МЕТЧИК С ИЗНОСОСТОЙКИМ УГЛЕРОДНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к области металлообработки, а именно, к нарезанию резьбы метчиками в отверстиях разного типа, и направлена на повышение эксплуатационных характеристик метчиков, а также на улучшение качества нарезаемой резьбы.
Метчик представляет собой винт с прорезанными прямыми или винтовыми стружечными канавками, образующими режущие кромки. Рабочая часть метчика имеет режущую и калибрующую части (Якухин В.Г., Ставров В.А., Изготовление резьб, Справочник, М., Машиностроение, 1989, с.192). Метчик работает при двух одновременных движениях: вращательном (метчика или изделия) и поступательном (вдоль оси метчика).
При нарезании резьбы метчиком необходимо принимать во внимание марку материала изделия, конструкцию метчика, возможности станка, а также режимы нарезки резьбы.
В процессе нарезания резьбы нужно обеспечить хороший отвод стружки во избежание поломки метчика и для обеспечения высокой точности и хорошего качества поверхности резьбы. Все это создает дополнительные трудности для конструкторов металлорежущего инструмента, в частности, метчиков.
В настоящее время существует большое количество метчиков различных конструкций и геометрии для нарезания резьбы в деталях, изготовленных из разных материалов.
Основными факторами, определяющими долговечность работы метчика, являются:
1. Износ и затупление режущей кромки зубьев метчика вследствие недостаточной твердости (не более 10ГПа для инструментальной стали и 20 ГПа для твердых сплавов на основе карбида вольфрама) инструментальной основы рабочей части метчика.
2. Прослабление размеров резьбы и нарушение калибровки отверстий при нарезании метчиком с изношенной калибровачной частью.
3. Налипание и затрудненный выход стружки вследствие больших коэффициентов трения (~0,3) по стружечным канавкам при нарезании резьбы в изделиях, изготовленных из мягких и вязких металлов, зачастую приводит к поломке метчика на обратном ходе (выворачивании) при нарезке резьбы в глухих резьбовых отверстиях, вследствие чего происходит брак всей обрабатываемой детали.
В зависимости от обрабатываемого материла детали, геометрических параметров резьбы и типа отверстий существуют и продолжают разрабатываться различные конструкции метчиков с целью повышения долговечности их работы в оптимальных режимах. (Патенты РФ 2103121, 2179095, 2192335, 2246382, 2229965, 2334602, Свидетельство РФ на полезную модель 52582).
Основным общим недостатком - ограничением долговечности работы метчиков - являются недостаточно высокие механические и трибологические характеристики основного материала метчика.
Увеличение рабочего ресурса метчика любой конструкции может быть достигнуто повышением твердости поверхности рабочей части метчика и уменьшением усилия трения как в зоне резания, так и в зоне проскальзывания стружки по стружечным канавкам. Все это достигается нанесением специальных покрытий на поверхность рабочей части метчика.
Наиболее часто для увеличения долговечности работы режущего инструмента и, в частности, метчиков используются многослойные износостойкие покрытия из нитрида титана и циркония (патенты РФ №2061090, №2361013. №2270270) при различном чередовании наносимых слоев.
Основными недостатками таких покрытий на метчиках являются недостаточно высокая твердость покрытия (25-30)ГПа и невысокая адгезия покрытия к поверхности материала рабочей части метчика, что снижает долговечность работы метчиков.
Наиболее близким к заявляемому является метчик с TiAlCN+аморфный углерод износостойким покрытием на его рабочей части толщиной 1-7 мкм, применяемый для обработки стали [Д.Локтева, Е.Ямашкина «Основные виды износостойких покрытий», Наноиндустрия, 2007, №5, с.24]. Основное покрытие, - это каробнитрид титана и алюминия толщиной до 3 мкм, на которое наносится слой аморфного углерода толщиной до 1 мкм.
Данное покрытие имеет твердость 28ГПа и коэффициент трения 0.15, что способствует повышению ресурса работы этого метчика при нарезании резьбы в простых сталях.
Однако данное покрытие тоже не обеспечивает этому метчику необходимого ресурса работы из-за недостаточной твердости покрытия особенно при нарезании резьбы в глухих отверстиях деталей, изготовленных из твердых и вязких сталей (Ст.38ХС. Ст.20Х2Н2А, Ст.20Х2Н4А и др.). Недостаточная твердость покрытия приводит к преждевременному износу режущих кромок метчика (притупление) и к ухудшению качества резьбы в обрабатываемых деталях (изменение размеров и профиля резьбы, образование раковин и повышение шероховатости поверхности резьбы). Возрастает нагрузка на материал метчика и как следствие, его поломка, особенно при обратном ходе при нарезании резьбы в глухих отверстиях.
В основу предлагаемой полезной модели положена задача повышения рабочего ресурса метчика и снижения коэффициента трения по стружечным канавкам при нарезании резьбы путем упрочнения его поверхности
Поставленная задача решается тем, что в метчике с износостойким углеродным покрытием на его рабочей части, согласно полезной модели, углеродное покрытие выполнено из твердого аморфного алмазоподобного углерода, с расположенным под ним промежуточным адгезионным слоем, при этом толщина покрытия составляет 1-3 мкм, а толщина промежуточного адгезионного слоя составляет не более 0,1 толщины покрытия.
При этом промежуточный адгезионный слой выполнен из титана или его соединений с углеродом.
Выполнение углеродного покрытия из твердого аморфного алмазоподобного углерода толщиной (1-3)мкм позволило осуществить упрочнение поверхности рабочей части метчика. Твердость поверхности метчика с нанесенным заявляемым покрытием составляет 70-100 ГПа.
Кроме того, выполнение углеродного покрытия из твердого аморфного алмазоподобного углерода одновременно позволило понизить коэффициент трения до величины, не превышающей 0,1.
Наличие промежуточного адгезионного слоя, выполненного из титана или его соединений с углеродом толщиной 0,1-0,3 мкм обеспечивает наилучшее химическое взаимодействие (адгезию) этого слоя как с основным материалом метчика - инструментальной сталью, так и с покрытием из твердого алмазоподобного углерода.
Все это позволило значительно увеличить рабочий ресурс метчика.
Такое покрытие было нанесено на рабочую поверхность метчиков на установке УВНИИПА-1-001. Ресурс метчиков различного типа с таким покрытием был определен в условиях реального производственного процесса (Уралвагонзавод, г.Нижний Тагил).
Стойкость этих метчиков возросла при нарезании резьбы от 2 до 9 раз, в зависимости, от марки обрабатываемой стали и типа отверстий.
Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующей совокупности условий:
- метчик с твердым износостойким углеродным аламазоподобным покрытием может быть использован в области металлообработки.
- нанесение описанного выше покрытия способно обеспечить повышение рабочего ресурса метчика.
- выполнение углеродного покрытия из твердого аморфного алмазоподобного углерода одновременно позволило понизить коэффициент трения до величины, не превышающей 0,1.