Вопросы выбора материала режущей части инструмента при проектировании обработки резанием

Параметры режима резания обуславливают только одну сторону условий протекания процесса резания. Резание же, как физический процесс, определяется взаимодействием поверхностных слоев конкретного обрабатываемого материала с конкретным материалом поверхностного слоя режущей части инструмента в условиях, заданных параметрами режима резания. Практически во всех существующих методиках технологического проектирования выбор марки инструментального материала сведен к отдельной единичной процедуре его назначения перед началом расчета количественных параметров в соответствии с технологическими рекомендациями, т. е. не используется возможность альтернативного выбора с последующим сравнением их эффективности по количественным показателям. Наиболее наглядно это проявляется при назначении только одного варианта поверхностного упрочнения, хотя совершенно очевидно, что при наличии на заводе участка покрытий является необходимым оперативное сравнение по эффективности хотя бы нескольких конструкций поверхностных слоев. К сожалению, до сих пор нет нормативных материалов, содержащих достаточно четкие обоснования по выбору метода поверхностного упрочнения, состава и конструкции покрытия для конкретных условий обработки в конкретных операциях и переходах.

Сформировать базу для осуществления альтернативного отбора материала режущей части инструмента можно на основе существующих в настоящее время баз. Во многих справочниках общая совокупность марок инструментального материала уже сгруппирована по очевидным признакам — способу получения, химсоставу, строению, диапазону значений основных свойств. Примерная рекомендуемая область применения каждой марки обусловлена ее комплексом свойств. Однако, глубина рекомендаций на применение того или иного инструментального материала как правило ограничивается достаточно общими признаками (этап обработки, тип инструмента).

В решении проблемы создания инструментального материала с оптимальным сочетанием основных физико-механических и теплофизических свойств крупный шаг был сделан в начале 70-х годов с появлением газовой и вакуумно-плазменной технологии нанесения износостойких покрытий. Использование таких технологий дает возможность формировать на рабочих поверхностях покрытия заданного состава, структуры и конструкции. Это позволяет создать композицию покрытие — инструментальный материал, которая позволяет в различных комбинациях сочетать такие свойства, как прочность, вязкость, выносливость, твердость, теплостойкость.

Наиболее широко режущие инструменты с износостойкими покрытиями применяются в массовом производстве. Прежде всего, это многогранные неперетачиваемые режущие пластины с различными вариантами покрытий, получаемые централизованно. Во-вторых, это специальные инструменты из быстрорежущих сталей (червячные фрезы, долбяки), а также осевые инструменты с покрытиями КИБ.

Необходимо заметить, что существуют следующие особенности инструментов с покрытиями, которые оказывают решающее влияние на их работоспособность [1,2,3]:

• — Свойства поверхностного слоя резко отличаются от свойств основы. Прежде всего, это более высокая микротвердость, температура плавления, химическая инертность. Эти свойства зависят не только от состава, но и от технологии получения покрытия.
• — В соответствии со своими свойствами покрытия изменяют условия трения на контактных площадках, контактные давления, температуру резания.
• — Очень важной характеристикой является прочность сцепления покрытия с основой.
• — Существенное влияние на устойчивость покрытия к различным видам износа оказывает их конструкция, т. е. заданный градиент свойств по толщине каждого слоя, а также сама толщина (при многослойных покрытиях).

Износостойкие покрытия являются весьма твердыми, и значит, значительно влияют на повышение износостойкости инструмента. Чтобы инструмент мог противостоять контактным напряжениям при резании, весьма важно, чтобы процесс осаждения покрытия проходил в условиях, не снижающих твердости основы. Поскольку в процессе резания происходит интенсивное выделение теплоты, материал основы должен обладать высокой теплостойкостью, т. е. способностью сохранять твердость при температурах резания.

За счет износостойких покрытий можно уменьшить некоторые недостатки материалов основы и усилить их достоинства. Например, путем подбора соответствующего покрытия есть возможность повысить работоспособность режущего инструмента даже при повышении скорости резания за счет уменьшения схватывания с обрабатываемым материалом. С помощью износостойких антифрикционных покрытий можно воздействовать на величину силы резания, а отсюда — и на интенсивность изнашивания инструмента.

Для более конкретной проработки задачи повышения эффективности обработки резанием за счет рационального применения инструментальных материалов требуется однозначно рекомендовать или не рекомендовать данную марку к применению в конкретных условиях рабочего хода, определяемых на всех иерархических уровнях структуры технологии. Это значит, что необходима дополнительная дифференциация справочных рекомендаций.

резание инструментальный теплофизический покрытие.

Рис. 1 Систематизация вариантов материала режущей части инструментов, имеющих слои с измененными свойствами (СИС) для их альтернативного выбора при проектировании процессов резания

Кроме того, систематизация марок инструментальных материалов должна быть также дополнена систематизацией характеристик поверхностных слоев с измененными свойствами, иначе невозможно объективно определить возможность применения и технологий упрочнения в целом, и множества вариантов состава и конструкций упрочненных слоев для конкретных условий обработки. В общем виде такая систематизация представлена на рис. 1.

