Расчет скорости резания и числа оборотов шпинделя
исходные	Cн	T	t	S	xн	yн	mн	KМн	KИн	KПн	D
данные	485	7000	0,45	0,1	0,12	0,25	0,28	1,5	1,2	0,9	17
Расчетная скорость резания, м/мин	128,89
Расчетная частота вращения шпинделя, мин-1	2413,48
Расчет составляющей силы резания Рz
исходные	CPz	xPz	yPz	nPz	KМPz	KцPz	KгPz	KлPz	KrPz
данные	40	1	0,75	0	2,75	1	1	1	0,87
Расчетная составляющая силы резания Рz, Н	76,58
Расчетная мощность резания Np
Np, кВт	0,16
Расчет технологического времени То
исходные	L	L1	L2	i
данные	63,5	1	1	1
Технологическое время То, мин	0,27

Инструмент для обработки внутренней поверхности SANDVIK koromant Coro Turn 111, с двухсторонней быстросменной твёрдосплавной пластиной.

Крепление: Винт.

Пластина: VCGX Сплав применяется для получистовой и чистовой обработки алюминия. Чрезвычайно износостойкий сплав, обеспечивающий высокое качество обработки.

Конструкция державки: исполнение(правое)

б)Чистовое растачивание внутренней поверхности Д16.

Расчет скорости резания и числа оборотов шпинделя
исходные	Cн	T	t	S	xн	yн	mн	KМн	KИн	KПн	D
данные	485	7000	0,05	0,05	0,12	0,25	0,28	1,5	1,2	0,9	16,1
Расчетная скорость резания, м/мин	199,53
Расчетная частота вращения шпинделя, мин-1	3944,88
Расчет составляющей силы резания Рz
исходные	CPz	xPz	yPz	nPz	KМPz	KцPz	KгPz	KлPz	KrPz
данные	40	1	0,75	0	2,75	1	1	1	0,87
Расчетная составляющая силы резания Рz, Н	5,059
Расчетная мощность резания Np
Np, кВт	0,016
Расчет технологического времени То
исходные	L	L1	L2	i
данные	72	1	1	2
Технологическое время То, мин	0,75

Инструмент для обработки внутренней поверхности SANDVIK koromant CoroTurn 111, с двухсторонней быстросменной твёрдосплавной пластиной.

Крепление: Винт.

Пластина: VCGX Сплав применяется для получистовой и чистовой обработки алюминия. Чрезвычайно износостойкий сплав, обеспечивающий высокое качество обработки.

Конструкция державки: исполнение(правое)



2 переход: а)Подрезка торца.

Расчет скорости резания и числа оборотов шпинделя
исходные	Cн	T	t	S	xн	yн	mн	KМн	KИн	KПн	D
данные	485	7000	1	0,05	0,12	0,25	0,28	1,5	1,2	0,9	21
Расчетная скорость резания, м/мин	139,27
Расчетная частота вращения шпинделя, мин-1	2111,14
Расчет составляющей силы резания Рz
исходные	CPz	xPz	yPz	nPz	KМPz	KцPz	KгPz	KлPz	KrPz
данные	40	1	0,75	0	2,75	1	1	1	0,87
Расчетная составляющая силы резания Рz, Н	101,19
Расчетная мощность резания Np
Np, кВт	0,23
Расчет технологического времени То
исходные	L	L1	L2	i
данные	6	1	1	1
Технологическое время То, мин	0,075

Инструмент для получистовой и чистовой обработки наружной поверхности и подрезки торца SANDVIK koromant CoroTurn RC.

Крепление: Прижим клин- прихватом сверху.

Пластина: VCGX Сплав применяется для получистовой и чистовой обработки алюминия.

Чрезвычайно износостойкий сплав, обеспечивающий высокое качество обработки.

Конструкция державки: исполнение(правое):

б)Получистовое точение наружной поверхности Д 21,1.

Расчет скорости резания и числа оборотов шпинделя
исходные	Cн	T	t	S	xн	yн	mн	KМн	KИн	KПн	D
данные	485	3500	0,45	0,1	0,12	0,25	0,28	1,5	1,2	0,9	22.1
Расчетная скорость резания, м/мин	156,50
Расчетная частота вращения шпинделя, мин-1	2264,43
Расчет составляющей силы резания Рz
исходные	CPz	xPz	yPz	nPz	KМPz	KцPz	KгPz	KлPz	KrPz
данные	40	1	0,75	0	2,75	1	1	1	0,87
Расчетная составляющая силы резания Рz, Н	76,58
Расчетная мощность резания Np
Np, кВт	0,19
Расчет технологического времени То
исходные	L	L1	L2	i
данные	74.9	1	1	1
Технологическое время То, мин	0,28

Длинна L складывается из нескольких поверхностей: поверхностей д21=63,5мм, д24,8 =8мм и высотой торца бурта=3,4мм.

Инструмент для получистовой и чистовой обработки наружной поверхности и подрезки торца SANDVIK koromant CoroTurn RC



Крепление: Прижим клин- прихватом сверху.

Пластина: VCGX Сплав применяется для получистовой и чистовой обработки алюминия. Чрезвычайно износостойкий сплав, обеспечивающий высокое качество обработки

Конструкция державки: исполнение(правое)

в)Чистовое точение наружной поверхности Д 21(обработка по контуру).

