Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Прогрессивное оборудование и технологии вакуумно-плазменной обработки металлообрабатывающего инструмента

Прогрессивное оборудование и технологии вакуумно-плазменной обработки металлообрабатывающего инструмента

Приводятся общие сведения о последних разработках ученых МГТУ "Станкин" в области технологий и оборудования для вакуумно-плазменной обработки. Подробно описан принцип действия и конструктивные особенности установок для комбинированной вакуумно-плазменной обработки с использованием нового источника, генерирующего в больших вакуумных объемах высокоионизированную плазму различного состава, рассмотрены вопросы нанесения покрытий на различные изделия с использованием управляемых планарных электродуговых испарителей и источников пучков быстрых нейтральных молекул. Представлены сведения о промышленной апробации разработок и достигнутых эффектах.

В последнее время широкое распространение в промышленности получили новые радикальные способы улучшения эксплуатационных свойств металлообрабатывающего инструмента, деталей машин и механизмов путем модификации их рабочих поверхностей высокоэнергетическими пучками и нанесения покрытий различного функционального назначения. Нанесением покрытий толщиной 3...50 мкм можно существенным образом изменить механические, магнитные, химические и другие свойства исходного материала и получить изделие с требуемым комплексом свойств.

В этом направлении Центром физико-технологических исследований, который является структурным подразделением МГТУ "Станкин", накоплен огромный опыт исследований и разработок. Основной областью практического применения полученных результатов является инструментальное производство. Применение вакуумно-плазменных технологий в технологическом процессе изготовления инструментов широкой номенклатуры позволяет существенно повысить их эксплуатационные показатели, от которых сильно зависят качество, точность, производительность и себестоимость изготовления машиностроительных изделий. За последние несколько лет в МГТУ "Станкин" был разработан и внедрен в отечественную промышленность целый ряд принципиально новых технологий и оборудования для вакуумно-плазменной обработки металлообрабатывающего инструмента [1].

Одной из последних разработок являются автоматизированные технологические комплексы для комбинированной вакуумно-плазменной обработки инструмента с использованием плазмы вакуумно-дугового разряда. Новый источник, позволяющий генерировать в больших вакуумных объемах высокоионизированную газовую и металлогазовую плазму различного состава, а также устройство электронного нагрева, позволяющее исключить проблему деградации рабочих поверхностей инструментов при их обработке, сделали конструкцию данного оборудования оригинальной.

Это оборудование (рис. 1) включает в себя вакуумную камеру 4, испаряемый катод вакуумно-дугового разряда 1, анод 2, а также специальную перемещаемую заслонку 3, которая делит вакуумную камеру на две зоны, заполненные металлогазовой плазмой (слева) и газовой плазмой (справа). В зависимости от положения заслонки могут быть реализованы различные варианты вакуумно-плазменной обработки инструмента. Когда заслонка закрыта, она не проницаема для микрокапель, нейтральных атомов 5 и ионов 6 металла, эмитируемых катодными пятнами на поверхности катода 1. Лишь электроны 7 проникают через нее, ионизуют по пути к аноду 2 подаваемый в камеру газ и таким путем образуют не содержащую металлических частиц газовую плазму. Погруженные в эту плазму инструменты можно нагреть электронами при подаче на них положительного потенциала. При подаче отрицательного потенциала можно их азотировать, если подается азот, или травить ионами аргона, если подается аргон.

Рис. 1. Принципиальная схема оборудования для комбинированной
вакуумно-плазменной обработки металлообрабатывающего инструмента

При открытом положении заслонки 3 частицы материала катода поступают на поверхность инструментов, где происходит синтез износостойких покрытий, представляющих собой соединения на основе нитридов, карбидов или карбонитридов тугоплавких металлов типа TiN, TiCN, (Ti, Cr)N, (Ti, Al)N, (Ti, Nb)N и др. Все описанные процессы могут применяться как самостоятельно, так и в комбинации друг с другом в одном технологическом цикле.

