивного управління нанесеням плазмово-іонних покриттів та їх використання у комбінованих технологіях завдяки дослідженню фізичних процесів. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Розробити і вирішити сумісну нестаціонарну задачу про теплофізичні та термомеханічні процеси при механічній обробці РІ з покриттям (одно- та багатошаровим) для знаходження полей температур і температурних напружень, а також прогнозування стійкості РІ.

2. Створити методики вибору сполучень двошарових покриттів "хімічна сполука - чистий метал", "чистий метал - чистий метал", таких, що ефективно працюють в умовах динамічного і стаціонарного теплових режимів та в обох режимах дії температурних напружень.

3. Розробити системні основи адаптивного керування та впровадити їх при створенні реальної адаптивної системи управління зі зворотним зв'язком по товщині покриття та температурі деталі, вимірюваних у реальному масштабі часу.

5. Дослідити можливості адаптивної системи управління нанесенням покриття для досягнення підвищених якісних характеристик покриттів та комбіновано зміцнених шарів.

6. Розробити фізико-технологічні основи нанесення покриттів та їх застосування у комбінованій обробці, які дозволили б вибирати покриття (одно- та багатошарове) та знайти або стійкість, або ресурси роботи РІ або деталі, визначити технологічні параметри нанесення покриття (тиск реакційного газу, напругу на підкладинці, струм фокусуючого магніту, струм дуги, температуру деталі, товщину покриття з метою одержання максимальної стійкості РІ, зносостійкості, мікротвердості або продуктивності нанесення покриття).

Об'єктом дослідження є система адаптивного управління нанесенням покриття та фізико-технічні основи нанесення покриттів, які застосовуються для створення системами адаптивного управління.

Предмет дослідження дисертації є теплофізичні та термомеханічні процеси, стійкість різального інструменту з одно- та багатошаровими покриттями, вибір покриттів, створення наукових основ і реалізація їх у лабораторній установці адаптивного керування нанесенням покриттів.

Методи дослідження. Застосування модифікованого методу МСЕ для вирішення нестаціонарної сумісної тривимірної задачі теплопровідності та термопружності для розрахунку полів температур і напружень. Залучення сучасних системних методів системного дослідження і новітніх методів експериментального вимірювання мікротвердості, зносостійкості, стійкості РІ (за різким підвищенням сили різання Pz), температури деталі та товщини у реальному часі (кварцові датчики) та інше.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Розроблено нестаціонарну сумісну модель про теплофізичні та термомеханічні процесси при механічній обробці у зоні різання та РІ з одно- та багогошаровими покриттями, яка дозволяє не тільки отримувати поля температур і напружень, але й прогнозувати стійкість РІ, враховуючи деформування (вперше).

2. Поширено можливості вибору одно- та багатошарових покриттів (на основі аналізу напруженого стану в зоні переходу від покриття із хімічної сполуки до чистого металлу - прошарка) для эффективної роботи у дінамічному та стаціонарному температурних режимах.

3. Вибрано раціональні сполучення складу покриття з нітридів гафнію і цирконію на основі досліджень впливу частки гафнію у такому покритті на якісні характеристики як при ПІО, так і комбінованій обробці.

4. На основі проведенних досліджень розроблено фізико-технічні основи управління нанесенням плазмово-іонних покриттів та їх використання в комбінованій технології, це дає змогу визначити технологічні параметри нанесення покриттів (тиск реакційного газу, потенціал на підкладинці, струм фокусуючого магніту, струм дуги, температуру деталі, товщину покриття) з метою досягнення максимальної стійкості РІ, зносостійкості, мікротвердості та продуктивності нанесения покриттів.

Практичне значення одержаних результатів

1. Розроблена модель теплофізичних і термомеханічних процессів у зоні різання на РІ дозволяє прогнозувати стійкість різального інструменту.

2. Результати розрахунку напружень у зоні переходу від покриття до прошарку та від одного одношарового покриття до другого дозволяє вибирати послідовність сполучень “покриття - покриття” і “покриття - прошарок”, забезпечуючи эффективну роботу як у динамічному, так і у стаціонарному температурних режимах.

3. Результати дослідження дозволяють запропонувати та реалізувати реальну систему автоматичного управління нанесенням покриття з вимірюванням товщини покриття і температури деталі у реальному часі.

