Способ ионно-лучевой обработки инструмента

 

Способ ионно-лучевой обработки инструмента относится к методам поверхностной обработки изделий высококонцентрированными потоками энергии и предназначен для упрочнения режущей кромки инструмента. Способ заключается в облучении рабочей поверхности инструмента мощным ионным пучком наносекундной длительности. Плотность потока энергии в пучке выбирают в диапазоне 0,1 - 3 Дж/см² при средней энергии ускоренных ионов в пучке 10⁴ - 10⁶ эВ и длительности импульса тока пучка в диапазоне 5 - 1000 нс. 1 табл.

Изобретение относится к методам обработки инструмента импульсными потоками энергии с целью повышения его эксплуатационной стойкости. Способ предназначен для упрочнения режущей кромки режущего инструмента, изготовленного как из твердых сплавов, так и из инструментальной стали.

Известен способ ионно-лучевой обработки твердых сплавов на основе вольфрама-кобальта и титана-кобальта (см. авт. св. N 1280990, кл. G 01 N 3/56//G 01 N 3/58). По этому способу твердый сплав облучают по всей рабочей поверхности сильноточным импульсным пучком ионов потоком энергии 2-3 Дж/см² и длительностью импульса 10-100 нс. Этот способ имеет ограничения по материалу инструмента, требует для упрочнения высоких энергетических затрат.

Известен способ обработки инструмента мощным ионным пучком наносекундной длительности (см. авт. св. N 1441792, кл. C 12 D 1/09). В этом способе рабочую поверхность инструмента облучают пучком с плотностью потока энергии 1-3 Дж/см² и дозой в 2,5·10¹³ - 10¹⁴ см^-2. Кинетическая энергия ионов в пучке составляла (3-6)·10⁵ эВ.

Как показали наши дальнейшие исследования, доза в импульсе, определяемая как число частиц, действующих на единицу обрабатываемой поверхности в течение импульса облучения, является вторичным параметром, непосредственно связанным с потоком энергии. В то же время стало ясно, что эффекты модификации поверхностных свойств инструмента определяет другая физическая характеристика, а именно, объемная плотность поглощенной энергии за единицу времени, которая зависит как от параметров мощного ионного пучка, так и от характеристик обрабатываемого материала. Таким образом, стала ясна возможность разработки технологического процесса упрочнения инструмента, имеющего более низкие энергетические затраты, сниженные требования к другим параметрам мощного ионного пучка наносекундной длительности.

Предлагаемый способ, как и прототип, заключается в облучении рабочей поверхности инструмента мощным ионным пучком наносекундной длительности. В отличие от прототипа плотность потока энергии в пучке выбирают в диапазоне 0,1-3 Дж/см² при средней энергии ускоренных ионов в пучке 10⁴-10⁶ эВ. Длительность пучка выбирают в пределах 5 - 1000 нс. Нижний и верхний пороги средней кинетической энергии частиц, так же как и нижний предел длительности, определяются техническими возможностями источников мощных ионных пучков. Плотность потока энергии (0,1 - 3 Дж/см²) определяется прежде всего необходимой поглощенной энергией в поверхностном слое изделий, которая достаточна для его нагрева до температуры плавления. Температура плавления зависит от теплофизических характеристик изделий, прежде всего таких, как теплоемкость, температуропроводность, температура плавления. Удельная поглощенная энергия в свою очередь зависит от энергии частиц, массы ионов, длительности импульса. Например, для упрочнения инструмента из сплава ВК-6 (карбид вольфрама и кобальт - 6%) при энергии протонов 3·10⁵ эВ и длительности импульса 50 нс требуется плотность потока энергии 1,5 Дж/см² (для этого плотность тока в пучке должна составлять 100 А/см²). При уменьшении длительности пучка с теми же параметрами до 5 нс для достижения того же эффекта становится достаточной плотность потока энергии в пучке ≈0,5 Дж/см². Для инструментов из менее тугоплавких материалов этот порог становится еще ниже - до 0,1 Дж/см². Еще более снизить требования по плотности потока энергии в пучке за счет уменьшения длительности импульса представляется проблематичным, так как для источников МИП длительность 5 нс является в настоящее время предельно достижимой.

Как явствует из предыдущих рассуждений, чем меньше длительность импульса, тем более низкие требования предъявляются к энергии, переносимой пучком. В то же время, с точки зрения других характеристик процесса, упрочнение зачастую более целесообразно вести на больших длительностях пучка, так как, например, при этом повышается стабильность пучка (а следовательно, и надежность, и качество обработки). При определенных режимах источники МИП большей длительности имеют более простую конструкцию, больший ресурс работы, что, в целом, уменьшает стоимость обработки. Однако при увеличении длительности импульса более 100 нс эффект импульсной обработки начинает уменьшаться, значительно повышаются требования к энергии, переносимой пучком, и способ становится неконкурентоспособен по сравнению с другими методами термообработки.

Уменьшение средней кинетической энергии частиц в пучке, с одной стороны, уменьшает плотность потока энергии, переносимой пучком при прочих равных параметрах. С другой стороны, за счет уменьшения длины свободного пробега частиц увеличивается объемная плотность поглощенной за единицу времени энергии, что также позволяет снизить нижний порог плотности потока энергии.

Как показали наши исследования, в диапазоне плотности потока энергии мощного ионного пучка наносекундной длительности 0,1-3 Дж/см² происходит упрочнение практически всех инструментальных материалов для пучков с длительностью импульса не менее 5 нс и средней кинетической энергией частиц 10³ - 10⁶ эВ.

Естественно, что для каждого конкретного инструмента существуют оптимальные режимные параметры обработки, при которых достигается наилучший результат при наименьших энергетических затратах.

Сочетание этих параметров для конкретных инструментов является в рамках данного технического решения "ноу-хау". В качестве примера приведем технологию упрочнения чашечных резцов из сплава Т15К6, используемого для обработки колесных пар вагонов (см. таблицу). Обработку проводили на ускорителе "Темп".

В смену ускоритель позволяет обрабатывать 480 резцов. С учетом регламентных работ на ускорителе (< 20% рабочего времени) годовая производительность - 100 тыс.штук.

Коэффициент увеличения стойкости инструмента (в зависимости от характера износа колесной пары, места и режима их эксплуатации, режима токарной обработки) составляет от 2,5 до 7.

Формула изобретения

Способ обработки инструмента мощным ионным пучком наносекундной длительности, отличающийся тем, что инструмент облучают пучком со средней кинетической энергией ионов 10⁴ - 10⁶ эВ, длительностью 5 - 1000 нс и с плотностью потока энергии в пучке 0,1 - 3,0 Дж/см².

РИСУНКИ

Рисунок 1