Восстановление режущей способности инструмента

Чтобы восстановить режущую способность инструмента, его необходимо переточить. Для каждого инструмента имеется опреде­ленная зона стачивания, на которой можно производить переточку.

Восстановление выполняется посредством переточки инструмента по передней (рис. 4.6) или по задней поверхностям (рис. 4.7). На рис. утолщенными линиями показаны слои, удаляемые при каждой переточке.

Переточка по передней поверхности:

, (4.3)

где С - дефектный слой 0,1…0,2 мм;

- глубина лунки износа.

Количество переточек К, которое допускает инструмент, определяется делением длины зоны стачивания на толщину снимаемого слоя металла за одну переточку.

(4.4)

Выбор резца для продолжения переточек осуществляется при условии В>>Н.

Переточка по задней поверхности.

Рис. 4.6 Схема переточки по передней поверхности.

Рис. 4.7 Схема переточки по задней поверхности.

, (4.5)

где . (4.6)

Тогда величина перетачиваемого слоя

. (4.7)

Число переточек

. (4.8)

Выбор резца для продолжения переточек осуществляется при условии Н>>В.

Общий срок службы инструмента определяется по формуле:

ΣТ=Т*(К+1) , (4.9)

где ΣТ — суммарная стойкость или общий срок службы инструмента; Т—стойкость инструмента. Единица в формуле соответствует заточке, производимой при изготовлении нового инструмента.

Методы повышения стойкости режущего инструмента

В настоящее время существует множество методов повышения работоспособности и надежности режущих инструментов. Наибольшее распространение получили следующие методы:

1. Использование инструментов, имеющих поверхностные слои с измененными свойствами.

2. Улучшение качества заточки и доводки поверхностей режущих инструментов.

3. Улучшение конструкции и выбор оптимальных геометрических параметров инструмента.

4. Обработка предварительно нагретых заготовок (нагревают, применяя ТВЧ или предварительным нагревом заготовки).

Наиболее распространенными и широко применяемыми в промышленности методами повышения работоспособности режущих инструментов являются нанесение покрытий и различные методы физического упрочнения поверхности инструментов. В настоящее время в мировой практике все большее примене­ние находят методы повышения работоспособности инструмента путем нанесения износостойких покрытий.(рис.4.8).

Структура и свойства покрытия зависят от одновременно протекающих процессов: конденсации, диффузии, распыления (отражения). На сегодняшний день наиболее распространены следующие варианты принципиальных схем формирования покрытия.

Рис.4.8 Классификация современных методов нанесения покрытий на рабочих поверхностях режущих инструментов по структурно-кинематическому принципу

Физическое осаждение покрытия

Если конденсат осаждается на поверхности инструмента при Т_п < Т_к, где Т_п - температура на поверхности инструмента; Т_к - температура конденсата, то массоперенос М_п вследствие диффузии практически исключается. В этом случае общее выра­жение (1.3) приобретает вид М₀ - М_р = М_И. При этом образую­щееся покрытие имеет выраженную границу с инструментальным материалом. Такое покрытие можно классифицировать как адгезионное, а характер его связи с инструментальным материалом будем относить к типу I. Наиболее характерной особенностью формирования таких покрытий является слабое влияние струк­туры инструментального материала на свойства покрытия и такие свойства композиции, как вязкость, прочность и др. Подобные покрытия формируются в процессе физического осаждения по­крытия (ФОП). Они получили в мировой практике название PVD (Phisical vapour deposition).

Возможны два метода ионного распыления: ионно-лучевое и плазменноионное распыление.

Существуют следующие разновидности плазменного распыления: катодное, магнетронное, высокочастотное и в несамостоятельном газовом разряде.

