Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2014

2.Низкая теплопроводность материала и как следствие плохой отвод теплоты из зоны резания.

3.Интенсивное абразивное воздействие стеклянных волокон армирующей ткани пластика в комплексе с низкой теплопроводностью полимерной матрицы.

Основным материалом кожуха является препрег стеклотекстолита марки ВПС-33. Препрег стеклотекстолита марки ВПС-33 получается путем пропитки стеклоткани марки Т-10-14 или Т-10-80 по ГОСТ 19170 эпоксидным связующим марки ЭНФБ-2м по ТУ 1-595-25-494. Препрег предназначается для изготовления средне- и слабонагруженных

деталей и агрегатов, работающих в интервале температур от минус

60 °С до плюс 100 °С1.

4.Сложность получения высокого качества обработанной поверхности (отсутствие сколов, расслоений, разлохмачивания стеклянных волокон ткани пластика, обеспечение требуемой шероховатости).

В рассматриваемом кожухе основной трудностью в рамках выполнения требований к качеству отверстий ø2,0 мм является перерезание материала перегородок ячеек и как следствие поломка режущего инструмента и попадание фрагментов режущего инструмента во внутренние полости конструкции. Данная ситуация возникает из-за необходимости обеспечения требований позиционного расположения отверстий ø2,0 мм.

5.Существенно выраженная анизотропия свойств и относительно низкая адгезионная связь основы с матрицей.

6.Увеличение периода стойкости режущего инструмента.

7.Выделение мелкодисперсных частиц пластика в процессе обработки.

В настоящее время данный спектр проблем на ОАО «Пермский завод “Машиностроитель”», безусловно, решается.

Во-первых, при сверлении отверстий ø2,0 мм применяются спиральные сверла с цилиндрическим хвостовиком марки y/xb REF 1016 (HSSCO) производства компании IZAR (Испания) и машина

1 Выписки из требований ТУ1-595-10-846 на препрег ВПС-33.

101

сверлильная, ручная, пневматическая марки СМ 21-6-12000 (максимальный диаметр сверла 6 мм, максимальный крутящий момент на шпинделе 0,235 Н/м). Производитель режущего инструмента компания IZAR (Испания) не рекомендует использовать данную марку сверл для обработки пластиков. Основное назначение данных сверлобработка таких материалов, как титан, нержавеющая сталь2.

Во-вторых, в ходе опытно-промышленных испытаний оптимальная скорость резания, полученная эмпирическим путем, при использовании сверл с цилиндрическим хвостовиком марки y/xb REF 1016 составила 6000 об/мин. При увеличении скорости резания более 6000 об/мин идет существенное снижение стойкости инструмента. В итоге в одном кожухе при выполнении операции сверления 14 3000 отверстий ø2,0 мм используется около 700 сверл, 10 % из которых ломаются при попадании на перегородки ячеек. При осуществлении данного технологического процесса используется принудительная вытяжная вентиляция, которая в незначительной степени осуществляет охлаждение зоны резания. Также вытяжная вентиляция обеспечивает удаление мелкодисперсных частиц материала с целью сохранения здоровья персонала.

В-третьих, обеспечение выполнения требований позиционных допусков на группы отверстий ø2,0 мм осуществляется путем применения приспособлений типа кондуктор, изготовленных из листовой стали. Такой подход к решению данной проблемы существенно снижает производительность процесса в целом, так как затрачивается значительное время на установку, переустановку, базирование приспособлений, а также выполнение подготовительных переходов, обеспечивающих исключение сверления лишних отверстий (возможность сверления лишних отверстий обусловлено универсальностью приспособления).

В настоящее время ведется отработка применения робота для выполнения данной операции. Одной из основных сложностей отработки является поломка режущего инструмента в связи с попаданием на перегородки ячеек.

2 www.izartool.com/es//productos.html.

102

В-четвертых, для увеличения стойкости режущего инструмента и обеспечения оптимальной производительности процесса резания эмпирическим путем подобраны оптимальные режимы.

Для увеличения производительности данного процесса необходимо развивать использование роботизированной техники в комплексе с алмазным режущим инструментом, работающим на сверхвысоких скоростях резания порядка 30–40 тыс. об/мин. Также для исключения поломки дорогостоящего прогрессивного режущего инструмента необходимо рассмотреть вариант применения совместно с роботизированным комплексом измерительных датчиков силы с передачей информации на командные модули роботизированного комплекса с последующей коррекцией осевого усилия.