Расчет скорости резания и числа оборотов шпинделя
исходные	Cн	T	t	S	xн	yн	mн	KМн	KИн	KПн	D
данные	485	3500	0,05	0,05	0,12	0,25	0,28	1,5	1,2	0,9	21,1
Расчетная скорость резания, м/мин	242,26
Расчетная частота вращения шпинделя, мин-1	3654,82
Расчет составляющей силы резания Рz
исходные	CPz	xPz	yPz	nPz	KМPz	KцPz	KгPz	KлPz	KrPz
данные	40	1	0,75	0	2,75	1	1	1	0,87
Расчетная составляющая силы резания Рz, Н	5,059
Расчетная мощность резания Np
Np, кВт	0,020028887
Расчет технологического времени То
исходные	L	L1	L2	i
данные	63,5	1	1	2
Технологическое время То, мин	0,71

Инструмент для получистовой и чистовой обработки наружной поверхности и подрезки торца SANDVIK koromant CoroTurn RC

Крепление: Прижим клин- прихватом сверху.

Пластина: VCGX Сплав применяется для получистовой и чистовой обработки алюминия. Чрезвычайно износостойкий сплав, обеспечивающий высокое качество обработки.

Конструкция державки: исполнение(правое)

3 переход: Нарезание метрической резьбы М17 с шагом 0,5, на внутренней поверхности.

Т=15000

Инструмент для нарезания внутренней резьбы SANDVIK koromant KARTO 166.4 KF с быстросменной трёх сторонней пластиной.

Крепление: винт.

Пластина: Сплав GC1020 Сплав специально разработан для резьбовых операций по большинству операций, имеет высокую износостойкость.

Конструкция державки: (исполнение правое)

4 переход: : Нарезание наружной резьбы М19 с шагом 0,5.

Т=15000

Инструмент для нарезания наружной резьбы SANDVIK koromant KARTO 166.4 KF с быстросменной трёх сторонней пластиной.

Крепление: винт.

Пластина: Сплав GC1020 Сплав специально разработан для резьбовых операций по большинству операций, имеет высокую износостойкость.

Конструкция державки: (исполнение правое)

5 переход: Фрезерование криволинейного паза, ширина которого 7мм.

Расчет скорости резания и числа оборотов шпинделя
исходные	Cн	T	t	Sz	q	m	z	KМн	KИн	Klн	D
данные	185,5	7000	1,2	0,1	0,45	0,33	2	1	1	1	7
и	x	y	u	p	B
значения	0,3	0,2	0,1	0,1	1,5
Расчетная скорость резания, м/мин	32,23
Расчетная частота вращения шпинделя, мин-1	1465,68
max число оборотов шпинделя приводного	6000`
инструмента станка, мин-1
Расчетная скорость резания, м/мин	131,88
Расчет окружной силы резания Рz
исходные	CP	x	y	q	KМP	u	w
данные	17	0,22	0,18	0,22	2,75	1	0
Расчетная осевая сила резания Ро, Н	317,10
Расчет крутящего момента Мкр
Крутящий момент, Н*м	11,09
Расчетная мощность резания Np
Np, кВт	0,68
Расчет технологического времени То
исходные	L	L1	L2	i
данные	30	1	1	2
Технологическое время То, мин	4,85

Инструмент для обработки криволинейного паза: твёрдосплавная концевая фреза SANDVIK koromant CoroMill Plura. Сплав предназначен для высоко эффективной обработки цветных сплавов.

Данная фреза крепится в приводной VDI блок.

6 переход: Обработка наружной поверхности Д18 за буртом, с использованием поперечного точения.

Инструмент для обработки наружных канавок: SANDVIK koromant CoroCut F123, c быстро сменной двухсторонней твёрдосплавной пластиной.

Крепление: Винт. Пластина: CF Сплав CD10-Применяется для чистовой обработки алюминия.

Чрезвычайно износостойкий сплав, обеспечивающий высокое качество обработки.

Конструкция державки: исполнение(правое).

7 переход: Нарезание резьбы М18 с шагом 0,75 на наружной поверхности за буртом.

Т=15000

Инструмент для нарезания наружной резьбы SANDVIK koromant KARTO 166.5 FА с быстросменной трёх сторонней пластиной. Предназначен для работы в стеснённых условиях, и возле заднего центра.

Крепление: винт.

Пластина: Сплав GC1020 Сплав специально разработан для резьбовых операций по большинству операций, имеет высокую износостойкость.

Конструкция державки: (исполнение правое)

8 переход: Отрезка заготовки.

Инструмент для отрезки заготовки: SANDVIK koromant CoroCut F123, c двухсторонней быстро сменной твёрдосплавной пластиной.

Крепление: Винт.

Пластина: CF Сплав CD10-Применяется для чистовой обработки алюминия. Чрезвычайно износостойкий сплав, обеспечивающий высокое качество обработки.

Конструкция державки: исполнение(правое).

2.8 Нормирование технологической операции

Технические нормы времени в условиях массового и серийного производств устанавливаются расчетно-аналитическим методом.

Нормируем операцию 005 токарная с ЧПУ.

В крупносерийном и массовом производстве определяется норма штучно-калькуляционного времени:

;



где Т- основное время, мин; Т_о = 9,14 мин.

Т - вспомогательное время, мин;

Т_тех - технологическое время на операцию, мин

Т_орг - время на обслуживания рабочего места, мин;

Т_отд- время на перерыв на отдых и личные надобности, мин.

Основное время Т_о вычисляется на основании принятых режимов резания, в данном случае оно равно сумме времени процесса обработки на каждый технологический переход:

То=4,21+4,5+16,5+45+5,4+17,5+42,6+9+6+5,1+291+84+5,1+12,6=9,14 мин.

Вспомогательное время состоит из затрат времени на отдельные приемы:

[1;3;5]

где Т - время на установку и снятие детали, мин;

Т- время на приемы управления, мин;

Т - время на измерение детали, мин.

Время на установку и снятие детали, закрепление её и открепление:

Т= 0,35 мин

Время на приемы управления: включить и выключить станок- 0,05 мин; подвести или отвести резцы- 0,05 мин.

