Исследование характеристик режущего инструмента, модифицированного воздействием низкотемпературной плазмы

УДК 621.9.048.7:621.9.025

Б. М. Бржозовский, В. В. Мартынов, Е. П. Зинина

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА, МОДИФИЦИРОВАННОГО ВОЗДЕЙСТВИЕМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

Аннотация. Представлены результаты исследования характеристик режущего инструмента, модифицированного воздействием низкотемпературной плазмы, позволившие определить условия для его наиболее эффективного практического использования.

Ключевые слова: режущий инструмент, модификация, низкотемпературная плазма, шероховатость, микротвердость, время стойкости, подача

Abstract. The results of studying the characteristics of the cutting instrument, a modified low-impact plasma, which allowed to determine the conditions for its most effective practical use are presented.

Keywords: cutting tool, modification, low-temperature plasma, surface roughness, microhardness, while resistance, flow.

Введение

Износостойкость - основной эксплуатационный показатель любого режущего инструмента. Вопросам повышения его износостойкости, в том числе методами модификации рабочих поверхностей, посвящено большое количество работ. Исследование стойкостных свойств модифицированного инструмента проводится, как правило, при обработке с постоянными значениями подачи и глубины резания и переменными значениями скорости резания. Однако инструмент, работающий в реальных производственных условиях, выполняет более сложные операции; при этом режущие части подвергаются различным видам изнашивания, а потеря работоспособности может быть обусловлена не только износом, но и некорректно назначенными параметрами технологического режима. Кроме того, свойства модифицированной поверхности, такие как твердость и шероховатость, могут существенно отличаться от аналогичных параметров исходной (необработанной) поверхности, что может внести существенный вклад в изменение процессов, протекающих в контактных зонах при резании. Поэтому представляется актуальным исследование характеристик модифицированного инструмента с целью определения условий для его наиболее эффективного практического применения.

1. Объект и предмет исследования

Объектом исследования стали широко используемые в различных производствах сменные многогранные твердосплавные пластины из сплава Т15К6 WNUM-080404 ГОСТ 19048-80 с покрытием TiN. Модификация пластин была проведена методом обработки в плазме комбинированного разряда пониженного давления на установке «Хром» [1]. Время обработки составило 15 мин. Предметом исследования были характеристики модифицированных пластин: шероховатость поверхностей их граней, микротвердость по Виккерсу и время стойкости, которые сравнивались с аналогичными характеристиками необработанных (контрольных) пластин.

2. Результаты исследования

Шероховатость поверхности пластин оценивалась методом полуколи-чественного измерения усилий их трогания с поверхности притертой закаленной пластины размером 100x40 мм (Яа = 0,063 мкм), изготовленной из стали ШХ15. Обезжиренная твердосплавная пластина располагалась режущей частью (гранью) к поверхности закаленной пластины. Затем на нее аккуратно надевалась широкая петля из тонкой шелковой нити, на конце которой закреплялась легкая чашечка из тонкой пластмассы массой 0,3 г. Для определения усилия трогания в чашечку капалась вода. Величина нагрузки Ртр, при которой происходило трогание и начиналось движение пластины, определялась взвешиванием с точностью до 0,1 Н. Для каждой пластины измерение усилия трогания проводилось 10 раз с последующим усреднением полученных результатов.

На рис. 1 представлены диаграммы усилий трогания, сравнение которых позволило установить, что воздействие низкотемпературной плазмы, вызывая разогрев и оплавление имеющихся на режущей части микронеровностей, приводит к существенному улучшению шероховатости поверхности пластин и, как следствие, снижению усилия трогания, в среднем в 1,63 раза.

0,03

1 0,02

К

5

2 0,02 о

а.

I-

<и

5 0,01

с

5

О

^ 0,01

1 2 3 4 5

Пластина

Рис. 1. Усилия трогания твердосплавных пластин Т15К6 с покрытием ТШ до (черные) и после (серые) обработки в плазме комбинированного разряда пониженного давления

Определение микротвердости пластин проводилось с целью оценки сопротивления их материала пластической деформации в слоях различной толщины в соответствии с рекомендациями, приведенными в [2].

Микротвердость (по Виккерсу) определялась на поверхности ленточек пластин на микротвердомере ПМТ-3 при нагружении индентора грузами массой 20, 40, 60, 80, 100, 125, 150, 200 г в течение фиксированного времени (10 с) для установления характера изменения микротвердости по мере увеличения глубины внедрения индентора. Измерения диагоналей отпечатка алмазной пирамиды для каждого значения нагрузки проводились четыре раза

в связи с ограниченными размерами ленточки. После измерений в соответствии с ГОСТ 9450-76 рассчитывались микротвердость НУ и глубина отпечатка. По полученным средним значениям строились графики зависимостей микротвердости от глубины отпечатка Н для контрольных пластин (1, 2) и пластин, прошедших плазменную обработку (3-5).