Методы ФОП нашли применение при разработке промышлен­ной технологии нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент. Наибольшее промышленное применение получила технология КИБ (конденсация вещества из плазменной фазы с ионной бомбардировкой), разработанная ХФТИ совместно с Мосстанкином и Всесоюзным научно-исследовательским инсти­тутом инструмента (ВНИИ), а также технология МИР (магнетронно-ионное распыление). Разновидность технологии КИБ (Ion Bond) используется такими фирмами, как МАВС (США), «Хаузер» (Голландия), «Теквак» (Великобритания), «Интератом» (ФРГ), и технология МИР фирмой «Бальцерс» (Швейцария). Методы ФОП реализуются в широком диапазоне температур (200—800 °С), поэтому они приемлемы для нанесения покрытий не только на теплостойкий твердосплавный инструмент, но и на инструмент из быстрорежущих и углеродистых сталей.

Преимущества метода катодного распыления в следующем:

• безинерционность процесса

• низкие температуры процесса

• возможность получения пленок тугоплавких металлов и сплавов (в том числе и многокомпонентных)

• сохранение стехиометрического исходного материала при напылении

• возможность получения равномерных по толщине пленок

Метод имеет недостатки:

• низкая скорость осаждения (0.3-1 нм/с)

• загрязнение пленок рабочим газом вследствие проведения процесса при высоких давлениях

• низкая степень ионизации осаждаемого вещества

Термодиффузионное насыщение поверхности

Если конденсат осаждается на поверхности инструмента при Т_п > Тк, т. е. рабочие поверхности инструмента достаточно термически активированы, что резко инициирует диффузионные процессы, то в этом случае общее выражение для оценки массопереноса вещества принимает вид М₀ - Мр = М_п при М_и = 0. Это означает, что количество вещества, удаляемого с поверхности вследствие интенсивных диффузионных процессов, опережает количество вещества, доставляемого на рабочие поверхности ин­струмента, или равно ему. В этом случае между покрытием и ин­струментальным материалом формируется выраженная переход­ная зона как результат интердиффузионных реакций между ними. Такой характер связи между материалами инструмента и покры­тия классифицируется как диффузионный (II тип связи). Подобные покрытия формируются при использовании методов термодиффу­зионного насыщения поверхности (ТДН). Для нанесения покры­тий на твердосплавный инструмент используют метод ДТ (раз­работанный Всесоюзным научно-исследовательским институтом твердых сплавов ВНИИТС), являющийся разновидностью ме­тода ТДН.

Свойства покрытий со II типом связи сильно зависят от суб­структуры инструментального материала, а интердиффузия, ре­лаксация, восстановление, внутренняя межкристаллитная диф­фузия, движение дислокации и другие явления могут оказать влияние на свойства композиционного инструментального ма­териала с покрытием (прочность, вязкость, трещиностойкость, теплостойкость и др.). Так как методы ТДН и, в частности, метод ДТ реализуются при высоких температурах (до 1100°С), то их применяют главным образом для нанесения износостойких по­крытий на высокотеплостойкие многогранные твердосплавные пластины.

Химическое осаждение покрытия

Если конденсат осаждается на поверхности инструмента при Т_а = Т„, то формируется покрытие со смешанным адгези­онно-диффузионным типом связи с инструментальным материа­лом (тип III). В этом случае, так же как и в предыдущем, форми­руется переходная зона между покрытием и матрицей, которая может оказать заметное влияние на прочностные свойства ин­струментального материала, а структура последнего будет влиять на свойства покрытия. Смешанный тип связи характерен для по­крытий, формируемых методами химического осаждения покры­тий из парогазовой фазы (методы ХОП), получивших в мировой практике название CVD (Chemical Vapour Deposition). Методы ХОП нашли широкое применение для нанесения покрытий на многогранные твердосплавные пластины. В частности, на основе методов ХОП разработаны технологии нанесения износостойких покрытий на пластины, применяемые известными фирмами - производителями твердосплавного инструмента «Сандвик Коромант» (Швеция) (технология GC), «Теледайн» (США), «Планзее» (Австрия) (технология GM), «Видна Крупп» (ФРГ) и др. В нашей стране на основе ХОП разработан метод ГТ (ВНИИТС) для нане­сения износостойких покрытий на твердосплавные пластины мас­сового производства.