Т= 0,05+0,05 =0,1 мин.

Время на измерение детали: Т= 0,29 мин.

Определяем вспомогательное время:

Т=0,35+0,1+0,29=0,74 мин

В крупносерийном производстве время на техническое обслуживание и время организационного обслуживания по отдельности не определяются. В нормативах даётся сумма этих двух составляющих в процентах от оперативного времени.

Оперативное время

Т= Т + Т,

Определяем оперативное время:

Т= 9,14+0,74=9,88 мин.

Определяем время на обслуживание рабочего места и отдых:

Ттех =То·2,6/120=9,14·2,6/120=0,19 мин.

Торг=Топер•1,7/100%=9,88•1,7/100%=0,17 мин

Тотд=Топер•6/100%=9,88•6/100%=0,6 мин

Определяем норму штучного времени:

Тшт=То+Твсп+Ттех+Торг+Тотд=9,14+0,74+0,19+0,17+0,6=10,84мин

Qч=1/Тшт=60/10,84=5,53 детали в час.

Тпз=а+(b·Nи)+(с·Рр)=11+(0,8·8)+(0,5·5)=11,89 мин.

Где а,b,с - постоянные коэффициенты (а=11,b=0,8,с=0,5)

Nи- число режущих инструментов, шт.

Рр - число устанавливаемых режимов работы станка.

n=N·а/255=5450·5/255=107 шт.- величина партии заготовок.

Тшт.к=Тшт+Тпз/n=10,84+(11,89/107)=10,95мин.

3. Патентные исследования

3.1 Задание на проведение патентного поиска

Тема дипломного проекта: Проект механического участка станков с ЧПУ с разработкой технологического процесса механической обработки детали «Корпус»и управляющей программы для многофункционального токарного станка модели TURN-155.

Цель патентных исследований - установление уровня развития техники.

Студентка Хлынина Е.В.	Группа ЗТМС-98-106	Выдано 10.01.2010 г.

Предмет поиска: Износостойкие покрытия для режущего инструмента.

Страны и глубина поиска СССР, Россия 1994-2010 гг.

Швеция, США, Великобритания, Германия, Франция, Япония 1994-2010 гг.

Научный руководитель Шинаков И.В.

Таблица 3.1 СПРАВКА о результатах проведения патентного поиска

Страна	Индекс МКИ	Перечень просмотренных материалов (годы)	Выявленные аналоги. Библиографические данные, достаточные для их нахождения.
1	2	3	4
СССР	В23В 27/14	Бюллетень «Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки» 1994 -2010 гг.	А.С. SU 959343 A, 1979, Режущий инструмент. Б.И.№19, 1983.
СССР	В23В 27/14	Бюллетень «Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки» 1994 -2010 гг.	А.С. SU 959344 А, 1979, Режущий инструмент. Б.И.№19, 1983.
СССР	В23В 27/14	Бюллетень «Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки» 1994 -2010 гг..	А.С. SU 959345 А, 1979, Режущий инструмент. Б.И.№19, 1983
СССР	В23В 27/14	Бюллетень «Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки» 1994 -2010 гг.	Режущий инструмент. А.С. №959344, кл. В23В 27/14, 1979. Б.И. №19, 1983. А.С. SU 1701428 А1, 1984, Режущий инструмент с износостойким покрытием. Б.И.№48, 1991
СССР	В23В 27/14	Бюллетень «Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки» 1994 -2010 гг.	А.С. СССР заявка №3802478, кл. В23В 27/14, 1985. Режущий инструмент с износостойким покрытием. Б.И.№36, 1992
СССР	В23В 27/14	Бюллетень «Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки» 1994 -2010 гг.	Режущий инструмент. А.С. №959345, кл. В23В 27/14, 1979. Б.И. №19, 1983. А.С. SU 1611584 А1, 1988, Материал для режущего инструмента Б.И.№45, 1990
СССР	В23В 27/14	Бюллетень «Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки» 1994 -2010 гг..	Режущий инструмент. А.С. №959345, кл. В23В 27/14, 1979.Б.И. №19, 1983. А.С. SU 1655660 А1, 1989, Материал покрытия для режущего инструмента. Б.И.№22, 1991.
Швеция	В23В 27/14	Сменные пластины и инструмент САНД-ВИК-МКТС. Каталог. М.-«ОАО САНДВИК-МКТС», 2000.-168с.	Режущая пластина CPGX 120408-AL из твердого сплава VCGX с покрытием Ti(C,N) + AL2O3 + TiN.
Япония	В23В 27/14	Реф.журнал.» Изобретения стран мира». Обработка металлов резанием. 1994 -2010 гг..	Способ изготовления вставной пластинки из сплава с высокой твердостью на основе карбида вольфрама с покрытием на наружной поверхности для высокоскоростного резания. Акцептованная заявка Японии №3-55245, 1991.
Япония	В23В 27/14	Реф.журнал.» Изобретения стран мира». Обработка металлов резанием. 1994 -2010 гг.	Резец из сверхтвердого сплава на основе карбида вольфрама с покрытием для скоростного резания. Патент Японии №4-4081,1986.
Япония	В23В 27/14	Реф.журнал.» Изобретения стран мира». Обработка металлов резанием. 1994 -2010 гг.	Режущий инструмент из твердого материала с покрытием. Акцептованная заявка Японии №1-246003, 1989.
США	В23В 27/14	Реф.журнал.» Изобретения стран мира». Обработка металлов резанием. 1994 -2010 гг.	Аналогов не обнаружено
Великобритания	В23В 27/14	Реф.журнал.» Изобретения стран мира». Обработка металлов резанием. 1994 -2010 гг.	Аналогов не обнаружено
Германия	В23В 27/14	Реф.журнал.» Изобретения стран мира». Обработка металлов резанием. 1994 -2010 гг.	Аналогов не обнаружено
Франция	В23В 27/14	Реф.журнал.» Изобретения стран мира». Обработка металлов резанием. 1994 -2010 гг.	Аналогов не обнаружено

3.2 Патентный обзор

1. Режущий инструмент SU 959343 A.

