Охарактеризуйте основные методы поверхностного упрочнения режущей части инструментов.

На мировом рынке технологий по упрочнению поверхности инструмента всегда наиболее широко были представлены два метода: метод химического осаждения (Chemical Vapour Deposition — CVD) и метод физического осаждения покрытий (Physical Vapour Deposition — PVD). В нашей стране более широкое промышленное применение получили PVD способы нанесения защитных покрытий. Дело в том, что технологии CVD подразумевают использование дорогостоящих высокочистых химических реагентов (TiCl4, NH3 и т.д.) и прецизионных дозаторов химических прекурсоров, точный контроль продуктов химических реакций в рабочей камере и т.п. А нанесение PVD покрытий при помощи дугового или тлеющего разряда (магнетронa) обладает большей производительностью и не столь чувствительно к незначительным отклонениям технологических параметров.

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 коррозие - 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.

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

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.

 

38. Охарактеризуйте перспективы развития инструментального производства.

«Как называется наш предмет?! Перспективы развития инструментального производства, а какие тут перспективы? Перспектив - нет» © Кряжев Ю.А.

Состояние отечественного инструментального производства, начиная с конца прошлого века, характеризуется как упадочное, выражающееся в виде морального и физического износа большинства основных производственных фондов, ухудшения качества, увеличенного времени обработки и изготовления, роста уровня брака. В результате сокращения производства инструментальной продукции, ухудшения ее качества, увеличилась доля зарубежных поставщиков на внутреннем рынке, что привело к резкому сокращению объемов заказов у отечественных производителей.

Для снижения зависимости от импорта и наращивания объемов экспортируемой продукции необходимы мероприятия по комплексной реконструкции инструментального производства, с применением инновационных инструментальных технологий, позволяющих сократить себестоимость продукции и получить конкурентные преимущества перед изделиями зарубежных поставщиков в виде экономии времени и ресурсов на производство единицы продукции [4].

На данный момент ёмкость российского рынка технологической оснастки составляет более 357 млн долл. При этом концентрация производителей и потребителей инструментальной оснастки крайне неравномерна, так наибольшая концентрация инструментальных заводов наблюдается в Центральном, Поволжском и Уральском регионах. Помимо этого, по мнению экспертов, на сегодняшний день рынок инструментальной оснастки является растущим, что обусловлено в первую очередь ростом спроса на технологическую оснастку среди машиностроительных предприятий, ВПК и увеличением количества предприятий, занимающихся производством и перепродажей технологической оснастки. Однако существующие производители инструментальной оснастки не располагают мощностями, способными удовлетворить растущий спрос. Для выхода из сложившейся ситуации возможны несколько вариантов, среди которых [10]:

- стимулирование создания новых предприятий, осуществляющих производство и реализацию инструментальной оснастки с применением традиционных технологий металлообработки: обработка давлением; токарные, фрезерные, шлифовальные и строгальные методы обработки;

- обновление основных средств инструментальных предприятий, в том числе приобретение оборудования для аддитивных технологий.

Тенденции развития металлообрабатывающей отрасли характеризуются переходом к автоматизации всего цикла производства изделий с предварительным проектированием объемных моделей изделий в CAD-, CAM-системах. Применение САПР в сочетании с CAD-системами позволяет осуществить разработку объемной модели продукции, ее быструю правку и доработку. В сочетании с оборудованием, позволяющим воплощать полученные модели в металле, пластике или другом материале, существенно сокращаются затраты времени на технологический процесс производства изделий. Среди оборудования, подразумевающего производство продукции на основе компьютерной модели, можно выделить следующее [19, 20]:

- фрезерные станки с ЧПУ: перемещение фрезы осуществляется вдоль трех осей (X, Y – горизонтальная плоскость, Z – вертикальная) на основании траектории, полученной по объемной модели изделия в CAD-, CAM-системе. В некоторых фрезерных установках добавляется поворотный стол, что позволяет исключить движение вдоль одной из горизонтальных координат и ускорить процесс обработки;