Существует ряд недостатков метода ХОП:

• взрывоопасность и токсичность водорода, как газа-носителя

• наличие большего количества непрореагировавших компонентов

• сложность технологического оборудования

• внутреннее напряжение в слое покрытия

Каждый метод нанесения покрытий на режущий инструмент обладает преимуществами и недостатками, имеет специфическую область применения, которая зависит от технологических осо­бенностей метода, степени автоматизации, экономических затрат па процесс нанесения покрытия

Помимо нанесения износостойких покрытий на поверхности инструментов существуют еще четыре группы технологий поверхностного упрочнения режущих инструментов:

1. Методы механического упрочнения: вибрационный, дробеструйный, взрывом и т.д. Наиболее часто используют для упрочнения инструментов из быстрорежущей стали и твердых сплавов. Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – наклеп поверхностного слоя на глубину 0.2-0.8 мм с целью создания в нем остаточного напряжения сжатия. При наклепе поверхностный слой расплющивается. Удлинению поверхностного слоя препятствует сила сцепления с нижележащими слоями металла. Вследствие этого в наклепанном слое возникают двухосные напряжения сжатия, а в толще основного металла незначительные реактивные напряжения растяжения. Складываясь с рабочими напряжениями растяжения, остаточные напряжения сжатия уменьшают, а при достаточно больших значениях компенсируют первые. Возникающие при наклепе множественные искажения структуры (деформация зерна, местные пластические сдвиги) эффективно тормозят развитие усталостных повреждений и расширяют область существования нераспостроняющихся трещин, увеличение которых обуславливает существование разрушающих напряжений. Эффективен наклеп в напряженном состоянии, представляющий собой сочетание упрочнения перегрузкой с наклепом. При этом способе деталь нагружают нагрузкой того же напряжения, что и рабочая, вызывая в материале упругие или упругопластические деформации. После снятия нагрузки в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия. Наклепанный слой чувствителен к нагреву. При температурах 400-500 ^оС действие наклепа полностью исчезает, из-за наступающего при этих температурах процесса рекристаллизации, устраняющего кристалло-структурные изменения, внесенные наклепом. Основные разновидности упрочнение поверхности пластической деформацией: дробеструйная обработка, обкатывание, чеканка, алмазное выглаживание.

Дробеструйная обработка заключается в наклепе поверхностного слоя потоком закаленных шариков (диаметр 0.5-1.5 мм), создаваемым центробежными дробеметками. Качество поверхности при данном процессе немного снижается. Плоские поверхности упрочняют обкатыванием шариками, установленными во вращающемся патроне. Заготовке придают движение продольной и поперечной подачи, при правильно выбранном режиме обкатывания, остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое составляют 600-1000 МПа. Глубина уплотнения слоя 0.2-0.5 мм. Данный процесс улучшает качество поверхности детали. Поверхность вращения упрочняют обкатыванием стальными закаленными роликами. Силу прижатия ролика выбирают с таким ращетом, чтобы создать в поверхностном слое напряжения, превышающие предел текучести материала в условиях всестороннего сжатия (для стали 5000-6000 МПа). Чеканку производят бойками со сферической рабочей поверхностью, приводимыми в колебания пневматическими устройствами. Частота колебаний и скорость вращения заготовки должны быть согласованы таким образом, чтобы наклепанные участки перекрывали друг друга.

Алмазное выглаживание заключается в обработке предварительно шлифованной и полированной поверхности закругленными алмазными резцами (радиус 2-3 мм). Поверхностный слой уплотняется до глубины 0.3-0.5 мм.

