Особливості точіння покриттів з аморфно-кристалічною структурою

У літературі вкрай обмежена кількість робіт, пов’язаних із механічною обробкою газотермічних ПАКС. При цьому особливо відзначається, що виконання умови збереження вихідного вмісту аморфної фази в покриттях веде до значного зменшення продуктивності процесу обробки, зокрема, шліфування. У наукових працях недостатньо досліджені можливості використання ряду технологічних операцій, зокрема, процесу точіння, якість поверхні деталей з ПАКС, відсутні відомості про точність обробки таких деталей. У цілому, відомості про обробку ПАКС носять несистемний характер, в них не простежується взаємозв’язок структури і властивостей матеріалу з його подальшою механічною обробкою.

Аналіз наукових робіт, які стосуються механічної обробки покриттів свідчить про те, що однією з головних причин, які перешкоджають отриманню у процесі механічної обробки такого стану покриття, який вимагається умовами експлуатації виробу, є неоднорідність напиленого матеріалу. Питання впливу характеристик неоднорідності оброблюваного матеріалу на вихідні параметри процесу різання на сьогодні залишається недостатньо вивченим, хоча є ключовим при призначенні технології обробки покриттів. Практично відсутні розрахункові методики визначення температурно-силових закономірностей процесу різання покриттів, механіки та фізико-хімії зношування інструменту, які враховують гетерогенність оброблюваного матеріалу і дефектність поверхневого шару виробів.

Відсутність обґрунтованих рекомендацій призводить до неправильного вибору технології обробки покриттів, призначення режимів різання і ріжучого інструменту і, як наслідок, до економічних втрат.

Поява нових матеріалів захисних покриттів, зокрема, економноглегованих порошкових матеріалів на основі заліза, які схильні до аморфізації в умовах напилювання, вимагає вдосконалювання технологій їх обробки, що обумовлює необхідність проведення подальших досліджень.

У другому розділі обґрунтовано вибір методик проведення досліджень, наведено характеристики досліджуваних покриттів, обладнання та інструмент для лезової обробки.

Об’єктом дослідження були покриття, що наносились за технологіями газотермічного напилювання, які дозволяють формувати матеріал з аморфною структурою. Покриття товщиною 1…1, 6 мм напилювались на сталь 45 газополуменевим та електродуговим методами із застосуванням порошків і порошкових дротів, склад яких відповідає евтектичним системам типу Fe-B, Fe-Si-B, Fe-Cr-B. Твердість покриттів становить 52…58 HRC.

Для дослідження процесу точіння покриттів використовувався інструмент з непереточуваними багатогранними пластинами з киборита – полікристалічного надтвердого матеріалу (ПНТМ) на основі кубічного нітриду бора (КНБ).

Дослідження структури оброблюваного матеріалу проводились з використанням положень фрактального формалізму. В якості кількісної характеристики структури і властивостей покриттів прийнята величина фрактальної розмірності сукупності механічних властивостей матеріалу Ds. Для її визначення на спеціальному пристрої для проведення склерометричних досліджень здійснювалося сканування нормально навантаженим індентором у режимі пружно-пластичного деформування та знімалась трибограма, яка охоплює сукупність значень тангенційної складової сили опору P руху індентора, що коливається у режимі примусових коливань. Розподіл ординат трибограми є функцією механічних властивостей матеріалу, особливостей його структури і дефектності.

Значення фрактальної розмірності Ds визначались по трибограмах клітковим методом, а для її розрахунку на ЕОМ розроблена спеціальна програма «Fractal analysis».

Температура різання оцінювалась за результатами екстраполяції на вершину різця температур нагріву двох точок, експериментально отриманих за допомогою хромель-копелевих термопар у місцях їх контакту з опорною поверхнею ріжучої пластини.

Дослідження структури та фазового складу покриттів проводилися металографічним, рентгеноструктурним, рентгеноспектральним методами, методом електронної мікроскопії. Вміст аморфної фази у разі аморфно-кристалічної структури покриттів визначався за методикою Б. К. Ванштейна.

Оцінка параметрів шорсткості поверхні покриттів після обробки проводилась з використанням профілограф-профілометра «Talysurf-5» фірми Renk Taylor-Hobson (Великобританія).

Загальний вигляд зношених інструментів, хімічний склад напилених покриттів та продуктів взаємодії досліджувались на растровому електронному мікроскопі «Camskan – 4DV» (Великобританія) із приставкою для енерго-дисперсного рентгеноспектрального аналізу «Link-860».

Під час проведення дослідів умови процесу різання та геометричні параметри ріжучого інструменту варіювались у діапазонах: v = 0, 5…3, 0 м/с; S = 0, 01…0, 3 мм/об; t = 0, 05…0, 6 мм; передній кут  = 0…-20; задні кути  = 1 = 10; головний кут в плані  = 30…60; допоміжний кут в плані 1 = 15.

У третьому розділі запропоновано новий підхід до оцінки оброблюваності різанням неоднорідних матеріалів, зокрема, напилених покриттів.

Використання традиційних розрахунково-аналітичного методу визначення величини оптимального припуску на обробку не дозволяє врахувати специфіки методів та умов нанесення конкретного виду покриття. Визначення характеру зміни мікротвердості, вмісту аморфної фази, шорсткості обробленої поверхні на різній відстані від основи дозволило установити, що ПАКС характеризуються неоднаковими властивостями по перерізу. У залежності від їх товщини (H = 1…1, 6 мм) найбільш високими і стабільними властивостями характеризуються прошарки на рівні H = 0, 4…0, 8 мм від основи, які, як наслідок, будуть мати найкращі експлуатаційні характеристики. Тому величина припуску при точінні повинна вибиратись так, щоб з виробу видалявся найбільш дефектний матеріал і до обробленої поверхні прилягали найбільш тверді, міцні та однорідні шари покриття.

Дослідження особливостей мікроструктури оброблюваного матеріалу показали, що ПАКС, які формуються у процесі напилювання, у залежності від виду напилюваного матеріалу та умов напилювання мають різну структуру, але спільним для них є поєднання аморфної і кристалічної фаз, які мають відмінні механічні властивості, а також присутність декількох структурних складових, що обумовлює структурну неоднорідність напилених покриттів цього класу.

Використовуючи положення теорії фракталів, яка дозволяє охарактеризувати досліджуваний об’єкт параметрами, що не