Необходимость поверхностного упрочнения инструментов

 

На настоящий момент, несмотря на значительный прогресс в развитии таких альтернативных методов, как точное литье, штамповка, электрофизическая обработка наиболее предпочтительной для окончательного формирования размеров деталей остается обработка резанием. Это следует из того, что все более высокими становятся требования к точности размеров и качеству обра­ботанных деталей. Кроме того, повышение эффективности формирования поверхностей заданного профиля напрямую связано с повышением производительности обработки, т.е.повышением скорости резания и снижения снимаемого припуска с учетом все более широкого применения дорогостоящего автоматизированного станочного оборудования. Все это приводит к резкому росту стоимости обработки, ужесточению условий работы режу­щего инструмента, увеличению расхода инструмента на единицу выпускаемой продукции, составляющего по затратам до 5—10% общих затрат на обработку резанием. В результате эффективность обработки резанием во многом определяется именно режущим инструментом.

Применение традиционных методов повышения режущих свойств инструментов за счет сложного легирования инструментальных материалов в настоящее время в большей степени ограничено из-за дефицитности ряда легирующих элементов.

В связи с этим актуальной задачей является разработка принципиально новых технологий повышения режущих свойств инструментов, которые направлены на повышение поверхностной износостойкости, прочности, а также ударной вязкости последних.

Режущие свойства инструментов определяются сложным комплексом факторов, зависящих от химического состава, структуры и кристаллического строения решетки инструментального материала. Они то и определяют важнейшие эксплуатационные свойства режущих инструментов: микротвердость, теплостойкость, теплопроводность, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость и стойкость против окисления при повышенных температурах.

Указанные свойства инструментального материала определяют, как правило, стабильную работоспособность инструмента.

Кристаллохимическое покрытие и имплантированный поверхностный слой упрочненного инструмента, его физико-механические и теплофизические свойства могут значительно отличаться от соответствующих свойств инструмента, изготовленного по стандартной технологии, поэтому покрытие и имплантированную поверхность следует рассматривать как своеобразную «третью среду», которая, может заметно изменить поверхностные свойства инструментального материала.

Задавая свойства покрытия и имплантации путем варьирования его химического состава и строения, можно управлять важнейшими выходными параметрами процесса – износом инструмента и качеством поверхностного слоя обрабатываемых деталей. Кроме того, процесс нанесения покрытия и процесс имплантации позволяют направленно воздействовать на поверхностные дефекты инструментального материала, что в сочетании с возможностью формирования стабильности характеристик покрытия может способствовать заметному повышению износостойкости инструмента подвергнутого ионной имплантации.

Таким образом, нанесение износостойких покрытий и имплантация инструментального материала позволят получить инструментальный материал, обладающий высокой износостойкостью в сочетании с достаточной прочностью и вязкостью. Режущий инструмент, изготовленный по такой технологии может удовлетворять самым высоким требованиям, предъявляемым к качеству, производительности и надежности.

Наиболее важным показателем эффективности применения режущего ин­струмента является работоспособность, т.е. такое его состояние, при котором он способен выполнять свои функции, имея износ рабочих поверх­ностей, меньший заданного критерия. Критерий отказа (затупления) определяет факт возникновения отказа инструмен­та — события, заключающегося в нарушении его работоспособ­ности. Критерии отказа инструмента определяются заданными ограничениями (качество, точность деталей, пол­ное затупление инструмента и т.д.). Надежность инструмента — это его свойство, заключающееся в том, что он непрерывно в те­чение заданного времени сохраняет работоспособность[2]. Наиболее объектив­ным параметром, определяющим надежность инструмента, является вероятность его безотказной работы. Отказ инструмента может быть внезапным (микрохрупкое или вязкое разрушение режущей части инструмента), постепенным (нормаль­ное изнашивание контактных площадок инструмента) и полным (полное затупление инструмента). В настоящее время работоспособность инструмента характери­зуют такие параметры, как среднее значение стойкости и коэффициент ее вариации. При этом работоспособность инструмента определяется сложными, стохастично протекающими процессами контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов.

