Різальний інструмент з покриттям

Реферат: Різальний інструмент з покриттям містить робочу частину з полікристалічного надтвердого матеріалу (ПНТМ) на основі кубічного нітриду бору (cBN) і зносостійке іонно-плазмове покриття. UA 86915 U (12) UA 86915 U Зносостійке іонно-плазмове покриття виконане з нітриду бору (BN) у аморфному або аморфнокристалічному стані. UA 86915 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до різального інструмента, на робочу поверхню якого нанесено зносостійке покриття. Інструмент оснащений полікристалічними надтвердими матеріалами (ПНТМ) на основі кубічного нітриду бору (cBN) і може бути застосований в інструментальному виробництві та металообробці. В інструментальному виробництві існує проблема обробки важкооброблюваних матеріалів загартованих сталей, вибілених та легованих чавунів тощо, яка потребує швидкостей, вищих за 1,0-1,5 м/с. Під час роботи з високими швидкостями різання в зоні обробки зазначених матеріалів досягається температура >1000 °С, що призводить до необхідності використовувати різальний інструмент із матеріалів, які витримують таку температуру, наприклад з ПНТМ на основі cBN. Проте, враховуючи значну вартість інструментів з ПНТМ на основі cBN, вони потребують розробки ефективних шляхів підвищення працездатності, які засновані на керуванні механікою і фізико-хімією контактної взаємодії інструменту та оброблюваного матеріалу. Таким підходом є створення на інструменті захисного PVD-покриття, яке перерозподіляє напруження на поверхнях різального інструменту, змінює коефіцієнт тертя і, як наслідок, силу і температуру різання. Є відомим різальний інструмент з тришаровим покриттям, котрий містить інструментальну основу з твердого сплаву і зносостійке іонно-плазмове покриття, в якому проміжний шар виконано з нітриду титану, який відрізняється тим, що верхній шар покриття виконано з оксиду алюмінію, а нижній його шар - з титану (Різальний інструмент з тришаровим покриттям /М.О. Азаренков, В.М. Береснєв, С.А. Клименко та ін. //Патент України № 89923, бюл. "Промислова власність". - 2010. - № 5). Основним недоліком такого покриття, є високий ступінь залишкових напружень, які виникають в процесі його формування, і які обумовлені двома факторами - невідповідністю коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів покриття та основи, на якому воно сформовано, а також дефектністю структури самого покриття. Як відомо, залишкові напруження від дії цих факторів співвідносяться як (0,28-0,32) до (0,68-0,72). Значний рівень залишкових напружень, що мають місце у покритті, обумовлює пониження властивостей різального інструменту з покриттям щодо можливостей опору напруженням, які діють під час використання інструменту у процесі обробки. Найбільш близьким за сукупністю ознак до корисної моделі, що заявляється, є різальний інструмент з двошаровим нанокристалічним покриттям, що містить інструментальну основу з твердого сплаву і зносостійке іонно-плазмове покриття товщиною 6,0 мкм, яке відрізняється тим, що зносостійке іонно-плазмове покриття виконане у вигляді нижнього шару покриття, нанесеного безпосередньо на поверхню інструментальної основи товщиною 0,5 мкм, із титану і верхнього зовнішнього шару покриття із нанокристалічних нітридів титану, гафнію та нанокристалічного або аморфного нітриду кремнію. (Різальний інструмент з двошаровим нанокристалічним покриттям /М.О. Азаренков, В.М. Береснєв, С.А. Клименко та ін. //Патент України № 96908, бюл. "Промислова власність". - 2011. - № 23). Основним недоліком такого покриття є також високий ступінь залишкових напружень, що обумовлює пониження властивостей різального інструменту з покриттям щодо можливостей опору напруженням, які діють під час використання інструменту у процесі обробки. Відоме покриття на різальному інструменті має недостатньо високу стійкість до утворення тріщин, а також міцність зчеплення його з поверхнею різальної пластини з ПНТМ на основі cBN і шарів покриття між собою, в результаті чого на етапі припрацювання різальний інструмент руйнується внаслідок процесів утворення тріщин в його поверхневих шарах, на етапі сталої роботи має підвищену швидкість зношування і втрачає працездатність за малий період часу. Різальний інструмент з відомим покриттям не дозволяє обробляти загартовані сталі зі швидкостями >1,0-1,5 м/с, що не забезпечує продуктивність процесу різання при обробці виробів з важкооброблюваних матеріалів. Це пов'язане з досить високим рівнем тертя на робочих поверхнях інструменту в діапазоні термобаричного навантаження, яке відповідає високій працездатності інструменту та забезпечує отримання потрібної якості обробленої поверхні. В основу корисної моделі поставлено задачу створення різального інструменту з покриттям, яке б розширило номенклатуру оброблюваних матеріалів та підвищило продуктивність обробки за рахунок зниження рівня залишкових напружень в поверхневому шарі інструменту, а також зменшення температури на контактних ділянках інструменту в наслідок пониження коефіцієнту тертя. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються, та технічним результатом полягає у наступному. 