- 5-ти координатные обрабатывающие центры: существенным отличием данного оборудования от фрезерных станков с ЧПУ является наличие двух дополнительных степеней свободы, позволяющих осуществлять вращательное движение шпинделя или рабочего стола вокруг двух осей, что существенно расширяет возможности оборудования по обработке криволинейных поверхностей;

- станки гидроабразивной резки: предназначены для раскроя листового материала струей жидкости с частицами абразива с давлением до 6000 атм., при этом толщина обрабатываемого металла может достигать 300 мм и более;

- оборудование для электроэрозионной резки: процесс обработки основывается на явлении электрической эрозии – изменение размеров формы и свойств металла под действием электрических разрядом, создаваемых генератором электрических импульсов, с температурой от 8000 до 12000 ⁰С.

- 3D-принтеры на базе технологий FDM, LENS, DMD, SLS: осуществляют производство объемных изделий из пластиковых (FDM) и металлических материалов (LENS, DMD, SLS) методом послойного наплавления материала на подложку или заготовку изделия.

Промышленное оборудование на основе аддитивных технологий в сочетании с ЧПУ, как правило, характеризуется более высокой стоимостью, по сравнению с традиционными фрезерными, шлифовальными и прочими системами. Однако более высокая стоимость оправдывается рядом преимуществ [1; 2] и быстрыми сроками окупаемости за счет дополнительных денежных потоков из-за существенного сокращения сроков выполнения заказов [23].

Преимущества такого подхода:

- сокращение времени производства готовой продукции: применение 5-ти координатного обрабатывающего центра и фрезерного станка ЧПУ приводит к сокращению времени обработки в 1,5–2 раза, повышению производительность в 2–3 раза и сокращению потерь материала на 5–10%;

- повышение прочностных и износостойких свойств изделий за счет нанесения защитного покрытия с возможностью сочетания материалов (LENS, DMDтехнологии);

- возможность быстрого изготовления или моделирования литейных форм со сложными каналами прокачки жидкости, повышающих теплообмен и прочностные характеристики изделия;

- быстрая переналадка оборудования для мелкосерийного и штучного производства;

- возможность быстрого прототипирования, и ряд других положительных сторон.

Таким образом, организация производственного процесса на предприятиях по выпуску инструментальной оснастки на основе аддитивных технологий в сочетание с ЧПУ позволит получить конкурентные преимущества в виде повышения производительности труда [21], сокращения затрат на цикл тестирования и производства готовой продукции [23].

Свойства аддитивных технологий позволяют их использовать в различных сферах (рисунок 1).

 

Рис. 1. Применение продукции на основе аддитивных технологий

 

Широкое применение аддитивных технологий в сфере инструментального производства позволит упростить процесс производства отдельных видов продукции, отказавшись от некоторых видов оборудования.

Большинство предприятий, изготавливающих технологическую оснастку, ориентируется на изготовление серийной продукции, ограничивая ассортимент выпускаемых изделий, что обусловлено требованием к снижению затрат на организацию технологического процесса серийного и массового производства. В то же время, применение оборудования на основе аддитивных технологий позволяет эффективно осуществлять работы по созданию опытных образцов, а также работы для выпуска небольших партий и единичных изделий.

Таким образом, предприятие, внедрившее в производство новые методы в технологиях металлообработки, имеет преимущество, т. к. практика показывает, что большая часть ассортимента, планируемого к производству на новом оборудовании, будет выпускаться под часто меняющиеся заказы клиентов. Это требует обеспечить определенную гибкость, возможность быстрой переориентации на производство нового продукта, адаптации к изменяющимся рыночным условиям [12].

Таким образом, дальнейшее развитие, на наш взгляд, в первую очередь связано с переходом (по мере внедрения в промышленность и устойчивой коммерциализации нововведений) на новейшие разработки в области формообразования, таких как: современные 3D-принтеры, новые технологии и оборудование водоструйной резки, лазерно-плазменного раскроя и др.