2. Методы химико-термической обработки (ХТО) инструментальных сталей: азотирование, цементация, карбонитрация, оксидирование, борирование в газовых и жидких средах, тлеющем газовом электрическом разряде (ионное азотирование). Высокую поверхностную прочность обеспечивает изотермическая закалка, а также термомеханическая обработка поверхности детали. При поверхностной закалке (газопламенная закалка) и химико-термической обработке (цементование) упрочнение обусловлено главным образом возникновением в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений вследствие образования структур большего удельного объема (нитриды и карбонитриды при нитроцементации и азотировании), чем структуры основного металла. Расширение поверхностного слоя тормозит сердцевина, сохраняющая исходную перлитную структуру, вследствие чего в поверхностном слое возникают двухслойные напряжения сжатия. В нижних слоях развиваются реактивные растягивающие напряжения, имеющие малое значение, из-за незначительности сечения термически обработанного слоя сравнительно с сечением сердцевины. Создание предварительных напряжений сжатия снижает среднее напряжение в области сжатия, тем самым повышается предел выносливости. Газовая закалка повышает предел выносливости по сравнению с исходной конструкцией из необработанной стали в 1.85 раза. Наиболее эффективным способом обработки является азотирование, которое практически полностью устраняет внешних концентраторов напряжений. Азотирование не вызывает изменения формы и размеров детали. Азотированный слой обладает повышенной коррозионно - и термостойкостью. Твердость и упрочняющий эффект сохраняются вплоть до температур 500-600 ^оС. Оптимальные толщины слоя уплотнения при цементации 0.4-0.8 мм, цементовании и азотировании 0.3-0.5 мм, закалке с нагревом и газовой закалке 2-4 мм. Качество поверхности значительно улучшается.

3. Электроискровое, магнитное, ультразвуковое упрочнение. Данные метода редко применяются для обработки режущих инструментов.

4. Физическое упрочнение: лазерная обработка, ионная имплантация. Технология ионной имплантации является на сегодня одной из наиболее перспективной с точки зрения создания композиционных материалов с оптимальным набором поверхностных и объемных свойств.

Ионная имплантация – это процесс, в котором практически любой элемент может быть внедрен в приповерхностную область любого твердого тела – мишени (подложки), помещенной в вакуумную камеру, посредством типа высокоскоростных ионов, имеющих энергию в несколько мегаэлектроновольт.

Ионы внедряются в материал мишени (подложки) на глубину от 0,01мкм до 1мкм, теряя энергию в процессе столкновений с атомами основы.

Профиль (распределение) концентрации примеси по глубине для большинства комбинаций – внедряемый атом – мишень (подложка) может быть вычислен. Для малой дозы ионов (малого числа ионов на единицу площади) профиль распределения концентрации примеси по глубине обычно хорошо описывается гауссовым распределением с центром в середине области распространения. В результате ионной имплантации образуется поверхностный слой сплава с изменяющимся составом, который не обладает выраженной поверхностью раздела, характерной для осажденного покрытия .

Преимуществом ионной имплантации, как метода модифицирования поверхности по сравнению с другими методами упрочнения поверхности, являются:

• увеличение растворимости в твердом состоянии;

• независимость образования сплавов от констант диффузии;

• возможность быстрого изменения состава сплава;

• независимость от процессов протекаемых в объеме материала;

• возможность процесса при низких температурах;

• весьма незначительное изменение размеров обрабатываемой детали;

• отсутствие проблемы аугезии, так как не существует ярко выраженной поверхности раздела;

• контролируемая глубина распределения концентрации;

• вакуумная чистота;

• высокая контролируемость и воспроизводимость.

Основным недостатком ионной имплантации является обработка только той части поверхности инструмента, которая находится непосредственно в области действия пучка ионов.

Технологии нанесения покрытий на инструменты обладают высокой производительностью, универсальностью, экономично­стью. Кроме того, появляется возможность управления условиями формиро­вания и свойствами покрытий, а также свойствами композиции покрытие — инструментальный материал. Инструментальный ма­териал с износостойким покрытием является новым материалом композиционного типа, в котором оптимально сочетаются свой­ства поверхностного слоя (высокие значения твердости, тепло­стойкости, пассивности по отношению к обрабатываемому мате­риалу и т. д.) и свойства, проявляющиеся в объеме тела инстру­мента (прочность, ударная вязкость, трещиностойкость и т. д.).