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С КОМПОЗИЦИОННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ГТД

М.Ш. Мигранов, Р.И. Ахметшин, М.С. Дементьева, С.М. Каримова

Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Россия

e-mail: migmars@mail.ru

Представлен анализ причин, вызывающих быстрый износ режущего инструмента. Для обеспечения высокой износостойкости инструмента предложено использовать многослойные композиционные покрытия. Приведены результаты экспериментальных исследований износостойкости режущего инструмента с покрытиями, предназначенного для обработки деталей газотурбинных двигателей.

Одним из способов улучшения режущих свойств инструментов является разработка нового вида многослойных покрытий, которые сочетали бы в себе повышенную износостойкость и антифрикционные свойства. Такие покрытия появились сравнительно

103

недавно [1]. Причина интереса к таким покрытиям объяснима. Известно, что высокая износостойкость инструментов с твердым покрытием определяется тем, что они функционируют в качестве экрана для контактирующих поверхностей инструмента, тем самым защищая их от внешнего воздействия при резании. В основном это происходит во время стационарной стадии износа (нормальном износе). Однако неизбежный износ покрытия приводит в дальнейшем к воздействию на базовый материал инструмента, фрикционные свойства которого значительно хуже свойств покрытия. В результате этого износ инструмента быстро вступает в свою катастрофическую фазу. Продление стадии нормального трения, однако, вполне осуществимо. Это достигается в многослойных покрытиях нанесением дополнительного нижнего слоя на поверхность основы инструмента. Этот слой должен сочетать в себе свойства и способности создавать защитные вторичные структуры в межфазовом слое покрытия и подложки.

В данной работе исследовались многослойные триплексные покрытия. Покрытие было нанесено с помощью трех устройств. Используемая в качестве основы быстрорежущая сталь была предварительно азотирована в тлеющем разряде. Затем поверхность инструмента была модифицирована добавлением ионов до нанесения твердого покрытия. Наконец, модифицированный слой (Ti, Cr)N был покрыт методом физического осаждения покрытия (ФОП).

Ионное азотирование подложки из быстрорежущей стали производилось в специальном устройстве для ионного азотирования в сочетании с нагреванием. Технологические параметры были следующие: плотность тока в тлеющем разряде 3 А/м-2; время азотирования 0,5 ч; давление газа 266 Па; состав газа 25 % (N2) + 75 % (H2) (диссоциированный аммиак); температура500 °С.

Твердое покрытие наносилось плазмой с дуговым разрядом катода (CAPDP). Параметры нанесения покрытия: давление газа (азот) 3 10–1 Па; ток в дуге 100 А; напряжение смещения 200 В; фокусирующий ток в катушке 0,2 А; температура при нанесении покрытия 500 °С.

104

Поверхностный слой очищался до имплантации путем специальной небольшой по времени обработки в тлеющем разряде [1] для улучшения адгезии ФОП – покрытия с подложкой. До нанесения ФОП каждый из образцов был имплантирован ионами одного из шестнадцати различных элементов с помощью высокоэнергетического ионного имплантатора с энергией приблизительно в 60 кэВ при комнатной температуре. Типично используемые дозы составляли 4 1017 ионов на см2. До ионной имплантации исследуемых элементов было проведено травление поверхности ионами аргона. Чтобы снизить загрязнение поверхности, использовалась охлаждаемая ловушка для поддержания низкого фонового давления в ~ 2 10–6 мм. рт. ст. Основой инструментального материала была быстрорежущая сталь Р6М5, и

она содержала: 0,8–0,88 % С; 5,0–5,5 % W; 5,0–5,5 % Мо; 3,8–4,2 % Cr; 1,7–2,1 % V остальное Fe впроцентах от веса.

Концентрация атомов имплантируемых элементов в поверхностном слое образцов определялась с помощью рентгеновского микроанализа на сканирующем электронном микроскопе JSM-U3, оборудованном спектрометром на двух кристаллах для рассеивания волн. Эти концентрации составили около 1,0–1,5 атомных %.

Химический состав вторичных фаз, появляющихся на поверхности инструмента при резании, исследовался с помощью ВИМС – спектрометрии вторичной массы ионов. Это исследование было выполнено на электронном спектрометре ESCALAB MK2 (VG), оборудованном ионным анализатором SQ 300 квадрупольного типа и сканирующим ионным распылителем AG-61, который позволяет фокусировать поток первичных ионов аргона с энергией до 5 кэВ на участке диаметром до 0,5 мкм на поверхности образца. Скорость ионного травления была порядка 0,2 монослоя в мин, анализ выполнялся в статическом режиме. Исследовался средний химический состав зоны износа покрытия и образовавшихся пленок. При этом пучок первичных ионов аргона направляли на неподвижный участок на поверхности образца. В некоторых случаях ионный пучок перемещался в выбранном направлении.