1 UA 86915 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Для вирішення поставленої задачі створено різальний інструмент, оснащений ПНТМ на основі cBN з покриттям, яке являє собою нітрид бору (BN) у аморфному або аморфнокристалічному стані (твердість по Кнупу 17 ГПа, модуль Юнга 220 ГПа). Як відомо, матеріали в аморфному або аморфно-кристалічному стані, за рахунок одночасної наявності високої твердості та пластичності, характеризуються підвищеними триботехнічними властивостями. Інструментальна основа різального інструменту оснащена ПНТМ на основі cBN. Технічний результат при використанні запропонованого інструменту з покриттям з аморфною структурою досягається за рахунок того, що на поверхнях контакту інструменту із стружкою і виробом, який обробляється, знижуються температури у зв'язку із зменшенням коефіцієнта тертя. Зменшення рівня залишкових напружень в покритті має місце у зв'язку з тим, що саме покриття та інструментальна основа, на якій воно формується, близькі за хімічним складом, а структура покриття є аморфною. Перше призводить до зниження рівня залишкових напружень, за які відповідає різниця величин коефіцієнтів термічного розширення компонентів в композиті покриття-основа, друге пов'язане з відносною однорідністю матеріалу покриття. Наявність покриття на робочих поверхнях інструменту призводить до перерозподілу напружень, які формуються в інструменті при його навантаженні силами різання - нормальні і дотичні напруження на передній та задній поверхнях інструменту знижуються у зв'язку з мінімізацією тертя. Зниження напруг в різальному інструменті пов'язано зі зменшенням залишкових напружень в покритті та зменшенням напруг, які обумовлені термобаричним навантаження в процесі різання, особливо, на етапі припрацювання, сприяє підвищенню надійності експлуатації інструменту в умовах динамічного навантаження. У подальшому це сприяє підвищенню загальної стійкості інструменту та дозволяє збільшити продуктивність обробки за рахунок росту режимів різання. Приклад конкретної реалізації корисної моделі. Покриття формувалось способом вакуумно-дугового осадження на установці, яка оснащена двома магнетронами та автономним джерелом живлення магнетронної системи. Вакуумна камера мала вид бочки (діаметр ~750 мм, об'єм ~96 л), яка виготовлена зі стали 12X18Н9Т. Система відкачування створює і підтримує вакуум в робочому об'ємі установки. Відкачування вакуумної камери виконувалось за допомогою форвакуумного і високовакуумного насосів. Як робочий газ використовувався аргон. Покриття системи BN було створено шляхом розпилення мішені з гексагонального BN. Як основа різальної пластини використано зразки з ПНТМ на основі cBN марки «борсиніт» (твердість 36-40 ГПа). Пластини, що напилювалися, були встановлені на підложці, яка находилась зверху на відстані 60 мм від поверхні мішені. Іонна чистка поверхні перед нанесенням покриття виконувалась ВЧ-розрядом - 1 година при -2 -1 напрузі 800 В і тиску 210 Па. Осадження виконувалось при тиску аргону РАr=210 Па, струмі 2,0 А, напруга в розряді 500 В, час осадження - 35 хвилин. Зразки, що оброблялись, знаходилися під потенціалом землі. Товщина сформованого покриття ~6,0 мкм. Твердість и модуль Юнга покриття оцінювали методом алмазного індентування на твердомірі ТК-2М. На Фіг. 1 наведено рентгенограма зразка з покриттям (1 - покриття, 2 -основа). Широке гало на рентгенограмі свідчить про аморфний стан матеріалу покриття або його аморфнокристалічний стан у значному ступені аморфізації. Розрахунки розміру області упорядкування підтверджують це ~ Rm=1 нм. Опробування працездатності інструменту із покриттям виконано при обробці загартованих сталей ХВГ (60 HRC) і ШХ15 (60 HRC) на токарно-гвинторізному верстаті ФТ11. Інструмент був оснащеній різальними пластинами RNMN 070300 без покриття і з покриттям. Результати досліджень наведені на Фіг. 2, а саме наведені залежності швидкості зношування інструментів від швидкості різання на при точінні загартованих сталей ХВГ (а) і ШХ15 (б). Як випливає з наведених результатів, різальні інструменті, оснащені ПНТМ на основі cBN з захисним покриттям, згідно з корисної моделлю, що заявляється (3), мають при точінні загартованих сталей більшу стійкість ніж різальні інструменти, оснащені ПНТМ на основі cBN з покриттям, згідно з прототипом (2), а також ПНТМ на основі cBN без покриття (1). У першому випадку стійкість інструменту зростає в 1,2-1,65 рази, у другому - в 1,5-2,1 рази. Крім того більша ефективність інструменту має місце при роботі з більш високими швидкостями різання, що дозволяє підвищити продуктивність процесу обробки. 2 UA 86915 U Таким чином, запропонований різальний інструмент з покриттям, яке виконане з нітриду бору (BN) у аморфному або аморфно-кристалічному стані, за рахунок високої зносостійкості покриття, має більшу працездатність порівняно з інструментом без покриття і з покриттям, відповідно до прототипу. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Різальний інструмент з покриттям, що містить робочу частину з полікристалічного надтвердого матеріалу (ПНТМ) на основі кубічного нітриду бору (cBN) і зносостійке іонно-плазмове покриття, який відрізняється тим, що зносостійке іонно-плазмове покриття виконане з нітриду бору (BN) у аморфному або аморфно-кристалічному стані. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3