Режущий инструмент с однослойным износостойким покрытием, содержащим нитрид титана, отличающийся тем, что с целью повышения стойкости инструмента при обработке сложнолегированных жаропрочных сталей и сплавов, в покрытие дополнительно введен нитрид хрома при следующем соотношении компонентов: нитрид хрома 10-30%, нитрид титана остальное.

2. Режущий инструмент SU 959344 A.

Режущий инструмент с однослойным износостойким покрытием, состоящим из нитрида титана, отличающийся тем, что с целью повышения стойкости инструмента при обработке нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов, в покрытие дополнительно введены нитриды алюминия, молибдена, хрома, кремния, равномерно распределенные по объему покрытия, в следующих соотношениях, %: AlN 3-8, MoN 2-8, CrN 2-10, SiN 0.5-5, TiN остальное.

3. Режущий инструмент SU 959345 A.

Режущий инструмент с многослойным износостойким покрытием с чередующимися слоями двух компонентов, один из которых представляет собой нитрид или карбид металла IV группы (Ti,Zr,Hf), отличающийся тем, что с целью повышения стойкости инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов, второй компонент покрытия представляет собой нитрид, или борид, или карбид, или силицид металла VI группы (Cr, Mo), при этом толщина слоя из нитрида или карбида металла IV группы составляет 0.05-0.5 мкм, а толщина слоя из соединения металла VI группы 15-40% от толщины слоя соединения металла IV группы.

4. Режущий инструмент с износостойким покрытием SU 1701428 A1.

Цель изобретения - повышение стойкости. Поставленная цель достигается за счет создания теплового барьера в покрытии, состоящим из тугоплавких соединений IVа группы, а также хрома и алюминия за счет выбора входящих в него ингредиентов в следующих соотношениях, мас.%: хром 31-45; алюминий 9-13; соединение металла IVa группы (T:N) - остальное.

5. Режущий инструмент с износостойким покрытием SU1764837 A1.

Цель изобретения - повышение износостойкости. Режущий инструмент с износостойким покрытием на основе карбидов, либо нитридов, либо оксикарбонитридов титана и алюминия, отличающийся тем, что с целью повышения износостойкости, покрытия дополнительно содержат карбиды, либо нитриды, либо оксикарбнитриды одного металла из группы: ванадий, марганец, олово, при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбиды, либо нитриды, либо оксикарбонитриды алюминия -0.1-7.0; карбиды, либо нитриды, либо оксикарбонитриды одного металла из группы: ванадий, марганец, олово -0.1-8.0; карбиды, либо нитриды, либо оксикабонитриды титана - остальное.

6. Материал для режущего инструмента. SU 1611584 A1.

Цель изобретения - повышение износостойкости при высоких скоростях резания. Предложенный материал имеет основу из быстрорежущей стали и многослойное покрытие с чередующимися слоями двух компонентов: первый, прилегающей к основе, состоит из оксинитрида титана состава TiN0,6O0,4 толщиной 0.05-0.5 мкм, второй содержит 5-30% хрома, остальное нитрид хрома толщиной

15-40% толщины первого компонента. Предложенный материал имеет повышенную износостойкость при высоких скоростях резания.

7. Материал покрытия для режущего инструмента. SU 1655660 A1.

Цель изобретения - повышение стойкости инструмента при прерывистом резании. Предложенный материал покрытия для режущего инструмента представляет собой чередующиеся слои нитридов, первый из которых представляет комплексный нитрид титана, циркония, гафния, толщиной 0.05-0.5 мкм, а второй представляет собой твердый раствор нитридов титана и хрома (Tix Cry)N, где x+y=1, y=0.3-0.5, причем его толщина составляет 15-40% от толщины слоя соединения металла IV группы.

8. Режущая пластина с износостойким покрытием.

Цель изобретения - повышение износостойкости. Режущая пластина CPGX 120408 - AL из твердого сплава VCGX с трехслойным покрытием: первый, прилегающий к основе состоит из карбида и нитрида титана Ti(C,N), второй состоит из оксида алюминия AL2O3, третий - из нитрида титана TiN. Суммарная толщина покрытия 10 мкм. Обрабатываемые материалы: углеродные стали, легированные стали, высоколегированные и инструментальные стали (>5% легирующих элементов), стальное литье, материалы с высокой поверхностной твердостью (закаленная сталь, отбеленный чугун), алюминиевые сплавы, медь и сплавы на ее основе.

ПокрытиеTi(C,N) состоит из карбидов и нитридов титана. Карбид титана TiC обеспечивает прочное соединение всего многослойного покрытия с твердосплавной основой. Но с целью снижения обезуглероживания в приповерхностных слоях твердосплавной основы карбид титана TiC дополнен нитридом титана TiN.

Покрытие Al2O3 имеет высокую химическую активность, что повышает его сопротивляемость высокотемпературной коррозии. Но с целью увеличения работоспособности хрупкого покрытия Al2O3 на него нанесли более пластичное покрытие TiN.Покрытие TiN эффективно противостоит диффузионному изнашиванию и хорошо сохраняется на режущей кромке.

Отрицательным моментом покрытия является то, что оно применяется только при точении.

9. Способ изготовления вставной пластины из сплава с высокой твердостью на основе карбида вольфрама с покрытием на наружной поверхности для высокоскоростного резания.