Особенно эффективной для повышения износостойкости металлообрабатывающего инструмента является комбинированная вакуумно-плазменная обработка, включающая предварительное азотирование инструмента и последующее нанесение на него износостойких покрытий (рис. 2). Как показывает практика, вследствие неизменности свойств покрытия в пределах одного слоя, на границе с инструментальной основой происходит резкое изменение физико-механических и теплофизических свойств (в первую очередь модуля упругости и коэффициента термического расширения), приводящее к образованию в покрытии высоких остаточных напряжений и, как следствие, к снижению прочности адгезионной связи покрытия с основой, которая является наиболее важным условием успешной эксплуатации инструмента с износостойким покрытием. Практика показывает, что низкая прочность адгезионной связи обязательно приводит к отслоению покрытия в процессе резания и не обеспечивает ожидаемого увеличения стойкости инструмента. Формирование переходного слоя ионным азотированием позволяет существенно снизить уровень остаточных напряжений в покрытии и увеличить прочность его адгезионной связи с инструментальной основой [2].

Рис. 2. Структура поверхностного слоя металлообрабатывающего инструмента из быстрорежущей стали
P6M5 после комбинированной вакуумно-плазменной обработки

Для возможности проведения различных видов вакуумно-плазменной обработки в автоматическом режиме оборудование оснащено системой контроля и управления на базе персонального компьютера. Разработанная система управления обладает важной для пользователей программно-управляемых технологических машин функцией переналадки системных алгоритмов работы и графических интерфейсов в процессе эксплуатации системы управления, реализующей модель открытой системы управления.

Производственные испытания инструментов из быстрорежущих сталей, прошедших комбинированную вакуум но-плазме иную обработку по описанной схеме, показывают увеличение стойкости инструмента до 3—6 раз при обработке конструкционных материалов и до 1,5—3 раз при обработке труднообрабатываемых материалов по сравнению с исходным инструментом. Такие высокие показатели обусловлены оптимальным сочетанием поверхностных (высоких значений твердости, теплостойкости, пассивности по отношению к обрабатываемому материалу и т.д.) и объемных (достаточно высокой прочности при изгибе, ударной вязкости, трещиностойкости и т.д.) свойств инструмента.

Различные модификации описанного оборудования внедрены и успешно используются в инструментальных производствах АО "Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение", ОАО "АВТОВАЗ" и "Foshan Shunde Strong Metal Co. Ltd." (Китай).

Другой перспективной разработкой МГТУ "Станкин" являются управляемые планарные электродуговые испарители металлов и созданные на их базе образцы вакуумно-плазменного оборудования, предназначенные для нанесения высококачественных покрытий на крупногабаритные изделия, в первую очередь на длинномерный режущий инструмент.

Хорошо известно, что эффективность эксплуатации режущего инструмента с износостойким покрытием определяется не только стойкостью (временем работы инструмента до отказа), но и коэффициентом ее вариации. Значения коэффициента вариации стойкости для партии инструмента с износостойким покрытием сильно зависят от идентичности характеристик износостойкого покрытия на рабочих поверхностях всех инструментов партии. При нанесении покрытий на твердосплавные и быстрорежущие пластины, спиральные сверла небольшой длины обычно не возникает проблем с обеспечением идентичности свойств покрытий. При необходимости же нанесения покрытий на крупногабаритный инструмент (протяжки, крупномодульные червячные фрезы и др.) технологи сталкиваются с серьезной проблемой — наблюдается сильный разброс значений толщины покрытия по длине инструмента и на его рабочих поверхностях. Например, разброс значений толщины покрытий на различных участках длинномерных протяжек может достигать 80 %. Связано это с тем, что при нанесении покрытий на крупногабаритный инструмент в промышленности используются вакуумно-плазменные установки, имеющие шесть радиальных испарителей, симметрично расположенных по оси вакуумной камеры.

