Способ обработки резанием

Изобретение относится к области обработки материалов резанием, обработке конструкционных материалов. Способ включает подачу в зону обработки ионизированной газовой среды. Для облегчения процесса резания и повышения износостойкости инструмента за счет снижения коэффициента трения и уменьшения температуры в зоне основных пластических деформаций и в зоне контакта обрабатываемого и инструментального материалов используют инструмент с многофункциональным покрытием, содержащим износостойкий слой и трибоактивный слой, создающий антифрикционную твердую смазку под воздействием ионизированной газовой среды. В зону обработки могут подавать ультразвуковые колебания в направлении главного движения или скорости резания. Ионизированную газовую среду могут подавать одновременно на переднюю и заднюю поверхности режущего инструмента. В зону обработки могут подавать смесь азота и аргона в соотношении по объему 70%/30%. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области обработки металлов резанием, конкретно относится к вопросу повышения производительности и качества лезвийной обработки конструкционных материалов.

Известен патент RU 2037388, B 23 Q 11//10, 1996 г. "Способ охлаждения зоны резания и устройства для его осуществления". В данном патенте за основу изобретения положена задача создания способа охлаждения зоны резания, который обеспечил бы подачу в зону резания газообразной смазочно-охлаждающей среды с достаточной скоростью в зависимости от скорости резания. Величину тока, подаваемого к коронному разряду, изменяют пропорционально изменению скорости подачи газообразной охлаждающей среды.

Недостатком заявленного способа является то, что активная среда (ионизированная), сформированная газообразной воздушной средой, прошедшей через электрическое поле, поступает к зоне обработки с внешней стороны и проникает только в зону резания в местах дискретного (прерывистого) контакта поверхности инструмента и прирезцовой поверхности стружки. Однако проникновение воздушной среды в зону сплошного (пластического) контакта инструмента и обрабатываемого материала невозможно из-за экранирования подаваемой охлаждаемой среды материалами стружки, заготовки и инструмента. Указанное приводит к резкому снижению эффективности окисления контактируемых поверхностей по сравнению с наружными поверхностями зоны обработки и снижению сил трения в зоне контактирования материалов, где проходит процесс резания и изнашивания инструмента. Вместе с тем, основные теплофизические процессы, процессы деформирования материала проходят именно в зоне сплошного контакта инструмента и обрабатываемого материала. По мере роста величины износа инструмента по задней поверхности участок сплошного контакта, где имеет место внутреннее трение, возрастает и становится доминирующим. Трение на этом участке зависит от показателя адгезионного взаимодействия между инструментальным и обрабатываемым материалами и характеризуется адгезионной прочностью на срез от действия нормальных напряжений в зоне резания. Проникновение газообразной смазочно-охлаждающей ионизированной среды в зону резания, на участках дискретного контакта, уменьшает адгезионную прочность связи обрабатываемый материал - инструмент на срез от нормальных напряжений и тем самым снижает трение в зоне дискретного контактирования материалов. Однако в зоне сплошного контакта ничего не меняется. В патенте показано, что реализация метода базируется на достижениях электронно-ионной технологии при резании металлов и использует малогабаритный источник стабилизации тока, позволяющий создавать вблизи зоны резания оптимальную концентрацию ионов и озона. Физико-химический механизм действия ионизированной газовой среды обусловлен привнесением в зону резания униполярных ионов кислорода, а также озона, являющихся источником генерации активных атомов кислорода. Это оказывает благоприятное влияние на снижение теплонапряженности в зоне резания, повышение износостойкости и стойкости режущего инструмента. Данный способ позволяет полностью исключить из процесса резания традиционные жидкие СОТС (СОЖ). Указанный способ выбран в качестве прототипа изобретения.

Известен аналог предлагаемого способа обработки резанием - "Многослойно-композиционное износостойкое покрытие" (Патент на изобретение №2198243, патентообладатель Верещака А.А. от 10.02.2003 г.), в котором достижения производительности и качества обработки конструкционных материалов достигаются применением многослойно-композиционного покрытия. Покрытие, нанесенное на рабочие поверхности инструмента, содержит адгезионный подслой, прилегающий к нему переходный слой тугоплавкого соединения и чередующиеся слои тугоплавких соединений металлов IV и/или V, и/или VI групп, легированных алюминием. Создание многослойно-композиционного износостойкого покрытия обеспечивает снижение трения в зоне полного контакта прирезцовой поверхности стружки и передней поверхности инструмента, уменьшает источники тепла от трения в зонах контакта инструмент - деталь, снижает касательные напряжения в зоне резания, уменьшает наростообразование и является эффективным барьером на пути распространения тепла в режущую часть инструмента.