Акцептованная заявка Японии №3-55245.

На наружную поверхность вставной пластины из сплава с высокой твердостью на основе карбида вольфрама наносят однослойное или многослойное покрытие из одного или нескольких видов следующих соединений: карбид, нитрид титана, а также оксид алюминия. Покрытие единообразно по составу и имеет одинаковую толщину по всей наружной поверхности пластинки. Общая толщина покрытия 5-15 мкм.

10. Резец из сверхтвердого сплава на основе карбида вольфрама с покрытием для скоростного резания.

Патент Японии №4-4081.

На поверхности основы из сверхтвердого сплава на основе карбида вольфрама имеется покрытие из одного или более двух слоев, образованных нитридом титана и оксидом алюминия.

11 Режущий инструмент из твердого материала с покрытием.

Акцептованная заявка Японии №1-246003.

Основание из твердого материала содержит комбинацию из карбида вольфрама, твердого сплава и быстрорежущей стали. На поверхности основания формируют монолитное покрытие из карбида и нитрида титана. Толщина покрытия 10 мкм.

Применение покрытия по SU 959343 A для обработки алюминиевых сплавов не эффективно, так как незначительно реализуется основное свойство покрытия - снижение адгезионно-усталостного износа инструмента.

Выводы:

1. Применение покрытий по SU 959344 A, SU 959345 A, SU 1701428 A1 для обработки алюминиевых сплавов не эффективно, так как не задействуется защитный механизм окисления покрытия, для реализации которого оно создано.

2. Покрытие по SU 1764837 A1 создано для уменьшения фазового натяжения между основой и покрытием при обработке труднообрабатываемых материалов, что делает нецелесообразным его применение при обработке алюминиевых сплавов.

3. Покрытие по SU 1611584 A1 при обработке алюминиевых сплавов не эффективно, так как не используется основное свойство покрытия - высокая температурная стойкость.

4. Покрытие по SU 1655660 A1 используется для предотвращения хрупкого разрушения при прерывистом резании (фрезеровании), поэтому при обработке алюминиевых сплавов точением применение его нецелесообразно.

5. Покрытия по акцептованным заявкам JP 3 - 55245 A,JP 1 - 246003 A и патенту JP 4 - 4081 B4 Японии не эффективны при обработке алюминиевых сплавов.

На основании патентных исследований установлено, что для точения алюминиевых сплавов используется только одно покрытие TiN(C,N)+Al2O3+TiN САНДВИК - МКТС (табл. 3.2), которое выбрано для использования в разработанной технологии механической обработки детали «Корпус».

4. Научно-исследовательская часть. Исследования режущего инструмента с покрытиями

Направленное изменение свойств покрытий путем варьирования их составом, структурой и строением позволяет существенно изменять контактные характеристики процесса резания. Появляется возможность управления важнейшими выходными параметрами процесса резания - производительностью, стойкостью и надежностью, а также качеством и точностью обработанных деталей.

4.1 Контактные процессы при резании инструментами с покрытием

На рис. 4.1 показана исходная схема для расчета контактных характеристик.

Анализ микрофотографий контактных зон, а также оценка границ зон главных и вторичных (контактных) деформаций позволили установить основные закономерности влияния состава покрытия на пластические деформации и контактные характеристики процесса резания.

Обобщенные представления о трансформации зон деформаций металла в зоне резания при использовании инструмента с покрытием показаны на рис. 4.2.

Данные получены на основе анализа микрофотографий контактных зон применительно к условиям образования сливной стружки.



Рис.4.1 Исходная схема для расчета контактных характеристик при точении: полная длина контакта стружки и передней поверхности инструмента; длина пластического контакта по передней поверхности; угол сдвига; угол действия; радиальная и тангенциальная составляющие силы резания; нормальная и касательная силы по передней поверхности; нормальная и касательная силы по задней поверхности; передний и задний углы инструмента;износ задней поверхности.

Рис. 4.2 Обобщенные представления о трансформации зон стружкообразования при резании инструментом с покрытием: зоны главных и вторичных деформаций, длина контакта по передней поверхности, угол сдвига при резании инструментом без покрытия; зоны главных и вторичных деформаций, длина контакта по передней поверхности, угол сдвига при резании инструментом с покрытием.

При этом необходимо отметить сильное уменьшение размеров зоны контактных деформаций для инструмента с покрытием, а также заметное сужение размеров зоны главных деформаций (рис. 4.2). Линия , характеризующая начало пластических деформаций (геометрическое место точек действия максимальных напряжений, соответствующих пределу текучести материала заготовки), значительно смещается в сторону передней поверхности (положение ). Несколько смещается и конечная граница зоны главных деформаций линия (положение ).

Результаты расчета характеристик контактных процессов применительно к свободному точению Д16.Т. показаны в таблице 4.1.

Таблица 4.1 Влияние состава покрытия на контактные характеристики процесса резания при точении Д16.Т. твердосплавными пластинками (; ; )

Инструментальн. материал
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
ВК6	1.3	0.88	0.67	22	36	2.5	904	1570	1392	1210	2415	690
СТ15	0.86	0.56	0.65	32	16	2.0	770	1320	1200	1020	1560	520

Характер распределения эпюр контактных напряжений и на передней поверхности твердосплавной пластинки СТ15 (с покрытием) и ВК6 (без покрытия), полученных при точении Д16.Т. с ,, показан на рис. 4.3.



Рис.4.3 Характер распределения эпюр контактных напряжений по длине контакта передней поверхности пластинки: ВК6; VCGX; ; ;

Приведенные зависимости свидетельствуют о заметном снижении контактных характеристик и на передней поверхности пластинок VCGX (с покрытием), причем характер их распределения по передней поверхности при различных скоростях резания остается аналогичным для пластинок с покрытием (VCGX) и без покрытия (ВК6).