105

Для ионной модификации на поверхности использовались шестнадцать химических элементов, заранее выбранных для этой работы [2]. При выборе металлических материалов принимались во внимание известные исследования по трибологической совместимости контактирующих элементов. Для ионной имплантации были выбраны химические элементы с наименьшей совместимостью в трибопарах с железом, никелем и титаном, т.е. с металлами, входящими в состав обрабатываемых материалов: низколегированных, теплостойких и некоррозийных сталей, а также титановых и никелевых сплавов, широко используемых в деталях машин. Более того, азотированная поверхность инструмента подвергалась ионному смешиванию с четырьмя типами антифрикционных сплавов, часто используемых для улучшения условий трения скольжения: сплава на основе цинка

Zn + Al(9%) + Cu(2%); сплава на основе Cu + Pb(12%) + Sn(8%); спла-

ва на основе свинца Pb + Sn(1%) + Cu(3%) и сплава на основе алю-

миния Al + Sn(20%) + Cu(1%) + Si(0,5%).

Износ инструмента с покрытиями исследовался при обработке углеродистой стали, содержащей 0,45 % углерода (сталь 45). Скорость резания составляла 70 м/мин, глубина резания 0,5 мм, подача 0,28 мм/об. Резание проводилось как с охлаждающей жидкостью, так и без нее. Исследовался износ четырехгранных быстросменных пластин из быстрорежущей стали с многослойными покрытиями. Влияние ионной модификации поверхности на износостойкость резцов было оценено путем сравнения периодов стойкости инструментов с предложенными многослойными покрытиями инструментов с поверхностными технологическим покрытиями без дополнительной ионной модификации. Коэффициент износостойкости инструмента был определен как отношение времени, необходимого для резания до соответствующего техническим условиям значения износа инструмента с многослойным покрытием, к времени, необходимому для резания инструментом с поверхностным технологическим покрытием (Ti,Cr)N + ионное азотирование). Адгезия покрытия к подложке определялась с помощью метода царапания. Рассматривалось отделение покрытия при тангенциальном перемещении наконеч-

106

ника. Нагрузка на наконечник аппарата для испытания твердости металлов составляла 3,0 Н. Величина адгезии представляла собой коэффициент, определяемый как частное, полученное от деления ширины царапины насуммарнуюширину царапиныи повреждений.

Коэффициенты трения были определены с помощью адгезиомера особой конструкции, представленной детально в [3]. На этом адгезиомере вращающийся индентор с исследуемыми покрытиями был помещен между двумя полированными образцами, изготовленными из низколегированной стали, содержащей 0,45 % углерода. Чтобы смоделировать условия трения, аналогичные процессу резания, образцы и индентор нагревались электроконтактным способом в диапазоне температур от 150 до 550 °С. Сжимающая образцы сила равнялась 2400 Н, это создавало пластическую деформацию в зоне контакта. Для оценки антифрикционных свойств слоя использовался адгезийный компонент коэффициента трения. Этот компонент важен для оценки и прогнозирования интенсивности износа при трении металлов. Он определялся как отношение сопротивления сдвигу τnn, вызываемому адгезионным взаимодействием между материалами инструмента и обрабатываемой деталью, к нормальному напряжению Prn, возникающему на пластическом контакте при температурах испытания (τnn/Prn).

Результаты проведенных испытаний показывают, что влияние имплантируемых элементов на износостойкость инструмента в значительной степени определяется условиями резания. Рабочая температура при высокоскоростном резании составляет около 600 °С (870–900 К). Если используется охлаждающая жидкость, температура снижается не менее чем на 100° [3]. В этом случае эффект имплантации изменяется в зависимости от того, выполняется ли резание с помощью охлаждающей жидкости или без нее.

Как можно видеть, ионная модификация поверхности резца значительно влияет на его износостойкость. По нашему мнению, на повышение износостойкости резца оказывает влияние комплексное сочетание многочисленных взаимосвязанных факторов. Сюда относятся факторы, которые дают возможность: образовывать жидкие и

107

газообразные фазы или легкоплавкую эвтектику, действующие как смазочные вещества; создавать аморфные кислородосодержащие пленки с низкими коэффициентами трения и теплопроводностью; снизить прилипание поверхности инструмента к обрабатываемому материалу и в то же время повысить адгезию твердого покрытия ФОП с модифицированной основой.