Взаимодей­ствие обрабатываемого и инструментального материалов сопровождается активными физико-химическими процес­сами (граничная адгезия, когезия, твердо- и жидкофазные диффу­зионные реакции, коррозия и окисление) и характеризуется боль­шими контактными напряжениями и температурами, разупроч­нением и упрочнением локальных объемов материала, приводя­щими к микро- и макроразрушению контактных площадок ин­струмента. К факторам, влияющим на процессы контактного взаимо­действия, т.е. на работоспособность инструмента относятся условия контакта обрабатываемого и инструментального материалов (непрерывное, прерывис­тое), параметры режима резания, геометрические параметры инструмен­та, свойства инструментального и обрабатываемого материалов. При этом наибольшее влияние на работоспособность инструмента, оказывают свойства инструментального материала.

В результате анализа эксплуатационных свойств различных типов инструментальных материалов, областей их применения для обработки резанием можно сделать вывод, что чрезвычайно узкое их служебное назначение обусловлено неблагоприятным сочетанием физико-механических и теплофизических свойств этих материалов. Классификация инструментальных материалов по их основным свойствам [2] приведена на рис. 7.1.

Параметры режима резания обуславливают только одну сторону условий протекания процесса резания. Резание как физический процесс определяется взаимодействием поверхностных слоев конкретного обрабатываемого материала с конкретным материалом поверхностного слоя режущей части инструмента в условиях, заданных параметрами режима резания. Таким образом, выбор характеристик инструмента во многом сводится, кроме геометрических параметров, к выбору всех возможных вариантов инструментального материала, а в общем случае и вариантов свойств поверхностного слоя режущей части, получаемых тем или иным способом поверхностного упрочнения, которые могут быть использованы при известном режиме. В целом, при практически спроектированном содержании технологии этот элемент остается единственным, за счет которого можно достаточно гибко управлять ее эффективностью.

 

Рис. 7.1.Классификация инструментальных материалов по их основным свойствам

Анализ свойств современных инструментальных материалов показывает, что они не имеют оптимального сочетания таких свойств, как прочность, вязкость, трещиностойкость, с одной стороны, и твердость, теплостойкость, износостойкость - с другой, что вполне объяснимо с точки зрения металловедения. Например, инструмент, оснащенный пластинами из сверхтвердых инструментальных материалов и режущей керамики, можно использовать исключительно для чистовой обработки полностью термообработанных заготовок на высоких и сверхвысоких скоростях резания при весьма ограниченных значениях t и S, т.к.. СТМ и керамики имеют высокую твердость, термостабильность при относительно невысоких параметрах ударной вязкости, трещиностойкости, прочности при изгибе и теплопроводности.

Стандартные твердые сплавы групп ВК (WC-Со), ТК (TiC-WC-Co), TTK (TaC-TiC-WC-Co) и безвольфрамовые (TiC-Ni-Mo, TiCN-Ni-Mo) имеют достаточно узкое служебное назначение, т.к. при высокой твердости и теплостойкости они имеют невысокие показатели проч­ности и вязкости. Твердые сплавы с высоким содержанием кобальта применяют для черновых операций, сплавы с большим содержа­нием карбидов (WC, TiC, TiCN, TaC) применяются для чистовых операций, так как одни имеют высокую прочность, вязкость, трещиностойкость, другие — твердость, теплостойкость.

Для инструмента из инструментальных сталей характерны относительно невысокие теплостойкость, твердость, доста­точно большие прочность при изгибе, ударная вязкость, трещи­ностойкость, предел выносливости. Поэтому для сложнопрофильного и крупногаба­ритного инструмента, работающего при низких и средних скоро­стях резания, относительно больших глубине резания и подаче пред­почтительно и оптимальным инструментальным материалом является быстрорежущая сталь.

В настоящее время в мировой практике все большее примене­ние находят методы повышения работоспособности инструмента путем нанесения износостойких покрытий. Существующие и широко применяемые в промышленности методы нанесения покрытий укрупнено разбиты на три группы [2] (рис.6.2).

Рис. 7.2. Классификация современных методов нанесения покрытий на рабочих поверхностях режущих инструментов по структурно-кинематическому принципу