4. На основі дослідження впливу частини HfN у покритті HfN+ZrN знайдено вдале співвідношення нітридів 0.2 HfN і 0.8 ZrN, коли реалізується максимальна мікротвердість 36 ГПа, а товщина 5 мкм, коли реалізується максимальна стійкість РІ при обробці сплаву ВТ1.0. Стійкість РІ з твердого сплаву ВК6 з вибраним покриттям підвищується у 1.3-2.4 раза (ПІО), а при комбінованому зміцненні стійкість РІ підвищується у 2.4-3.0 рази порівняно з покриттям TiN.

5. Фізико-технічні основи управління нанесенням покриттів і комбінованого зміцнення з залученням покриття дозволяють одержати максимальну стійкість РІ, зносостійкість, забезпечити потрібну мікротвердість і продуктивність, а також стабільність характеристик покриттів.

Результати роботи, методики, моделі реалізовано у вигляді прикладних програм для комп'ютерної підготовки до нанесення покриттів і використовуються при створенні автоматизованих систем управління та технологічних процесів комбінованої технології обробки деталей і РІ, а також у навчальному процесі кафедри “Робототехніка” Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”.

Особистий внесок здобувача. Усі результати дисертаційної роботи отримано особисто автором або за допомогою наукового керівника. В опублікованих роботах [1, 5, 7, 8, 9, 10] автору належать основні ідеї теоретичного дослідження, результати розрахунків полів температур температурних напружень, а також методика розрахунку та системних основ створення адаптивних систем управління. При проведенні експериментальних і теоретичних досліджень [2, 3, 4, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15] у дисертацію ввійшли тільки ті дослідження, що були проведені автором.

Апробація результатів дисертації. Основні положення розділів дисертації і результати дисертації доповідались автором на X, XI, XIV і XVI міжнародних конференціях “Нові технології у машинобудуванні”, Харків-Рибаче, 2001, 2002, 2004, 2006 рр., на міжнародній конференції “Прогресивні технології в машинобудуванні”, НТУУ КПІ, Київ-Севастополь, 2001 р. і семінарах кафедри “Фізико-технічні методи обробки”, 2004 та 2006 рр., та НТР ДП ХМЗ “ФЕД”. Публікації. Основні результати роботи опубліковано у 15 наукових виданнях: деcяти статтях (10 статей у фахових виданнях ВАК) та п'яти тезах міжнародних конференцій:

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновку, переліку використаних джерел з 241 найменування на 20 сторінках і містить 47 рисунків, 11 таблиць і додаток. Загальний обсяг роботи складає 156 сторінок.



КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко викладено сучасний стан проблеми і обгрунтовано актуальність дослідження, наведено наукову новизну, практичну цінність роботи, особливий внесок здобувача, подано відомості з апробації роботи, публікації, структуру і обсяг дисертації.

У першому розділі проведено огляд і аналіз проблеми підвищення якісних характеристик деталей і різального інтсрументу завдяки адаптивному управлінню технологічними параметрами плазмово-іонної та комбінованої обробки, наведено ряд методів нанесення покриттів та одержання зміцненого шару і показано, що без ефективного керування плазмово-іонною і комбінованою обробкою досягти стабільних, високих, якісних характеристик неможливо, причому це стосується технологічної підготовки, вибору послідовності шарів і прошарків з урахуванням режимів роботи, вибору технологічних параметрів і параметрів зворотного зв'язку.

Для вирішення цих проблем у дисертації сформульовано мету і задачі дослідження.

Другий розділ присвячено дослідженню теплофізичних і термомеханічних процесів при механічній обробці та теоретичній стійкості різального інструменту з одно- та багатошаровим покриттям. Вирішувалась сумісна задача теплопровідності та термопружності (задача Даніловської), яка включає баланси тепла в елементарному об'ємі у матеріала деталі (стружки) та різальному інструменті, де для деталі враховано: теплопровідність, витрати енергії на пружине та пластичне деформування у зоні контакту матеріала стружки та РІ. У граничних умовах враховано підвід тепла завдяки тертю по передній поверхні РІ, взаємоопромінювання стружки та передньої поверхні РІ, відвід тепла зі зношеним матеріалом покриття, а у зоні свободної поверхні стружки враховано теплове випромінювання, конвективний теплообмін, теплообмін з випарюваним матеріалом і теплопідвід завдяки дії плазми або лазерного випромінювання для плазмово-механічної та лазерно-механічної обробки.