При этом максимальная толщина покрытий наблюдается на тех поверхностях, которые расположены перпендикулярно к оси плазменного потока. Для обеспечения равномерного нанесения покрытий на крупногабаритный инструмент был разработан и создан специальный управляемый планарный (длинномерный) источник плазмы (рис. 3). Оснащенная им экспериментальная вакуумно-плазменная установка показана на рис. 4.

Рис. 3. Принципиальная схема специального управляемого планарного источника плазмы
для равномерного нанесения покрытий на крупногабаритный инструмент

Разработанный управляемый испаритель состоит из катода 7, изготовленного из испаряемого материала, токоподводов 2 и устройства для определения текущего положения катодного пятна 6 на поверхности катода 7. Токоподводы соединены с противоположными концами катода и с управляющими переключателями 3. Управляющие переключатели соединены через индивидуальные активирующие элементы 4 с управляющим устройством 7 и с источником постоянного тока 5.

Рис. 4. Экспериментальная установка, оснащенная управляемым планарным испарителем

Основной особенностью разработанного источника плазмы является наличие датчика текущего положения дуговых катодных пятен, который позволяет перемещать их вдоль поверхности испарения длинномерного катода по любому необходимому временному закону. При этом скорость перемещения дуговых пятен очень высока, что уменьшает число и размер микрокапель в покрытии. Управление перемещением катодных пятен с помощью электрических сигналов является универсальным и не зависит от силы тока дуги и длины катода, которая может достигать 1 м и более [3].

Эксперименты, проведенные при нанесении покрытий с использованием длинномерного испарителя на шлицевые протяжки из быстрорежущей стали Р6М5 длиной 900 мм, показали, что разброс значений толщины покрытий на различных участках рабочей поверхности протяжек не превышает 10 %. На базе разработанного испарителя был создан образец промышленной вакуумно-плазменной установки, который в настоящее время проходит апробацию на ФГУП "Московском машиностроительном производственном предприятии "Салют".

Еще одним перспективным направлением научной деятельности МГТУ "Станкин" является разработка оборудования и технологий, основанных на обработке инструмента пучками быстрых нейтральных молекул. Источники пучков быстрых нейтральных молекул предназначены для однородного травления и нагрева в вакуумных камерах инструмента и других изделий из любых материалов, включая диэлектрики, перед нанесением покрытий, а также для ассистирования в процессе нанесения покрытия в целях увеличения его плотности и исключения образования столбчатой структуры и микротрещин.

Принцип действия разработанных источников заключается в следующем (рис. 5). Быстрые нейтральные молекулы 1, поступающие в рабочую вакуумную камеру 2 через выходную щель 3 камеры перезарядки 4, образуются в камере 4 в результате столкновений ускоренных ионов 5 с медленными молекулами газа 6. Молекулы 6 отдают свои электроны ускоренным ионам 5 и превращаются в медленные ионы 7. Они переносят положительные заряды в основном на стенки камеры перезарядки 4, на ускоряющую сетку 8 и лишь пренебрежимо малая их часть поступает в рабочую камеру 2 через щель 3. Ионы 5 сначала ускоряются в слое 9 между плазменным эмиттером 10 и сеткой 8, а затем замедляются во втором слое между сеткой 8 и синтезированной плазмой.

Рис. 5. Принципиальная схема источника пучка быстрых нейтральных молекул

Для промышленного использования в составе вакуумно-плазменных установок были разработаны три типа источников пучков:

  1. с круглым поперечным сечением диаметром 250 мм, энергией 10... 1000 эВ и силой тока 0,3...ЗА;
  2. прямоугольного сечения до 900x160 мм2 с энергией 200...4000 эВ и силой тока 0,2...2 А;
  3. аксиально-симметричные с цилиндрической сеткой диаметром 200 мм и длиной от 200 мм до 1000 мм. Они формируют распространяющиеся радиально пучки, обрабатывающие одновременно все установленные вокруг них изделия, с энергией 10...1000 эВ и током до 15 А.