Влияние состава покрытия на коэффициенты деформации и составляющие силы резания в широком диапазоне изменения скоростей резания при обработке Д16.Т. свидетельствует о неоднозначном влиянии состава покрытия на исследуемые параметры (табл. 4.2, 4.3, рис. 4.4).

Таблица 4.2 Влияние покрытий VCGX на коэффициент деформации в зависимости от скорости резания ()

Скорость резания,	для инструментального материала
	ВК6	СТ15
1	2	3
Обрабатываемый материал - Д16.Т. (твердость НВ120)
5	2.2	2.9
10	2.2	2.6
15	2.0	2.1
20	1.6	2.3
25	1.7	2.4
30	1.8	2.9
40	2.0	2.6
50	3.5	2.2
60	2.7	2.0
70	2.5	1.8
80	2.0	1.7

Таблица 4.3 Влияние покрытий VCGX на силы резания и в зависимости от скорости резания при продольном точении ()

	Обрабатываемый материал	Силы резания,для инструментального материала
		ВК6	Сандвик МКТС(VCGX)
1	2	3	4	5	6
10	Д16.Т. (НВ120)	2400	4500	2100	4350
20		1800	4000	1650	4100
30		2000	4200	1900	4050
50		4200	5500	3200	4500
70		3800	5200	2800	4300
90		3500	5000	2750	4100
110		3200	4800	2620	4000
150		3000	4400	2380	3700
200		2800	4000	2200	3400



Рис.4.4 Влияние покрытия на силы резания (а) и (б) при разных скоростях резания ( 1 - ВК6; 2 - VCGX.

Во - первых в диапазоне скоростей активного наростообразования зависимость параметров от состава покрытия сильно искажается формируемым наростом. Характер и параметры нароста будут сильно зависеть от контактных характеристик процесса резания. Однако в результате нанесения покрытия несколько уменьшается склонность инструментального материала к наростообразованию и сдвигаются характерные скорости процесса, но оно не может полностью устранить нарост. Таким образом, в диапазоне скоростей активного наростообразования влияние состава покрытия на коэффициент деформации и силы резания будет определяться геометрией и формой сформированного нароста, которые в значительной степени будут зависеть от состава покрытия.

Во - вторых, в диапазоне скоростей резания, при которых нарост вырождается в узкую прирезцовую зону, влияние состава покрытия на коэффициенты деформации и силы резания будет проявляться в результате изменения склонности инструментального материала к физико-химическому воздействию с обрабатываемым материалом. Указанный процесс определяет условие протекания граничного адгезионного взаимодействия и диффузии между обрабатываемым и инструментальным материалами. В свою очередь, граничная адгезия и диффузия оказывают очень сильное влияние на формирование контактной зоны и ее поведение.

Установлено, что пластические деформации в зонах стружкообразования сильно зависят от сопротивления сдвигу на участке пластического контакта. Именно на этом участке наиболее активно реализуются диффузионные процессы между инструментальным и обрабатываемым материалами, которые сильно влияют на сопротивляемость срезаемого слоя пластическому сдвигу. В частности, при активном насыщении локальных объемов обрабатываемого материала в зоне пластического контакта легирующими элементами из инструментального материала сопротивление сдвигу будет возрастать, что обязательно приведет к росту коэффициента деформации и сил резания.

Если покрытие снижает физико-химическую активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому, то оно выполняет роль активного барьера, сдерживающего диффузию атомов инструментального материала в обрабатываемый. В этом случае сопротивление пластическому сдвигу на участке пластического контакта будет снижаться. Это приведет к уменьшению коэффициентов деформации и сил резания.

Покрытие TiN само насыщает срезаемый слой упрочняющими легирующими элементами - титаном и азотом, что увеличивает сопротивляемость сдвигу и приводит к росту коэффициента и сил и в большей степени, чем при точении Д16.Т. твердосплавными пластинками ВК6 без покрытия. Таким образом, выбор состава покрытия в зависимости от свойств обрабатываемого материала является важнейшей задачей при создании инструментов с покрытием.

Анализ результатов исследований контактных процессов при резании инструментами с различными покрытиями позволяет отметить следующее.

1.Сильное изменение условий внешнего трения приводит к формированию зон пластического и упругого контактов, геометрия которых определяется составом, структурой и свойствами покрытия. В частности, значительно уменьшается длина пластического и полного контактов, сужается область главных пластических деформаций.

2.После завершения процесса формирования зон стружкообразования роль покрытия заключается в торможении диффузионных процессов на участке пластического контакта, причем состав, структура и свойства покрытия должны эффективно увеличивать сопротивляемость инструментального материала диффузионному растворению в обрабатываемом. В этом случае существенно снижается сопротивляемость пластическому сдвигу, что приводит к росту угла сдвига, уменьшению коэффициентов деформации, значительному снижению работы пластической деформации и, следовательно, снижению уровня энергии, затрачиваемой на процесс формирования стружки.

3.Покрытие неоднозначно изменяет напряженность режущей части инструмента. Снижаются максимальные значения касательных напряжений на контактной площадке передней поверхности (на 20-40%), нормальные напряжения изменяются в зависимости от отношения нормальной силы к площадке контакта. Если покрытие уменьшает площадь контакта стружки с передней поверхностью более интенсивно, чем соответствующее значение нормального усилия, то максимальное значение нормального контактного напряжения может оказаться даже больше для инструмента с покрытием.

4.Покрытие несколько увеличивает длину контакта по задней поверхности особенно с ростом толщины, что связано с увеличением радиуса скругления режущей кромки и величин упругого последействия.

