Износостойкость покрытий для режущего инструмента

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

УДК 621.91

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

© 2011 М.Ш. Мигранов

У фимский государственный авиационный технический университет

Поступила в редакцию 10.11.2011

Использование современного высокопроизводительного и дорогостоящего металлорежущего оборудования, оснащенного системами числового программного (ЧПУ) и адаптивного управления (АдСУ), особенно в условиях гибких автоматизированных производств (ГАП) и мехатронных систем, повышает требования, предъявляемые к качеству, надежности режущего инструмента, ужесточает условия его работы. Отмечается увеличение расхода инструмента на единицу выпускаемой продукции и затрат на инструмент, составляющих до 4 - 7 % всех затрат на изготовление изделий. Таким образом, повышение работоспособности режущих инструментов за счет увеличения их стойкости, надежности и производительности является одним из главных факторов повышения эффективности в целом всего производства. В связи с этим актуальной задачей является создание и исследование принципиально новых покрытий для режущего инструмента, которые обладают повышенной поверхностной износостойкостью и относительно высокой прочностью, а также вязкостью. Направленное изменение свойств покрытий путем варьирования их составом, структурой и строением позволяет существенно изменять контактные характеристики процесса резания.

Режущие инструменты работают в условиях воздействия сложного комплекса факторов, например, высоких контактных напряжений и температур, а также в условиях активного протекания физикохимических процессов. При этом контактные площадки инструмента интенсивно изнашиваются в условиях абразивного воздействия инструментального материала, адгезионно-усталостных, коррозионно-окислительных и диффузионных явлений. Работоспособность инструмента может быть повышена за счет такого изменения поверхностных свойств, при которых контактные площадки режущего клина будут наиболее эффективно сопротивляться вышесказанным видам изнашивания и явлениям как при комнатной, так и при повышенной температурах. При этом инструментальный материал должен одновременно обладать достаточным запасом прочности при сжатии и изгибе, приложении ударных импульсов и знакопеременных напряжений. Перечисленные свойства обычно являются взаимоисключающими, и создание режущего инструмента с идеальным комплексом указанных свойств в объеме однородного тела, практически не представляется возможным, поэтому в настоящее время очень

большое внимание уделяется многокомпонентным и многослойным покрытиям.

В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований закономерностей влияния на износостойкость инструментального материала с многослойными покрытиями в зависимости, во-первых, от их химического состава и кристаллохимического строения, во-вторых, технологии получения этих покрытий, в-третьих, при лезвийной обработке различных материалов в широком диапазоне изменения элементов режима резания.

Проведены триботехнические исследования на ад-гезиомере при использовании сферических инденто-ров из быстрорежущей стали Р6М5 без покрытия, с покрытиями (TiCr)N и (TiCr)N + эпилама - материал образцов из стали 40Х (20 HRC), а также серии натурных испытаний при фрезеровании и точении. Фрезерование осуществлялось на вертикальнофрезерном станке HECKERT стали 40Х концевыми фрезами (d = 12 mm, z = 4) марки “Carbide” (США) -твердый сплав на основе карбидов вольфрама; “Carbide” + покрытие (TiAl)N; “HSS”+ покрытие (TiCr)N (Россия) - быстрорежущая карбидосталь; М42 (Япония) - быстрорежущая сталь с содержанием 8 % Со; М42 + покрытие (TiAl)N и резцовыми фрезами (d = 90 mm, z = 1) со сменными четырехгранными твердосплавными пластинами ТТ8К6 и ТТ8К6 + покрытия TiN, (TiCr)N, (TiAl)N, (AlTi)N, (TiAlCr)N, (AlTiCr)N, «Бальцерс» с различным процентным содержанием каждого из элементов покрытия, при различных режимах резания (п = 500 - 900 об\мин, S = 60 - 100 мм\мин, t = 1 - 3 мм, b = 4 - 10 мм). Причем эти покрытия нанесены различными методами, в частности, после предварительного отжига импульсами, как основы, так и самого покрытия; с раздельных катодов; от сплавного катода. Точение производилось на токарном станке 16К20 сталей и сплавов - 40Х, ЭИ -654, ЖС6УВИ твердосплавными пластинами ТТ8К6 со всеми вышеперечисленными покрытиями.

При фрезеровании и точении исследовались такие эксплуатационные свойства режущего инструмента и контактные характеристики процесса, как износ инструмента по задней поверхности, относительный линейный износ, температура и усилия резания, коэффициент усадки стружки, угол условной плоскости сдвига, коэффициент трения, а также период стойкости (рис. 1) и показатели качества обработанной поверхности.

1134

Механика и машиностроение

По результатам экпериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

- применение покрытия и эпиламы существенно снижает прочность на срез адгезионных связей практически во всем исследованном диапазоне температур контакта;

- износостойкость концевых фрез в зоне низких скоростей резания в значительной мере определяет наличие хорошего покрытия. Очевидно, титановоалюминиевые покрытия по сравнению с другими показали более высокую износостойкость где-то на 30-45 % и при высоких режимах резания;

- износостойкость твердосплавных пластин с покрытиями при точении, в сравнении с основой в исследуемом диапазоне режимов обработки составляла в среднем на 15 - 25 % в лучшую сторону (рис. 1).

Рис. 1. Влияние скорости резания на период стойкости инструмента с различными покрытиями.

- покрытие неоднозначно изменяет напряженность режущей части инструмента. Снижаются максимальные значения касательных напряжений на контактной площадке передней поверхности, нормальные напряжения изменяются в зависимости от отношения нормальный силы к площадке контакта,

- покрытие существенно снижает параметры нароста и диапазон скоростей резания при которых формируется нарост,

- покрытие способствует смещению изотерм максимальных температур в сторону режущей кромки с дальнейшим переходом в зону первичной деформации,

- многослойные покрытия оказывают существенное влияние на перераспределение теплового потока в зоне контакта, в частности, увеличивается количество тепла, отводимого со стружкой, уменьшаются тепловые потоки в деталь и инструмент и как следствие приводит к смещению износостойкости режущего инструмента в зоне приработочного износа.

WEAR RESISTANCE FOR CUTTING TOOLS

© 2011 M.Sch. Migranov Ufa state aviation technical university

1135