У балансі тепла у покритті (на РІ) враховано теплопровідність, зміна енергії завдяки термопружному деформуванню та зміщенню фронту випарювання.

У граничних умовах по передній поверхні РІ враховано: теплопідвід завдяки тертю, взаємоопромінюванню "покриття - поверхня стружки", конвективний теплообмін, тепловідвід зі зношеним матеріалом покриття. На задній поверхні різального інструменту враховано: тепловідвід завдяки тертю по задній поверхні, взаємоопромінювання "задня поверхня РІ - деталь", знос інструменту та конвективний теплообмін.

На границі “покриття - матеріал різального інструменту” (або другого покриття) як по передній, так і по задній поверхні через рівень вхідного і вихідного теплових потоків добуток коефіцієнта теплопровідності на похідну температури по напряму нормалі до передньої та задньої поверхонь інструменту зберігається.

Термопружні напруження розраховувались за термопружним потенціалом одиничного об'єму, величина яких перевірялась за рівняннями сумісності деформування, при невиконанні їх вводились додаткові напруження для виконання цих рівнянь, що дозволило суттєво підвищити точність розрахунку напружень і температур (до 37%).

Одержано розподіли температур і напружень по глибині від передньої та задньої поверхонь.

Завдяки застосуванню рівнянь Крагельського та розрахункових величин для пластичного контакту та малоциклової втомлюваності, абразивного і зносу від утомленості розраховано знос, а за критичним зносом розраховано стійкість по передній поверхні: 290 хвилин і задній - 217 хвилин (V = 120 м/хв, S = 0,15 м/об, t = 1,5 мм).

Третій розділ присвячено розробленню наукових основ вибору багатошарових і одношарових покриттів на основі дослідження їх напруженого стану, причому досліджуються не тільки сполучення "покриття-покриття" та "покриття-прошарок" з чистого металу та сполучення покриттів з чистого металу між собою, досліджено також сполучення покриттів та покриттів і прошарків, покриттів із чистого металу між собою, що дало можливість для критерію зміни напружень при переході від шару до шару, не перевищуючи 30% на передній поверхні, одержати зтискні напруги, а на задній - розтягування вибраного сполучення покриттів, які ефективно можуть бути застосовані як у динамічному (переривчасте різання), так і у стаціонарному (обробка поверхонь з рівномірним припуском), а також в обох режимах, що наведено у таблиці для карбідних та нітридних покриттів та їх сполучень з чистими металами. Так, для динамічної дії для покриттів ZrC, NbC, Ta₂C, Mo₂C, ZrN, VN, TiN, CrN, Si₂N, HfN, Al₂O₃ є більш ніж чотири варіанти вдалих сполучень, тоді як для інших - від одного до трьох, а для BN немає жодного.

Для стаціонарної дії напружень кількість вдалих сполучень набагато більша.

Вдало сполучених покриттів для обох режимів зменшилося ZrC(4), ZrN(3), VN(3), Ta₂N(3), Nb₂C(2), а одне вдале сполучення мають такі: VC, TaC, Cr₂₃C₆, V₂N, NbN, Cr₂N, -Al₂O_3, сполучення шарів хімічних сполук з прошарками мають менше вдалих сполучень, так, для стаціонарної дії напруження вдало сполучаються ZrC з прошарками з (Cr, Fe, Cu), HfC - (Cr, Al, Cu), V₂C - (Cr, Fe, B, Al), NbC - (Cr, Al, Cu), TaC - (Cr, Al, Cu), MoC - (Nb, Al, B, Mo, Cr, Fe), TiN - (Al, Cu), Ta₂N - (Cr, Al, B, Fe), TaN - (Mo, Al, Cu, Fe), Cr₂N - (Cr, Al), CrN - (Nb, Fe), Mo₂N - (Cr, Al), W₂N - (Mo, W, Cu), Si₂N - (Ti, Nb), Mo₂C - (B, Fe), а для динамічної дії кількість цих сполучень набагато менша, тільки CrN має два сполучення (Ti, B), а решта - по одному, а деякі HfC, V₂C, Nb₂C, MoC, WC не мають і жодного.