Недостатком предлагаемого многослойно-композиционного покрытия является то, что покрытие при работе без охлаждения лишь ограниченно снижает источники выделения тепла и перераспределяет тепло в зоне резания и не снижает количества тепла в зоне основных пластических деформаций. В результате чего инструмент в меньшей степени, но нагревается до температур, способствующих протеканию износа инструмента.

Задачей предложенного способа является облегчение процесса резания за счет снижения коэффициента трения, уменьшения температуры в зоне основных пластических деформаций и в зоне контакта обрабатываемого и инструментального материалов для повышения износостойкости инструмента, предопределяющей производительность обработки и качество обработанного поверхностного слоя.

Сущность предлагаемого способа обработки заключается в уменьшении температуры в зоне резания и облегчении протекания процесса резания. Это достигается за счет использования системы резания без применения смазочно-охлаждающей жидкости, включающей многофункциональное покрытие, наносимое на рабочие поверхности инструмента (фиг.2), и подаваемую в зону обработки газовую среду (например, воздух), активированную электрическим разрядом.

На чертеже представлена принципиальная схема экологически безопасного способа обработки резанием, на которой:

1 - режущий инструмент (инструментальный материал ИМ);

2 - многофункциональное покрытие;

3 - обрабатываемый материал (ОМ);

4 - система ионизации газовой среды [ИГС] (например, воздуха);

5, 6 - источники питания систем ионизации (генерация коронного разряда);

7, 8, 9, 10 - контакторы для изменения полярности коронного разряда;

11, 12, 13, 14 - система подачи газовой среды;

15 - система возбуждения ультразвуковых колебаний.

Предлагаемое многофункциональное покрытие, наносимое на рабочие поверхности инструмента, включает адгезионный подслой и периодически повторяющийся активный и трибоактивный износостойкие чередующие слои. Адгезионный подслой осуществляет прочную адгезионную связь между покрытием и инструментом. Этот слой содержит по крайне мере один элемент из состава материала трибоактивного и/или активного слоя. Износостойкие слои содержат тугоплавкие соединения металлов IV и/или V и/или VI групп и перенасыщенные твердые растворы этих же материалов. Эти слои увеличивают сопротивляемость инструментального материала изнашиванию. Активный слой включает в себя перенасыщенные твердые растворы металлов, соединения которых с азотом или углеродом образуют этот слой, предназначенный для дополнительного снижения мощности фрикционных источников тепла на контактных площадках передней и задней поверхностей инструмента. Трибоактивный слой функционально предназначен для снижения трения и теплообразования в зонах действия основных фрикционных источников тепла, компенсируя отсутствия "смазочных" эффектов СОТС. Находясь в зоне контакта с обрабатываемым материалом, активный слой эффективнее взаимодействует с проникающей воздушной средой, ионизированной и озонированной электрическим полем, дополнительно снижает трение, мощность фрикционных источников тепла, а в совокупности с трибоактивным и износостойким слоями покрытия увеличивает износостойкость инструментального материала. Кроме того, активированная газовая среда обладает более высоким охлаждающим действием за счет повышенной конвекционной способности, усиливающей теплоотвод в окружающую среду. Указанные эффекты обусловлены лучшей проникающей способностью ионов из ионизированной среды, обладающих значительно меньшими размерами и большей активностью по сравнению с размерами атомов и молекул газов. Это способствует облегчению пластической деформации благодаря высокой химической активности элементов газовой среды, вступающих в реакцию с ювенильными поверхностями обрабатываемого материала и элементами активного слоя многофункционального покрытия, в результате чего образуются защитные антифрикционные пленки, снижается напряжение на сдвиг. Защитные пленки экранируют адгезию на трущихся поверхностях, уменьшают силы трения в зоне контакта инструмент - обрабатываемый материал, а также трение в плоскости скалывания из-за проникновения туда элементов ионизированной газовой среды [ИГС].

Дифракционный анализ контактных площадок твердосплавного инструмента (проводились исследования на приборе Дрон - 5.0) подтвердил образование на активном слое покрытия антифрикционных пленок толщиной 10...15 нм (типа AlN, Al₂О₃), снижающий коэффициент трения с 0,5...0,6 до 0,15...0,2. Снижение трения при сдвиговых напряжениях ведет к образованию дискретного типа стружки и облегчению ее отвода из зоны резания, снижения сил резания. В результате использования системы резания без смазочно-охлаждающих жидкостей, включающей многофункциональное покрытие, наносимое на режущий инструмент, и ионизированную газовую среду, уменьшается трение, облегчается деформация в зоне резания и отделение стружки от основного материала, улучшается отвод тепла из зоны обработки. Указанные явления способствуют снижению термонапряженного состояния в зоне резания и повышению износостойкости инструмента.