Применяемые способы сгруппированы в ней не просто по их физическим особенностям, но и по конечному результату — диапазону характеристик и вариантам конструкции получаемых слоев, которые и необходимо знать для принятия решения об их применении.

Собственно процесс отбора представляет собой последовательность процедур ввода ограничений на применение вариантов. На каждом этапе принимается решение об исключении тех или иных вариантов. Практически методика реализуется путем последовательной работы с комплектом таблиц, раскрывающих содержание ограничений либо с несложной компьютерной программой, встраиваемой как в САПР РИ, так и в САПР ТП. Во многих переходах могут быть использованы разнообразные конструкции режущих инструментов, как цельных, так и сборных. Режущая часть инструментов, кроме того, может быть изготовлена из инструментальных материалов различных групп, в том числе имеющих поверхностные слои с различными свойствами. Разработанные на сегодня двухслойные и трехслойные покрытия на основе TiN, (Ti, Zr) N, (Ti, Mo) N и (Ti, Al) N позволяют, по сравнению с однослойными покрытиями, нанесенными по традиционной технологии, повысить период стойкости режущего инструмента в 1,6—4,2 раза. Такое покрытие может иметь минимум два слоя. Верхний слой, непосредственно контактирующий со стружкой, должен отвечать за тепловое состояние режущего клина инструмента и обеспечить максимальное снижение контактных температур, минимальную амплитуду их колебаний за время рабочего и холостого ходов. Это позволит снизить интенсивность процесса трещинообразования в покрытии и режущем клине инструмента. Нижний слой, прилегающий к инструментальной основе, должен сдерживать процессы распространения трещин как на границе «покрытие — инструментальная основа», так и в самом покрытии и иметь высокий уровень сжимающих остаточных напряжений. Например, разработанные на основе этого принципа двухслойные покрытия из нитридов и карбонитридов титана позволяют повысить период стойкости твердосплавных пластин при фрезеровании заготовок из сталей 5ХНМ и 12Х18Н10Т в 1,5—3 раза.

Таким образом, эффективность режущего инструмента с покрытием, его качественные характеристики в значительной степени зависят от возможности обеспечения покрытий оптимальной толщины и их равномерного распределения по рабочим поверхностям инструмента. Между тем толщина покрытия и такие важные показатели его качества, как кристаллохимические свойства, дефектность, в достаточно большой степени зависят от положения рабочих поверхностей инструмента относительно плазменного потока.

Ионная бомбардировка (W, Mo, Cr, Ti) и вакуумно-плазменные покрытия TiN и (Ti-Cr) N значительно уменьшают влияние рабочего объема на предел прочности при изгибе, что свидетельствует о положительном влиянии ионной бомбардировки на поверхностные дефекты инструментального материала. Наиболее эффективно воздействуют на поверхность ионы Mo, Cr, Ti, имеющие невысокие значения энергии активации (соответственно 184, 124 и 108 Дж/моль), что способствует наиболее эффективному воздействию на поверхностные дефекты.

Возможность оптимизации технологических параметров КИБ для конкретных условий обработки, типа инструмента и используемой модели вакуумно-плазменной установки говорит о необходимости жесткой регламентации параметров и управления ими от ЭВМ с помощью программ, полученных на основе математических моделей типа моделей.

Покрытие принципиально не изменяет механизмы изнашивания твердых сплавов, сдвигая их скорости резания, минимизирующие интенсивность изнашивания в область более высоких скоростей резания благодаря снижению уровня термомеханической напряженности зоны резания. Сопротивляемость покрытий разрушению определяется составом, методом получения и условиями их эксплуатации. Длительность работы покрытия до разрушения уменьшается по мере роста подачи, при использовании твердосплавного инструмента в условиях прерывистого резания, а также при работе инструмента в условиях, приводящих к потере формоустойчивости режущей части или ее пластическому разрушению.

Эффективность от наличия на поверхности инструмента слоев c измененными свойствами, в т. ч. и покрытий, заметно повышается с увеличением скорости резания и ростом сопротивляемости режущей части инструмента пластическому деформированию.

Выбор альтернативных вариантов материала режущей части инструмента в идеале представляет собой не разовую, отдельную процедуру, а упорядоченный процесс ввода ограничений на использование всех возможных марок сердцевины режущей части, а также комбинаций «основа-покрытие» из числа применяемых в условиях данного производства в рамках каждого структурного элемента технологии. Именно такой подход позволил заметно повысить эффективность технологических процессов обработки резанием в массовом и крупносерийном производстве при минимуме понесенных затрат.

Библиографический список

• 1. Верещака А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями.// М.:Машиностроение, 1993.-336с.
• 2. Савин И. А. Формирование базы данных вариантов материала режущей части инструмента и метода его поверхностного упрочнения.// Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева / НГТУ им. Р. Е. Алексеева. — Нижний Новгород, 2012. № 3 (96).
• 3. Savin I.A. Los rasgos las elecciones del material de la parte que corta del instrumento al diseсado del tratamiento por el corte // Modern scientific researches and innovations.2015. № 1 [Electronic journal]. URL: http://web.snauka.ru/en/issues/2015/01/46 088