Кількість сполучень, ефективних у динамічному та стаціонарному режимах, значно зменшилась Mo₂C(B), W₂C(B), Cr₂₃(B), TaC(B), TiC(Ti). Аналогічні дослідження зроблено і для чистих металів.

Для експериментальної перевірки розрахункової моделі були розраховані поля температур і напружень при точінні РІ з ВК6 і багатошаровими покриттями (1 - ZrN- TiN - NbN; 2 - WC - ZrN - BN). На рис. 1 наведено розподіл температур (а) та еквівалентних напружень (б) по глибині шару від передньої (пп) та задньої поверхонь (зп).

Досліджено, що умови по температурних напруженнях у випадку другого покриття значно гірші. Тому було експериментально перевірено стійкість різального інструменту. Отримано, що стійкість для TiN підвищена у 2,3 раза, ZrN+TiN+Cr₂N - у 7,1 раза, а для WC+ZrN+BN - у 4,5 раза, що пов'язано з величинами температурного напруження на поверхні в останньому випадку та сколу покриття. Все це довело придатність методики вибору покриттів.

У четвертому розділі наведено фізико-технічні та системні основи отримання підвищених якісних характеристик завдяки створенню ефективних адаптивних систем управління плазмово-іонними та комбінованими технологіями, для цих технологій наведено фізичні явища та процеси, параметри та засоби їх управління, засоби контролю та зворотні зв'язки за основними параметрами, що довело: для створення сучасної ефективної системи управління має бути створена система адаптивного управління плазмово-іонною обробкою завдяки вимірюванню товщини покриття та температури деталі у процесі нанесення покриття. Така система була створена автором з застосуванням кварцових датчиків вимірювання товщини та температури. Проведено тарування та впровадження такої системи.

На основі системного підходу до вибору технологічних параметрів і фізико-механічних характеристик деталей перед плазмово-іонною і комбінованою обробкою, розроблено системну карту для плазмово-іонної обробки.

Така системна карта, як і залежності якісних характеристик, перед обробкою дає змогу вибрати раціональні режими обробки якісних характеристик покриттів і поверхневого шару при комбінованій обробці.

У п'ятому розділі наведено результати застосування розроблених фізико-технологічних основ адаптивного управління для підвищення якісних характеристик деталей і різального інструменту. Проведено дослідження бар'єрного покриття з нітридів цирконію та гафнію та винайдено мінімальну долю гафнію у ньому, коли реалізуються високі якісні характеристики та мінімальна ціна. Так, на рис. 3 наведено залежності мікротвердості від тиску реакційного газу (а) та робочої температури ( б ) при різних долях нітриду гафнію. Так, при співвідношенні 80% ZrN + 20% HfN та при більших долях нітриду гафнію реалізується максимальна мікротвердість при тиску реакційного газу 310^-3 мм рт.ст. (рис. 3, а), при діапазоні робочих температур 500...1500 К реалізується максимальна мікротвердість від 36 (Т = 500 К) до 20 ГПа (Т = 1500 К).

Також досліджувався вплив струму розряду та товщини покриття на мікротвердість. Насичення величини мікротвердості досягнуто при товщині 14 мкм. Досліджено вплив на мікротвердість температури нанесення покриття та потенціалу на підкладинці, а також залежність продуктивності від температури нанесення та потенціалу підкладинки, що дозволяє винайти найбільш ефективні режими нанесення покриттів з точки зору якісних характеристик швидкості нанесення покриття та режимів його використання.

Було проведено дослідження зносостійкості твердого сплаву ВК-6 з покриттям і зміцненим шаром при ковзанні по сталі 38ХС. Так, використання покриттів Mo₂N, TiN+Mo₂N або комбінованого зміцнення цих покриттів легуванням з іонами молібдену довело, що можна завдяки покриттям підвищити зносостійкість у 1,3 - 1,5 раза порівняно з TiN і комбінованому зміцненню ПІО+ІЛО в 4,0 - 5,2 раза порівняно з TiN. Доведено, що покриття товщиною 5...6 мкм мають найбільшу зносостійкість і мікротвердість 23...27 ГПа (Mo₂N+M⁺).

Наведено коефіцієнти впливу різних типів покриттів і комбінованого зміцнення (ПІО+ІЛО) на зносостійкість, які дозволяють вибирати тип додаткової вибробки для досягнення найвагоміших результатів.