4.2 Влияние покрытия на процесс наростообразования

При образовании устойчивого нароста роль внешнего трения значительно нивелируется, так как контактное взаимодействие будет определяться формой и геометрией нароста, а контактные характеристики зависят от сил трения между поверхностью сформированного нароста и частицами срезанного материала. Покрытие, изменяя контактные характеристики процесса резания, определяет геометрию формируемого нароста. В конечном итоге влияние покрытия на процесс резания будет проявляться через фактическую геометрию режущей части инструмента, которая зависит от параметров формируемого нароста.

Анализ микрофотографий застойных зон, полученный в широком диапазоне изменения условий резания, позволяет сделать некоторые обобщения.

1.Нитридотитановое покрытие уменьшает параметры нароста (высоту и длину подошвы ), значительно сужает диапазон скоростей устойчивого наростообразования (рис. 4.5). Скорость, при которой образуется нарост максимальной высоты, смещается в область более высоких значений.

2.С ростом толщины среза влияние покрытия на параметры нароста значительно возрастает (рис. 4.5); для тонких срезов это влияние незначительно.



Рис. 4.5 Влияние скорости резания () на высоту нароста при свободном продольном точении сплава Д16.Т. (НВ120): ВК6; VCGX; 1-; 2-; 3-; -диапазон скоростей резания с образованием нароста; -смещение.

С целью установления влияния высоты нароста на фактическое значение переднего угла был проведен анализ микрофотографий контактной зоны, полученных при различных значениях толщины среза. Данные исследований представлены в табл.4.4.

Таблица 4.4 Среднее значение отношения в зависимости от скорости резания при разных значениях толщины среза . Свободное точение Д16.Т. (НВ120) при

	Среднее значение отношения при ,
	0.215	0.105	0.035	0.215	0.105	0.035
1	2	3	4	5	6	7
	Пластинка ВК6	Пластинка VCGX
10	0.40	0.58	0.45	0.18	0.50	0.22
15	0.50	0.60	0.50	0.20	0.50	0.38
20	0.58	0.62	0.50	0.28	0.58	0.50
30	0.13	0.70	0.45	0.30	0.60	0.42
40	0.18	0.76	0.42	0.18	0.62	0.38
50	0.17	0.62	0.40	0.10	0.50	0.38
60	0.16	0.39	0.40	0.10	0.37	0.37
80	0.16	0.26	0.38	0.10	0.17	0.30
100	0.13	0.20	0.38	0.10	0.17	0.30

Известно, что отношение к определяет значение фактического переднего угла, от которого зависят многие процессы в зоне стружкообразования. С ростом отношения фактический передний угол увеличивается. Покрытие TiN значительно снижает отношение , особенно для больших значений толщин среза, что свидетельствует о снижении влияния геометрии нароста на характеристики процесса резания для инструментов с покрытием.

Установлено, что микротвердость нароста для твердосплавных инструментов с покрытием такая же, как и для инструментов без покрытия. Однако форма нароста для инструмента с покрытием свидетельствует о его худшей сопротивляемости разрушению в условиях больших касательных напряжений, которые возникают у инструмента с покрытием из-за меньших значений его фактического переднего угла. Низкая адгезия материалов нароста и покрытия хорошо объясняет тенденцию к снижению устойчивости наростообразования для инструментов с покрытием.

Проведены также исследования по установлению взаимного влияния покрытия и величины переднего угла на наростообразование. Результаты этих исследований представлены в табл.4.5.

Таблица 4.5 Среднее значение отношения в зависимости от переднего угла при точении Д16.Т. (НВ120) при ()

Инструментальный материал	Среднее значение при переднем угле
	0	12	28	36	44	50
1	2	3	4	5	6	7
ВК6	0.7	0.56	0.44	0.22	0	0
VCGX	0.4	0.34	0.22	0*	0	0

Для экспериментов была изготовлена партия пластинок ВК6, имеющих различную заточку передней поверхности. При механическом закреплении в специальной державке указанные пластинки обеспечивали следующее значение переднего угла:0, 12, 28, 36, 44, 50°. Пластины были разделены на партии, одна часть из которых представляла контрольную группу, на которую были нанесены нитридотитановые покрытия толщиной около 5 .

Образцы контактной зоны получены при постоянных толщине среза и скорости резания ,т.е. в условиях, обеспечивающих при значениях угла устойчивый нарост постоянной высоты. В результате проведенных исследований установлено, что покрытие значительно уменьшает предельное значение положительного переднего угла, при котором возможно образование нароста. В частности, высота нароста значительно уменьшается с увеличением переднего угла от 0 до , причем для инструмента с покрытием при нарост уже практически не образуется, в то же время как для пластинок ВК6 без покрытия . Покрытие особенно снижает параметры нароста и по мере уменьшения переднего угла. Указанное свидетельствует о возможности установления такого сочетания свойств покрытия и значения переднего угла инструмента, при которых контактные процессы для твердосплавных инструментов с покрытием и без покрытия будут протекать в аналогичных условиях и приведут к образованию наростов, имеющих одинаковую геометрию. Это особенно важно для работы инструмента с покрытием в условиях, при которых нарост играет положительную роль, в частности при черновой обработке с большими толщинами среза. В этих условиях устойчивый нарост повышает работоспособность инструмента в результате роста фактического переднего угла и защиты контактных площадок инструмента от изнашивания.

Однако возможно и такое сочетание свойств покрытия и величины переднего угла, при которых появление нароста будет исключено при любых условиях процесса резания. Это обстоятельство чрезвычайно важно, когда инструмент используют для чистовых операций.