Проведенные эксперименты показали высокую эффективность использования описанных источников для решения проблемы нанесения покрытий на диэлектрические изделия, например, на режущие пластины из оксидно-карбидной и нитридной керамики [4]. Необходимость применения источника пучка быстрых нейтральных молекул определяется тем, что керамика обладает низкой электропроводностью. Это делает подачу на нее отрицательного напряжения менее эффективной, чем на токопрово-дящие материалы (например, быстрорежущие стали и твердые сплавы). В результате этого распыление поверхности керамики при очистке происходит менее интенсивно, а при конденсации покрытия ввиду недостаточной активации поверхности могут формироваться покрытия низкой плотности и с невысокой прочностью адгезионной связи. В целях исключения этих проблем целесообразно использовать ускоренные частицы (быстрые нейтральные молекулы), которые охотно отдают свою кинетическую энергию приповерхностным атомам изделия и существенно повышают их подвижность. Это существенно повышает эффективность распыления диэлектрических материалов и активации поверхности перед нанесением покрытий.

Также в МГТУ "Станкин" был разработан опытный образец радиационно-безопасной газовой имплантационнои установки и технология низкотемпературной поверхностной модификации изделий пучком высокоэнергетичных ионов. Оборудование позволяет проводить поверхностную модификацию и легирование подложек из любых материалов без изменения исходных размеров обрабатываемых изделий и с успехом используется для снижения коэффициента трения узлов машин и приборов и повышения износостойкости металлообрабатывающего инструмента.

Кроме того, в течение последних нескольких лет особое внимание уделяется разработкам оборудования и технологий получения покрытий с алмазоподобной структурой, которые предназначены для нанесения покрытий на режущий и штамповый инструменты, узлы и пары трения. Алмазоподобные пленки имеют уникальный набор физико-механических свойств — высокую твердость, чрезвычайно низкий коэффициент сухого трения и химическую стабильность по отношению ко многим материалам. Например, использование штампов для глубокой вытяжки с алмазоподобными покрытиями при обработке цветных металлов и сплавов обеспечивает увеличение стойкости инструмента более чем в 10 раз по сравнению с неупрочненным.

Таким образом, к настоящему времени в МГТУ "Станкин" разработан широкий ассортимент прогрессивного оборудования и технологий вакуумно-плазменной обработки. Промышленное освоение описанных разработок на отечественных предприятиях позволило до 6 раз увеличить ресурс работы дорогостоящего инструмента, до 30 % снизить затраты, приходящиеся на него, до 15 % повысить точность и качество выпускаемых деталей, до 2 раз увеличить производительность их механической обработки, а также решить некоторые вопросы улучшения экологии и охраны труда, связанные с минимизацией или полным отказом от применения токсичных смазочно-охлаждающих жидкостей при механической обработке.

Литература

  1. Григорьев С.Н. Современное вакуумно-плазменное оборудование и технологии комбинированного упрочнения инструмента и деталей машин // Технология машиностроения.№ 3. 2004. С. 20-26.
  2. Григорьев С.Н. Технология вакуумно-плазменной поверхностной обработки для повышения стойкости торцовых фрез из быстрорежущих сталей // Гальванотехника и обработка поверхности. Том XII. Том № 2. Москва, 2004. С. 39-43.
  3. Григорьев С.Н., Горовой А.П., Кабанов А.В. Разработка технологии нанесения износостойких покрытий на длинномерные изделия с использованием планарного электродугового испарителя металлов // Научно-технический журнал "Наука Москвы и регионов". № 1. М, 2002. С. 75—76.
  4. Григорьев С.Н., Боровский В.Г. Разработка технологии нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент на основе минералокерамики и кубического нитрида бора //Обработка металлов. 2003. № 3 (20). С. 5-6.

С.Н.Григорьев, д-р техн. наук
Справочник. Инженерный журнал №8, 2005, стр. 42-45

Статьи партнеров