Досліджено вплив на мікротвердість швидкорізальної сталі Р6М5 після нанесення покриттів, комбінованого зміцнення залежно від технологічних і геометричних параметрів обробки. Так, наприклад, залежність мікротвердості швидкорізальної сталі Р6М5 з покриттям Al₂O₃ (a) і Al₂O₃ + Al⁺ (б) від відстані до випарювача.

Видно, що на такі залежності суттєво впливає тиск реакційного газу, при тиску 0,266 Па вона має мінімум, хоч абсолютна величина велика, а при тиску 0,935 Па має максимум, при відстанях від випарювача 150 мм для додаткової іонної імплантації іонів алюмінію (сприяє підвищенню мікротвердості до 19 ГПа з 13 ГПа).

Також висвітлено наукові основи створення алгоритмів управління плазмово-іонною обробкою та надано практичні рекомендації, які включають винахід типа покриття та обмеження на системи управління по технологічних параметрах нанесення покриттів, техвимоги до деталі виходячи з режимів роботи та робочого середовища, матеріалу деталі та його характеристик, а також методики вибору покриттів залежно від умов їх роботи та діючих температурних напружень. Все це дозволяє вибирати температуру обробки, потрібні якісні характеристики, технологічні та геометричні параметри, які забезпечують товщину покриття.



ВИСНОВКИ

Відповідно до поставленої мети і задач в дисертації отримано такі результати.

1. Розроблено теоретичну сумісну модель теплофізичних і термомеханічних процесів при механічній обробці різальним інструментом з одно- та багатошаровими покриттями, яка дозволяє отримати поле температур і температурних напружень на передній і задній поверхнях РІ з урахуванням витрат енергії на деформування (вперше).

2. Доведено можливість прогнозування стійкості РІ з застосуванням результатів розрахунків і гіпотез Крагельського про характер зносу РІ, отримано задовільне погодження результатів розрахунків та експериментів.

3. Розширено можливості вибору одношарових і багатошарових покриттів на основі дослідження характеру напруженого стану у зоні переходу від покриття, хімічної сполуки (перший шар) до шару з чистого металу (прошарку) для динамічної і стаціонарної дії температурних напружень, одержано також шари з чистих металів, для яких можлива ефективна робота у стаціонарному, динамічному або у обох режимах, надано алгоритм вибору послідовності шарів і прошарків покриттів з хімічних сполук і чистого металу.

4. На основі аналізу фізичних процесів при ПІО, параметрів їх контролю, можливих зворотних зв'язків одержано технологічні та фізичні параметри і засоби їх адаптивного управління, на основі яких створено реальну систему адаптивного автоматичного управління ПІО з вимірюванням товщини покриття та температури деталі у реальному масштабі часу.

5. Викладено запропоновані шляхи вибору технологічних параметрів і ФМХ деталей перед нанесенням покриття та комбінованою обробкою (з ПІО).

6. Досліджено застосування бар'єрного покриття з нітридів гафнію і цирконію з різним співвідношенням компонентів: нітрид цирконію 90%, 85%, 80%, 75%, решта - нітрид гафнію.

7. Доведено, що зносостійкість твердого сплаву ВК6 з різними видами покриттів і зміцнень може бути збільшена: для ПІО - у 1,3 - 2,4 раза, ПІО+ІЛО - у 2,3 - 7,5 раза порівняно з покриттям TiN. Мікротвердість при комбінованій обробці швидкорізальної сталі з покриттям 0.8ZrN+0.2HfN дорівнює від 36 (ПІО) до 45 ГПа (ПІО+ІЛО).

8. Розроблені фізико-технічні основи нанесення плазмово-іонних покриттів та їх застосування у комбінованій технології дозволяють вибирати покриття (одно- та багатошарове), технологічні параметри нанесення покриття (тиск реакційного газу, напругу на підкладинці, струм фокусуючого магніту - напруженість магнітного поля, струм дуги, температуру нанесення покриття, товщину покриття з метою отримання максимальної стійкості РІ, зносостійкості, мікротвердості та продуктивності нанесення покриття, що має практичне значення, а також створити адаптивну систему управління).

9. Результати роботи впроваджено у навчальний процес у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "ХАІ".



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДОБРАЖЕНО В ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Костюк Г.И., Син Юаньдун, Куринной А.Н. Методика выбора последовательности слоев и подслоев в многослойных покрытиях в зависимости от температурных условий работы// Вісник АІНУ. -2006. -N3(30). - С. 45-58.