Таким образом, предлагаемый способ обработки резанием без смазочно-охлаждающих жидкостей на основе системы, включающей многофункциональное покрытие, наносимое на режущий инструмент, и ионизированную газовую среду, позволяет решить поставленную задачу по повышению износостойкости режущего инструмента, производительности процесса металлообработки и качества обработки.

Предлагаемый способ обработки резанием осуществляется следующим образом. Режущий инструмент с тщательно подготовленной поверхностью, очищенный от загрязнений размещается в камере вакуумно-дуговой установки ВИТ-2, в которой осуществляли процесс нанесения многослойно-композиционного покрытия методом вакуумно-дугового осаждения (метод КИБ). В процессе осаждения покрытия в камере устанавливаются три катода из титана, хрома и алюминия, причем алюминиевый катод устанавливается в испаритель с возможностью сепарирования капельной и нейтральной составляющих пароионного потока. Далее производится формирование адгезионного подслоя, при работе двух испарителей - титана и хрома, переходного слоя при испарении титана, хрома и подаче азота и верхнего (активного) слоя при включении трех испарителей титана, хрома и алюминия при подаче азота в камеру установки. Общая толщина покрытия составляла 2-12 мкм при толщине адгезионного подслоя около 0,8 мкм. После того как осуществили осаждение многофункционального покрытия на режущие пластины, эти пластины закреплялись в державку токарного инструмента, которая устанавливалась в резцедержатель токарно-винторезного станка. Выбирался режим обработки в соответствии с рекомендациями классификации ISO. Затем подключали малогабаритный высоковольтный источник, стабилизирующий ток, соединенный с прикрепленной к суппорту станка системой возбуждения коронного разряда. Система обеспечивала создание в зоне резания оптимальную концентрацию ионов газовой смеси. Проводилась оптимизация параметров газовой смеси, изменения режимов возбуждения коронного разряда, а также изменения системы подвода ионизированной среды в зону резания

С целью установления эффективности предлагаемого способа обработки проводились стойкостные испытания при продольном точении: стали 45 (НВ 180), коррозионно-стойкой нержавеющей стали 12Х18Н10Т, жаропрочного деформируемого сплава ХН77ТЮР (ЭИ 437 Б) и ВЖ 98, сплава на титановой основе ВТ20 (таблица 1). В качестве критерия стойкости инструмента принималась величина площадки износа задней поверхности инструмента h_з, равной 0,5 мм, при достижении которой оценивали время резания, соответствующее стойкости инструмента по принятому критерию.

Сравнительный анализ данных показывает, что стойкость инструмента с многофункциональным многослойно-композиционным покрытием в сочетании с подачей ионизированной газовой среды повысилась от 2 до 5 раз по сравнению со стойкостью инструмента, работающего при сухом резании. Указанное свидетельствует о достижении цели изобретения.

Одним из возможных способов обработки резанием, повышения эффективности резания труднообрабатываемых материалов является изменение условий взаимодействия рабочих поверхностей инструмента и обрабатываемого материала, достигаемым путем введения в зону резания вынужденных высокочастотных колебаний инструмента малой амплитуды в системе станок - инструмент - деталь (см. чертеж).

В качестве источника колебаний использовали генератор ГУЗ-5П, создающий радиально-тангенциальные ультразвуковые колебания резца в плоскости YOZ - перпендикулярно линии центров токарного станка. Максимально выходная мощность генератора около 3,5 кВт, диапазон частот 13-30 кГц.

Проведены эксперименты при точении сплава ХН77ТЮР твердосплавными пластинками ВК6ОМ с предлагаемым многофункциональным покрытием при введении в зону резания ультразвуковых колебаний низкой интенсивности 0<А<20 мкм, и ИГС. Амплитуда колебаний в радиальном направлении Ар=0,97А, в тангенциальном направлении Ат=0,26 А, где А - величина амплитуды колебания вершины резца. Геометрия резца γ=-7, α=6, ϕ=45, ϕ₁=15, λ=0, r=0,5 мм.

Результаты проведенных экспериментов показали, что при возбуждении ультразвуковых колебаний низкой интенсивности 0<А<20 мкм с одновременном введении в зону резания ионизированной газовой среды стойкость твердосплавного инструмента ВК6 с многофункциональным покрытием возрастает от 4 до 10 раз по сравнению с работой ВК6 всухую без колебаний.