Имплантирование химических элементов позволяет получать лучшие результаты. Такие элементы, как индий, серебро и азот, повышают износостойкость инструмента в 2–3 раза при различных условиях резания (с охлаждающей жидкостью и без нее). Они способствуют образованию измельченной стружки на резце с таким покрытием. Ионная модификация поверхности резца с другими исследуемыми элементами дает неустойчивый или негативный эффект, т.е. снижение износостойкости инструмента и невозможность обеспечивания высокой адгезиимежду твердым покрытием и основанием.

В целом в работе рассмотрены некоторые способы улучшения покрытий, формирующихся в результате двухступенчатого упрочнения поверхностного слоя инструмента, например, путем диффузионного насыщения азотом (ионное азотирование быстрорежущей стали) и путем нанесения износостойкого покрытия со сложнолегированными нитридами (Ti,Cr)N с помощью плазмы дугового разряда катода (CAPADP). Предлагаемый вариант покрытия включает в себя также дополнительный модифицированный нижний слой, полученный ионной имплантацией поверхности быстрорежущей стали, предварительно подвергшейся азотированию в тлеющем разряде ионов азота. Такое многослойное покрытие позволяет значительно повысить (в 2,1–2,4 раза) износостойкость инструмента благодаря увеличению стадии нормального износа. Исследовано влияние на износостойкость инструмента из быстрорежущей стали шестнадцати химических элементов и четырех антифрикционных материалов, имплантированных в основную поверхность. Оптимальное сочетание высокой прочности и надежности (характеризуемых высокой адгезией покрытия к основанию) проявляется в многослойном покрытии с нижним слоем, обогащенным In. Этот элемент присутствует в нижнем слое, как в свободном, так и в свя-

108

занном (In – N) состояниях. Положительное влияние ионной имплантации In на износостойкость инструмента можно объяснить сложными процессами. Действуя как жидкая фаза при температурах резания, индий способствует уменьшению коэффициента трения. Кроме того, когда резец нагревается при трении, образующиеся на поверхности износа кислородосодержащие фазы индия защищают инструмент, препятствуя переходу от нормального к катастрофическому износу. Это позволяет увеличить стадию нормального износа и значительно повысить износостойкость инструмента.

Список литературы

1.Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение, 1993. – 336 с.

2.Покрытия и смазка в высокотемпературных подвижных сопряжениях и металлообработке / Л.Ш. Шустер, Н.К. Криони, В.Ю. Шолом, М.Ш. Мигранов. – М.: Машиностроение, 2008. – 318 с.

3.Пат. 34249 РФ. Прибор для исследования адгезионного взаимодействия / Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов. 24.06.2003.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ

М.Ш. Мигранов, А.М. Мигранов

Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Россия

e-mail: migmars@mail.ru

Рассматриваются вопросы совершенствования процесса резания за счет модификации приповерхностного слоя режущего инструмента путем дополнительного легирования спеченных порошковых инструментальных материалов. Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования изнашивания режущего инструмента.

Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования изнашивания режущего инструмента.

109

В системе мероприятий по совершенствованию процесса резания наиболее действенным звеном является режущий инструмент, так как именно инструмент в значительной мере определяет полноту использования технических возможностей современных мехатронных систем, оснащенных высокоскоростным оборудованием с дорогостоящим микропроцессорным управлением (ЧПУ и АдСУ), а также сроки их окупаемости. Поэтому основные исследования в настоящей работе связаны с совершенствованием режущих инструментов.

Известно, что основные явления при трении концентрируются в тонком приповерхностном слое. Представляет научный и практический интерес термодинамические аспекты состояния этого слоя и связь изнашивания с этим состоянием. В работах [1–3] сформулирован принцип вторичной диссипативной гетерогенности, согласно которому в процессе трения происходят явления структурной приспосабливаемости (адаптации) контактирующих материалов, при которых все виды взаимодействия тел локализуются в тонкопленочном объекте – вторичных структурах (ВС). В соответствии с этим принципом вторичные структуры необходимы для рассеяния энергии при ее переходе из зоны трения в трущиеся тела, причем рассеяние энергии должно происходить с наименьшей скоростью прироста энтропии. Этому способствуют: потеря термодинамической устойчивости трибосистемы и неравновесные процессы с образованием ВС, обеспечивающие минимизацию износа. В работе [4] приведена следующая формула линейной интенсивности изнашивания, полученная из условия потери термодинамической устойчивости при трении и образования диссипативных структур:

где X и Y – некоторые части механической энергии трения, которые рассеивается в виде тепла и на формирование потока вещества (в процессе износа); k – коэффициент пропорциональности между массой изношенных частиц и потоком энтропии; – плотность вещества из-

110