Снижение прочности сцепления материалов нароста и покрытия должно снизить устойчивость процесса наростообразования. Для подтверждения этого проводили анализ значительного количества микрошлифов образцов с зафиксированными застойными зонами. Результаты исследований полностью подтвердили предположение о неустойчивом наростообразовании для инструментов с покрытием, особенно при резании с увеличенными толщинами среза, а также при использовании инструмента с передними углами более . Это положение было также подтверждено исследованиями параметров виброакустического сигнала при резании Д16.Т. пластинками ВК6 с покрытием и без покрытий. В диапазоне скоростей активного наростообразования () частота и амплитуда виброакустического сигнала для пластинок с покрытием значительно возрастает (до 30%), в то время как при резании на скоростях свыше (зафиксировано полное отсутствие нароста) пластинки с покрытием имели уровень виброакустического сигнала на 20-40% ниже (по амплитуде и частоте).

Очевидно, что неустойчивость процесса наростообразования для твердосплавных инструментов с покрытием неблагоприятно влияет на их работоспособность ввиду плохой сопротивляемости разрушению хрупких монослойных покрытий.

Для выяснения характера разрушения покрытий различной толщины в этих условиях непосредственно в зоне подошвы нароста были проведены исследования с использованием электронно-сканирующего микроскопа. Из пластинки ВК6, имеющей определенное время наработки (), приготовляли образцы с полностью сохраненным покрытием на контактных площадках, с которых удаляли остатки нароста. Режимы резания при этом были: . Через этот короткий промежуток времени относительно толстый слой TiN (порядка ) практически полностью покрыт сеткой хрупких трещин непосредственно под наростом. Такое покрытие в дальнейшем не способно выполнять свои «функции», и его влияние на работоспособность твердосплавного инструмента будет незначительным. Кроме того, стохастический характер хрупкого разрушения покрытия за счет развития магистральной трещины и ее ветвления может привести к сильному увеличению разбросов стойкости и, таким образом, снизить надежность инструмента.

Указанный процесс трещинообразования наблюдается и для покрытий TiN меньшей толщины, однако интенсивность этого процесса заметно снижается. Для покрытий толщиной порядка процесс трещинообразования проявляется незначительно. Однако тонкие покрытия плохо сопротивляются элементарным актам абразивного изнашивания. В указанных условиях наиболее удовлетворительно работают покрытия толщиной порядка , при которых обеспечивается максимальное повышение стойкости.

На основе анализа фрактограмм хрупкого разрушения монослойных покрытий и рентгеноструктурных исследований можно объяснить причины роста склонности монослойных нитридотитановых покрытий к хрупкому разрушению при развитии магистральной трещины и ее ветвления по мере роста толщины.

В условиях неустойчивого наростообразования контактные площадки инструмента с покрытием подвергаются воздействию знакопеременных напряжений имеющих большую амплитуду и частоту колебаний. В этом случае большое значение имеет способность покрытия сопротивляться усталости и развитию хрупких трещин. С увеличением толщины покрытия наряду с ростом его хрупкости, возрастает также количество различных дефектов покрытия. Эти дефекты действуют в большем объеме, что приводит к увеличению вероятности появления опасного дефекта, приводящего к разрушению. Немаловажную роль играет сильное отличие свойств покрытия и твердого сплава, особенно модулей упругости и сдвига , коэффициента Пуассона. С увеличением толщины покрытия () возрастают сжимающие остаточные напряжения, которые могут достигать . Если учесть, что на границе раздела покрытие - твердосплавная матрица эти напряжения возрастают, то становится очевидной большая вероятность возникновения на границе раздела первичной хрупкой трещины, ее распространения по объему покрытия и выхода на свободную поверхность. При высоком уровне напряжений сжатия, действующих в объеме покрытия, выход трещины на поверхность приводит к «краевым эффектам» и изгибу локального объема покрытия. Для повышения работоспособности твердосплавного инструмента с покрытием в условиях наростообразования необходимо:

1) создание покрытий гетерогенного типа, значительно лучше сопротивляющихся хрупкому разрушению в условиях магистральных трещин;

2) создание условий, стабилизирующих наростообразование или исключающих этот процесс;

3) создание промежуточного слоя между покрытием и твердосплавной матрицей, сглаживающего резкое отличие их свойств, а также повышающего сопротивляемость твердосплавной матрицы термопластическому деформированию;

4) создание многослойных композиционных покрытий, отвечающих требованиям «третьей» среды, т.е. имеющих в своем составе слои, соответствующие свойствам твердосплавной матрицы, и слои обеспечивающие высокую сопротивляемость износу в условиях знакопеременных напряжений и адгезионно-усталостных процессов.

Покрытие Ti(C,N)+Al2O3+TiN, нанесенное на пластину из твердого сплава VCGX фирмы САНДВИК-МКТС полностью отвечает этим требованиям.

Резюмируя данные по исследованию влияния покрытия на процесс наростообразования, можно сделать важные практические выводы.

1. Роль покрытия как фактора, снижающего внешнее трение, в условиях наростообразования существенно нивелируется и проявляется главным образом в формировании фактической геометрии инструмента, которая и оказывает влияние на контактные характеристики процесса резания.

2. Покрытие существенно снижает параметры нароста-его высоту и длину подошвы во всем диапазоне исследованных условий процесса резания, уменьшает величину фактического переднего угла, причем эта тенденция возрастает по мере увеличения толщины покрытия и снижения значения переднего угла.

3. Покрытие уменьшает диапазон скоростей резания, при которых формируется нарост. Во всем диапазоне исследованных условий процесса резания твердосплавными пластинками с нитридотитановым покрытием происходит неустойчивое наростообразование. Оно сопровождается повышенным уровнем вибраций, действием знакопеременных напряжений на локальные объемы покрытия, непосредственно прилегающие к подошве нароста.

4.3 Формирование поверхностного слоя деталей инструментом с покрытием