УДК 621.892

Папшева Н.Д., Акушская О.М.

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Самарский государственный технический университет

 

Приведены результаты исследования влияния ультразвукового упрочнения и нанесения покрытий  на показатели качества поверхностного слоя, стойкость и надежность режущего инструмента.

Results of research of influence of ultrasonic fluctuations and drawing of coverings on indicators of quality of a blanket, firmness and reliability of the cutting tool are resulted.

Ключевые слова: ультразвук, упрочнение, поверхностный слой, качество,покрытие, инструмент.

Эффективным методом повышения стойкости и надежности режущего инструмента является поверхностное пластическое деформирование, осуществляемое различными методами, отличительной особенностью которых являются значительные деформирующие усилия, что ограничивает их применение при обработке маложесткого инструмента. Введение в зону обработки ультразвуковых колебаний способствует снижению сопротивления пластическому деформированию и сил трения на контактных поверхностях, что в конечном итоге приводит к значительному снижению статических усилий деформирования.

Эффективность процесса при прочих равных условиях существенно зависит от физико- химических свойств обрабатываемого материала. Изучено влияние ультразвукового упрочнения (УЗУ) на поверхностную твердость,  остаточные напряжения  и деформационное упрочнение быстрорежущих сталей в зависимости от основных параметров процесса. Установлено, что поверхностная твердость возрастает с увеличением статического усилия и достигает максимального значения при Р_СТ=150-200 Н. Дальнейшее увеличение статического усилия приводит к некоторому снижению поверхностной твердости,  что связано с влиянием перенаклепа.

Зависимость твердости от скорости, амплитуды колебаний и подачи также носит экстремальный характер, что связано с возникновением термопластической деформации вследствие воздействия высоких температур в зоне контакта, уменьшения числа циклов ударного воздействия, приходящихся на единицу поверхности, уменьшения кратности приложения нагрузки. Изменение микротвердости в зависимости от режимов упрочнения носит примерно такой же характер, что и изменение поверхностной твердости. Интересной особенностью распределения микротвердости по глубине является смещение максимума на 0,05-0,1 мм от поверхности.

 Ультразвуковое упрочнение оказывает существенное влияние на качество  и тонкую кристаллическую структуру поверхностного слоя инструмента. На основании анализа результатов рентгенографических и электроно- микроскопических исследований установлено, что при упрочнении быстрорежущих сталей образуется мелкодисперсная структура с высокой плотностью дислокаций и развитием микроискажений, более равномерным распределением дислокаций в кристаллической решетке, интенсивным дроблением зерен на фрагменты и блоки, а также изменением структурно-чувствительных характеристик поверхностного слоя. В упрочненном слое выделяются мелкодисперсные карбиды и происходит переход остаточного аустенита в «мартенсит деформации», отличающийся более высокой твердостью и износостойкостью, чем «мартенсит закалки».

Установлено, что с ростом усилия упрочнения сжимающие остаточные тангенциальные напряжения увеличиваются при одновременном возрастании глубины их залегания. Дальнейшее увеличение статического усилия ведет к некоторому снижению величины остаточных напряжений.

Р и с.1 Влияние УЗУ на формирование остаточных напряжений:

1 – Р_ст=50 Н; 2 – Р_ст=100 Н;  3 – Р_ст=150 Н;  4 – Р_ст=250 Н

 (V=30 м/мин; s=0,1 мм/об; d_ш=5 мм; f=20 кГц; x=10 мкм)

 

  Осевые остаточные напряжения также являются сжимающими, но отличаются от тангенциальных  абсолютной величиной и характером  распределения, причем их максимум располагается на поверхности. Максимальное значение тангенциальных напряжений находится на некоторой глубине, а по направлению к поверхности наблюдается их  спад. Указанные различия эпюр тангенциальных и осевых остаточных напряжений связаны с особенностями напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя при ППД.

         Характерно, что наличие области с наибольшей интенсивностью деформаций и напряжений на некотором расстоянии от поверхности установлены также методом экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ).

Установлено, что наибольшее влияние на величину шероховатости при УЗУ оказывает стати­ческое усилие. С ростом усилия упрочнения высота микронеровностей снижается, что связано с увеличением глубины внедрения и площади контакта инструмента с обрабатывае­мой поверхностью. Наибольшее снижение высоты неровностей наблюдается при Р_СТ=150-200 Н. При дальнейшем повыше­нии усилия происходит частичное разрушение поверхностного слоя и высота неровностей возрастает.

Существенное влияние на шероховатость поверхности ока­зывает увеличение амплитуды колебаний инструмента, что связано с повышением скорости деформации и, как следствие, с ростом удельного давления в зоне контакта, вызывающих интен­сивную пластическую деформацию (смятие) неровностей.

Увеличение подачи приводит к резкому возрастанию высоты неров­ностей, что связано с уменьшением степени пластической де­формации вследствие снижения кратности приложения на­грузки.

В зависимости от исходной шероховатости высота микронеровностей после УЗУ может быть уменьшена в 1.5 раза.