Ультразвуковые колебания наряду с подачей в зону резания ионизированной газовой среды при работе инструмента с покрытием наиболее эффективны при работе на малых скоростях (V=1-5 м/мин) резания. В этом случае снижаются силы резания (до 5 раз), уменьшается усадка стружки и значительно улучшается качество обработанной поверхности.

Таблица 1
Результаты производственных испытаний.
Обрабатываемый материал	Инструментальный материал	Условия обработки	Режимы	резания		Стойкость инструмента, Т мин	Коэф. повышения стойкости по сравнению всухую
V м/мин	S мм/об	t мм
1	2	3	4	5	6	7	8
ХН77ТЮР	ВК6	Сухая обработка	18	0,15	1	5	1
''	''	''	28	''	''	3	1
''	''	''	35	''	''	2	1
''	''	''	45	''	''	0,5	1
''	ВК6 TiN	ИГС	18	''	''	7,5	1,5
''	''	''	28	''	''	5	1,6
''	''	''	35	''	''	4	2
''	''	''	45	''	''	1	2
''	BK 6(TiCrAi)N	''	18	''	''	10	2
''	(TiCrAi)N(TiCrAi)N	''	28	''	''	7	2,3
''	''	''	35	''	''	7	3,5
''	''	''	45	''	''	9	18
''	''	ИГС + ультразвукавые	18	''	''	20	4
''	''	колебания низкой	28	''	''	24	8
''	''	интенсивности	35	''	''	8	4
''	''	''	45	''	''	5	10
ВЖ98	BK6	сухая обработка	30	''	''	25	1
''	''	''	50	''	''	8	1
''	''	''	75	''	''	3	1
''	BK 6 TiN	ИГС	30	''	''	60	2,4
''	''	''	50	''	''	30	3,75

1	2	3	4	5	6	7	8
ВЖ98	BK6TiN	''	75	''	''	5	1,7
''	''	''	30	''	''	95	3,8
''	''	''	50	''	''	15	1,9
''	''	''	75	''	''	4	1,3
	ВК6+СОЖ	-	75	''	''	7	2,3
ВТ20	''	сухая обработка	70	''	''	55	1
''	''	''	100	''	''	9	1
''	''	''	130	''	''	4	1
''	''	ИГС	70	''	''	60	1,1
''	''	''	100	''	''	30	3,3
''	''	''	130	''	''	5	1,25
''	ВК 6 (TiCrAi)N-	сухая обработка	70	''	''	60	1,1
''	(Ti Cr)N-(TiCrAl)N	''	100	''	''	15	1,6
''	''	''	130	''	''	7	1,75
''	''	ИГС	70	''	''	90	1,64
''	''	''	100	''	''	20	2,2
''	''	''	130	''	''	10	2,5
''	ВК6+СОЖ	-	130	''	''	8	2
12Х18Н10Т	ВК6	сухая обработка	100	''	''	45	1
''	''	''	180	''	''	5	1
''	''	''	200	''	''	1,5	1
''	''	''	220	''	''	0,3	1
''	BK6(TiCrAI)N-	ИГС	100	''	''	70	1,6
''	(Ti Cr)N-	''	180	''	''	50	10
''	(Ti Cr Al)N
''	''	''	200	''	''	20	13
''	''	''	220	''	''	3	10
12Х18Н10Т	BK6	сухая обработка	150	''	''	5	1

1	2	3	4	5	6	7	8
12Х18Н10Т	ВК6	сухая обработка	150	''	''	5	1
''	''	подача ИГС со стороны передней поверхности инструмента	''	''	''	7	1,4
''	''	подача ИГС со стороны противоположной направлению движению подачи	''	''	''	5	1
''	''	подача ИГС со стороны задней поверхности инструмента	''	''	''	10	2
''	''	подача ИГС со стороны задней и передней поверхностей инструмента	''	''	''	13	2,6
''	ВК 6(TiCrAl)N-(TiCr)N-(TiCrAl)N	''	''	''	''	55	11
	BK6 + СОЖ	-				15	3

1. Способ обработки резанием конструкционных материалов с подачей в зону обработки ионизированной газовой среды, отличающийся тем, что используют инструмент с многофункциональным покрытием, содержащим износостойкий слой и трибоактивный слой, создающий антифрикционную твердую смазку под воздействием ионизированной газовой среды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зону обработки подают ультразвуковые колебания в направлении главного движения или скорости резания.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ионизированную газовую среду подают одновременно на переднюю и заднюю поверхности режущего инструмента.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зону обработки подают смесь азота и аргона в соотношении по объему 70%/30%.