2. Костюк Г.И., Белов Н.Л., Син Юаньдун. Система адаптивного управления плазменно-ионной обработкой, изменение толщины покрытия и температуры детали в процессе нанесения покрытий// Вестник двигателестроения. -2003. -N2. - С. 168-175.

3. Костюк Г.И., Белов И.Л., Син Юаньдун. Исследование износостойкости твердого сплава ВК6 с различными видами упрочения при скольжении по стали 38ХС// Авиационно-космическая техника и технология. -2002. - Вып. 33. - С. 45-54.

4. Костюк Г.И., Син Юаньдун, Широкий Ю.В. Исследование микротвердости быстрорежущей стали после нанесения покрытий, комбинированного упрочнения в зависимости от технологических и геометрических параметров обработки// Авиационно-космическая техника и технология. -2002. - Вып. 33. - С. 62-70.

5. Костюк Г.И., Костюк Е.Г., Син Юаньдун. Теплофизические и термомеханические аспекты механической обработки и стойкости режущего инструмента с одно- и многослойным покрытием и упрочненным слоем// Вестник Национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт”. -2001. - Вып. 40. - С. 159-169.

6. Костюк Г.И., Пылинин О.В., Син Юаньдун. Применение барьерного покрытия для режущих инструментов при обработке деталей авиационной техники из титана и его сплавов// Вакуумные технологии и оборудование: Сб. докл. 5-й Междунар. конф., 22-27 апреля 2002. - С. 164-172.

7. Костюк Г.И., Син Юаньдун, Антонова О.О. Научные основы выбора многослойных и однослойных покрытий в деталях авиационной техники на основе исследования характера напряженного состояния// Авиационно-космическая техника и технология. -2001. - Вып. 24. - С. 159-169.

8. Костюк Г.И., Тавалбех Хаджем Ахмед, Син Юаньдун. Перспективы создания эффективных адаптивных систем управления плазменно-ионными, ионно-лучевыми, электронно-лучевыми, светолучевыми и комбинированными технологиями// ВICTI АIНУ. -2000. -N4. - С. 79-89.

9. Костюк Г.И., Хуа Лин, Син Юаньдун. Пути выбора технологических параметров и физико-механических характеристик деталей перед комбинированной обработкой// Авиационно-космическая техника и технология. -2001. - Вып. 25. - С. 20-24.

10. Kostyuk G.I., Pylinin O.V., Xing Yuandong. Usage of barrier coating for cutting tools for machining parts of titanium alloys//XXII-th International symposium on discharges and electrical insulation in Vacuum, Tours France, 2004, p.458-461.

11. Костюк Г.И., Хуа Линь, Син Юаньдун. Перспективы разработки автоматизированных и роботизированных установок упрочнения деталей и нанесения покрытий на основе плазменно-ионной, ионно-лучевой, светолучевой и комбинированной технологии// Proceeding X international conference “New leading technologies in machine building”, Kharkov - Rybalche, 2001. - Р. 15-21.

12. Костюк Г.И., Син Юаньдун, Куринной А.Н. Научные аспекты выбора последовательности слоев и подслоев в многослойных покрытиях в зависимости от температурных условий работы// Proceeding XVI international conference “New leading technologies in machine building”, Kharkov - Rybalche, 2006. - Р. 10.

13. Костюк Г.И., Решетников В.И., Син Юаньдун. Возможности применения установок “Булат” для комбинированной обработки, сочетающей в себе нанесения покрытия, ионное легирование и имплантацию// Proceeding XIV international conference “New leading technologies in machine building” Kharkov - Rybalche, 2004. - Р. 11-12.

14. Костюк Г.И., Белов Н.П., Син Юаньдун. Исследование износостойкости твердых сплавов при различных видах упрочнения// Proceeding XI international conference “New leading technologies in machine building”, Kharkov - Rybalche, 2002. - Р. 21.

15. Костюк Г.И., Син Юаньдун, Широкий Ю.В. Влияние технологических параметров и геометрических параметров в установке на микротвердость при комбинированной обработке деталей АТ// Proceeding XI international conference “New leading technologies in machine building”, Kharkov - Rybalche, 2002. - Р. 21.

Размещено на Allbest.ru

...