Как уже указывалось, особенности формирования основных показателей качества поверхностного слоя при различных процессах ультразвуковой механической обработки в основном обусловлены сложным и многообразным влиянием ультразвука на его физическое состояние, в том числе на тонкую кристаллическую структуру и фазовый состав. Это в полной мере относится и к УЗУ, при котором пластическое деформирование поверхностного слоя осуществляется в результате высокочастотного ударного нагружения при скоростях деформации примерно на два порядка выше, чем при традиционном методе упрочняющей технологии - накатывании шариком или роликом.

Для сравнительной оценки энергетического состояния поверхностного слоя после различных методов упрочнения в качестве интегрального показателя использовали интенсивность ЭЭЭ.

Установлено, что при ультразвуковом упрочнении максимумы экзоэлектронной эмиссии соот­ветствуют наибольшим значениям остаточных напряжений и микротвердости. Это свидетельствует о тесной корреляции экзоэмиссионной активности с упрочнени­ем и уровнем остаточных напряжений. Сравнение эмиссионных свойств образцов после раз­личных видов упрочнения показывает, что об­катка шариком с Р_СТ=75 кГ  и ультразвуковое упрочнение с Р_СТ=15 Н  позволяют получить поверх­ность с равным энергетическим состоянием.

Сравнение полученных результатов показало, что наибольшую микротвердость при минимальной толщине деформированного слоя имеют образцы после УЗУ. Это связано с тем, что при высокочастотном циклическом нагружении деформация локализуется в области, непосредственно контактирующей с деформирующим элементом, и не проникает вглубь металла.

Как известно, стойкость режущего инструмента в значительной степени определяется физико-механическим состоянием поверхностного слоя и качеством покрытия.

Для повышения качества и прочности сцепления покрытия с основой проводили предварительное ультразвуковое упрочнение свободными шариками инструмента из быстрорежущей стали, затем на рабочие поверхности инструмента наносили износостойкие покрытия из TiN,  ZrN и  TiN+ZrN.

Вследствие  энергетической неоднородности поверхностного слоя взаимодействие покрытий с основой происходит и локализуется в первую очередь в зонах с наибольшей энергией, то есть в местах выхода дислокаций на поверхность. Именно в этих зонах возникают очаги схватывания. Одним их необходимых условий схватывания является пластическая деформация, которая сопровождается выходом дислокаций на поверхность. Ультразвуковое упрочнение приводит к значительному увеличению очагов схватывания и прочности сцепления покрытия с основой (табл.1) .

Как показали результаты исследований, покрытия существенно повышают стойкость режущего инструмента. В период приработки покрытие, полностью сохранившее свою сплошность на передней и задней поверхностях инструмента, эффективно снижает мощность теплового источника. Одновременно уменьшаются нормальные и касательные напряжения по контактным площадкам. Таким образом, термомеханическое состояние инструмента с покрытием становится более благоприятным, что и определяет его лучшую сопротивляемость изнашиванию.

Таблица 1

Диаметр шарика,  мм	Время упрочнения мин.	Частота колебаний, кГц	Амплитуда колебаний, мкм	Стойкость инструмента, мин.	Прочность      сцепления покрытия с основой, н/мм2
2	5	18	5	705	460
2	10	20	7	845	470
2.5	7	20	7	980	490
2.5	10	19	10	1100	510
3	10	19	10	984	490
3	5	20	7	840	470
Без упроч- нения	-	-	-	520	410

 

На стадии установившегося износа частично разрушенное покрытие продолжает сдерживать развитие очагов износа по контактным площадкам вследствие большей сопротивляемости абразивному истиранию. Однако, относительно хрупкое покрытие плохо сопротивляется адгезионно-усталостным процессам, что приводит к его разрушению на контактных площадках по установленному механизму с развитием сетки хрупких трещин.

Стойкостные испытания показывают, что с увеличением скорости резания стойкость инструмента с покрытием значительно возрастает по сравнению со стойкостью инструмента без покрытия. При этом покрытие замедляет рекристаллизационные процессы в быстрорежущей стали и тем самым снижает ее преждевременное разупрочнение.

Характерной особенностью эксплуатации инструмента из быстрорежущей стали с покрытием является возможность его дальнейшего использования после переточки по одной из его рабочих поверхностей. Так износ сверл с двухслойным покрытием после переточки снизился на 15 %, что, однако, существенно ниже соответствующего износа сверл без покрытий. Высокая стойкость инструмента обеспечивается в результате сохранения покрытия на передней поверхности, поэтому несмотря на изменение условий контактного взаимодействия на рабочей поверхности, термомеханическое состояние инструмента остается более благополучным, чем у инструмента без покрытия. Установлено, что только покрытия повышают стойкость сверл в 2 раза, причем максимальную стойкость имеют сверла с покрытием TiN+ZrN, что связано с качеством  и  прочностью сцепления покрытия с основой, которые имеют максимальные значения: K= 0,9 и Gсц =4100-4300 Мпа. При этом предварительное ультразвуковое упрочнение также приводит к повышению стойкости инструмента в 1,5 раза. Поэтому комбинированное упрочнение инструмента позволит сократить его расход, значительно повысив стойкость и надежность. При этом происходит снижение рассеяния размеров и уменьшение вероятностного процента брака.

 

 

 

 

<<<<<<Назад