Анализ полученных результатов позволил установить следующее (рис. 2, 3):

1. Толщина исходного покрытия ТШ составляет порядка 1,5-2,2 мкм (рис. 2). Переход между покрытием и материалом основы (сплавом Т15К6) имеет ярко выраженный минимум микротвердости. Это свидетельствует о недостаточной связи покрытия с основой, что в конечном результате может привести к отслаиванию покрытия при резании. Покрытие ТШ имеет сложную слоистую структуру, включающую 2-3 слоя. Толщина слоев составляет

0,5-0,7 мкм, микротвердость колеблется от 18 до 31 ГПа.

2. Покрытие ТШ на пластинах, прошедших плазменную обработку, сохраняет сложную слоистую структуру. Количество слоев увеличивается до 3-4, микротвердость слоев колеблется от 25 до 58 ГПа. Шаг слоистой структуры составляет 0,3-0,4 мкм. Максимальные значения микротвердости покрытия ТШ возрастают в два раза и на глубине 0,5-0,7 мкм достигают 52-58 ГПа (рис. 3).

40,0

га

с

£ 30,0

о

4

о.

ш

“ 20,0

О

О.

5 10,0

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Глубина отпечатка, мкм

Рис. 2. Распределение микротвердости по глубине на поверхности контрольных твердосплавных пластин с покрытием ТГ№ 1 - пластина 1 (грань 3);

2 - пластина 2

Время стойкости пластин определялось методом сравнительных стой-костных производственных испытаний пластин в ОАО «Саратовский подшипниковый завод» на автоматическом станке 16К20ФЗС5 в процессе обработки деталей «Шток задний» (материал - сталь ШХ15) при следующих значениях параметров технологического режима: скорость резания V = 80-100 м/мин, глубина резания t = 2,5 мм, подача = 0,26-0,38 мм/об. По результатам обработ-

л ^7+0,5

ки измерялось отклонение диаметрального размера 27 мм изготовленных деталей от номинального (настроечного) значения, фиксировались машинное время и количество подналадок станка, строились точностные диаграммы без учета подналадочных импульсов (рис. 4, 5) и оценивалась величина времени стойкости пластин.

60,0

из

Р 50,0

о

о

ч:

Ф 40,0 ш

I-

о

о.

30,0

20,0

\ж^

2 V /

3

0,5

1,0

1,5 2,0 2,5

Глубина отпечатка, мкм

Рис. 3. Распределение микротвердости по глубине на поверхности модифицированных твердосплавных пластин с покрытием ТІМ: 1 - пластина 3

Рис. 4. Точностная диаграмма обработки деталей «Шток задний» контрольной пластиной на рабочей подаче (0,28 мм/об): Т - допуск на размер

В ходе испытаний пластин с модифицированным покрытием ТІК было установлено следующее:

1. При традиционно назначаемых параметрах технологического режима пластины работают в условиях сильного наростообразования.

2. Уменьшение подачи ниже 0,3 мм/об вызывает сильный адгезионный износ пластин.

3. Увеличение скорости резания приводит к росту скорости абразивного изнашивания пластин.

4. Увеличение подачи дает повышение времени стойкости пластин (до 4,4 раза) и, как следствие, стабилизацию размерной точности обработанных деталей и уменьшение количества подналадок станка.

5. Поверхности исходных и модифицированных пластин после обработки партии деталей имеют существенные различия в характере разрушений и образовавшихся на них дефектов.

0,6

0,5

0,4-

0,3

*сЧх*>^ о^о-счд

>СККГ /Чхх/4 >суу>СЧ) I

/ I- ' 1

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Машинное время, с

Рис. 5. Точностные диаграммы обработки деталей «Шток задний» модифицированными пластинами с подачами 0,3 мм/об (1) и 0,38 мм/об (2):

Т - допуск на размер; в круге - результаты обработки при увеличении скорости резания

Микроструктура рабочих поверхностей пластин приведена на рис. 6 и показывает, что для исходных (необработанных) пластин отсутствие покрытия TiN в прикромочной области приводит к усталостному разрушению режущей кромки передней поверхности в зоне ее контакта с обрабатываемой заготовкой вследствие выкрашивания фрагментов, ступенчатого микроскалывания и чешуйчатого отслаивания покрытия TiN (рис. 6,а,б).

Износ передней поверхности пластины в области перехода с продольного на торцевое точение для всех пластин носит адгезионный характер и сопровождается мелкими выкрашиваниями округлой формы (рис. 6,в,г), а также пластической деформацией переходной зоны у исходных пластин. Образование таких дефектов вызвано некорректным заданием перехода с продольного на торцевое точение в управляющей программе станка и в конечном итоге может привести к преждевременным сколам и разрушениям режущей части пластин.

Особые свойства структуры модифицированных пластин проявляются в износе их передней поверхности:

- сохранением модифицированного покрытия практически во всей контактной зоне;

- приработкой краев режущей кромки в контактной зоне (рис. 6,д,е);

- следами окисленного обрабатываемого материала на передней поверхности контактной зоны пластин вплоть до «цветов побежалости» (рис. 6,д,ж,з) при их работе на повышенных подачах (0,38 мм/об);

- устойчивостью режущей кромки к разрушению в целом за счет объединения и локализации дефектов (рис. 6,и), образующихся в модифицированном покрытии TiN в результате ослабления и разрушения связей между элементарными ячейками его структуры, которые формируются в процессе нанесения покрытия TiN методом катодно-ионной бомбардировки и состоят из отдельных кластеров - микрокапель.

е) ж) з) и)

Рис. 6. Микроструктура поверхности износа: а - отслаивание покрытия ТИЧ; б - выкрашивание поверхности, микросколы; в, г - вид поверхности в переходной зоне; д, е - приработанные кромки; ж, з - наплывы; и - разрушение покрытия

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

Заключение

Материалы выполненных исследований позволяют сделать вывод о том, что поверхность твердосплавных пластин из сплава Т15К6 с покрытием модифицированных в плазме комбинированного разряда пониженного давления, приобретает структуру, которая по своим свойствам существенно отличается от структуры обычных пластин. Результатом этого становится повышение их износостойкости за счет повышения прочности покрытия. Температурно-деформационный механизм этого явления подробно описан в [3] и связан с существенным снижением интенсивности ползучести материала режущей части. Применительно к данному случаю механизм работает следующим образом:

1. Воздействие плазмы на покрытие ТСК способствует проникновению титана в инструментальную матрицу (основу), что приводит к укреплению адгезионных связей покрытия с материалом основы. В результате в условиях, когда температурное поле в теле инструмента смещено к режущей кромке, протекает процесс ползучести микрообъемов покрытия на передней поверхности при движении стружки в контактной зоне, приводящий к формированию наплывов в направлении от режущей кромки.

2. Движение микрообъемов приводит к образованию мелких проточин на передней поверхности, которые снижают площадь ее контакта со стружкой, что способствует снижению силы резания и усилению процесса нарос-тообразования. В результате площадь контакта увеличивается, вызывая рост силы резания и температуры в контактной зоне; следствием этого становится оплавление нароста и удаление его со стружкой. Гребешки проточин сглаживаются, что еще больше увеличивает площадь контакта и температуру в контактной зоне. Составляющая Рг силы резания при этом возрастает до 8-10 кН, что ведет к выкрашиванию материала покрытия и образованию новых проточин.

3. Увеличение подачи приводит к увеличению зоны контакта между заготовкой и инструментом, уменьшению интенсивности их относительных колебаний и, как следствие, перераспределению нагрузок на передней поверхности [4] и увеличению угла сдвига. Контактное взаимодействие стружки с передней поверхностью инструмента протекает в условиях существования пластического и вязкого контактов; структура формирующихся при движении стружки наплывов становится практически периодической с локализацией в очень тонких полосах сдвига модифицированного материала.

В связи с этим для наиболее эффективного использования пластин в реальных производственных условиях необходимо осуществлять точение ими с повышенными значениями подачи; практически, как показали результаты сравнительных стойкостных испытаний, это обеспечивает сокращение машинного времени обработки не менее чем на 11 %.

Список литературы

1. Бржозовский, Б. М. Упрочнение режущего инструмента воздействием низкотемпературной плазмы комбинированного разряда / Б. М. Бржозовский,

В. В. Мартынов, Е. П. Зинина. - Саратов : Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2009. -176 с.

2. Ковалевский, В. В. Экспресс-метод определения толщины тонких упрочняющих покрытий / В. В. Ковалевский, Л. Е. Зубков, Ю. И. Шалапко // Заводская лаборатория. - 1993. - №4. - С. 55-56.

3. Талантов, Н. В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения режущего инструмента / Н. В. Талантов. - М. : Машиностроение, 1992. -240 с.

4. Пандит, С. Применение метода статистического анализа зависимых данных для исследования динамики образования профиля поверхности при точении /

С. Пандит, С. Ривач // Конструирование и технология машиностроения. - 1981. -Т. 103. - № 4. - С. 257-265.

Бржозовский Борис Максович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования и компьютерного моделирования технологического оборудования в машино- и приборостроении, заслуженный работник высшей школы РФ, Саратовский государственный технический университет

E-mail: bmbsar85@mail.ru

Мартынов Владимир Васильевич доктор технических наук, профессор, кафедра конструирования и компьютерного моделирования технологического оборудования в машино- и приборостроении, Саратовский государственный технический университет

E-mail: v_martynov@mail.ru

Зинина Елена Петровна кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и компьютерного моделирования технологического оборудования в машино- и приборостроении, Саратовский государственный технический университет

Brzhozovsky Boris Maksovich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of processing equipment design and computer simulation in mechanical and instrument engineering, Saratov state technical university,

Honored worker of higher education of the Russian Federation

Martynov Vladimir Vasilyevich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of processing equipment design and computer simulation in mechanical and instrument engineering, Saratov State Technical University

Zinina Elena Petrovna Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of processing equipment design and computer simulation in mechanical and instrument engineering, Saratov State Technical University

E-mail: kimo@sstu.ru

УДК 621.9.048.7:621.9.025 Бржозовский, Б. М.

Исследование характеристик режущего инструмента, модифицированного воздействием низкотемпературной плазмы / Б. М. Бржозовский, В. В. Мартынов, Е. П. Зинина // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 4 (16). - С. 151-158.