Конструкторская часть Современный режущий инструмент

Современное автоматизированное машиностроительное производство все в большей степени использует ресурсосберегающие, экологически чистые технологии, позволяющие не только увеличивать производительность обработки резанием, но и обеспечивать высокую гибкость производственных процессов. В механообрабатывающем производстве все в большей степени проявляются тенденции отказа от применения высокотоксичных жидких, газовых и твердых технологических сред, в значительной степени способствующих загрязнению окружающей среды. Вместе с тем широкое применение высокопроизводительного, дорогостоящего автоматизированного станочного оборудования требует интенсификации процессов обработки резанием, что приводит к резкому увеличению термомеханических нагрузок на инструмент, станок и обрабатываемую поверхность заготовки. В этой связи надежность режущего инструмента, его возможности интенсифицировать процесс резания при отсутствии смазочно-охлаждающих эффектов технологических сред определяют способность механообрабатывающего производства функционировать при оптимальных экономических показателях.

Повышение надежности и режущих свойств инструмента в мировой практике связано с разработкой новых композиций инструментальных материалов повышенной износостойкости и прочности, применением новых конструкций режущей части инструмента с оптимальным сочетанием геометрических параметров, надежными методами крепления режущих элементов и эффективными устройствами для дробления и ломания стружки. Все большее применение получают методы поверхностной модификации свойств инструментального материала: механические, физические и физико-химические методы упрочнения, химико-термическая обработка. Однако применение традиционных методов создания новых марок инструментальных материалов все более ограниченно из-за дефицитности рядя элементов, традиционно применяемых для этих целей, а использование механических, физических и химико-термических методов не нашло широкого промышленного использования вследствие низкой избирательной способности поверхностного воздействия на структуры инструментального материала.

Для повышения надежности режущего инструмента все большее промышленное применение, особенно в условиях резания без применения смазочно-охлаждающих технологических сред, находят методы нанесения износостойких покрытий. Такие методы позволяют создать принципиально новый инструментальный материал композиционного типа с оптимальным сочетанием свойств поверхностного слоя и свойств, проявляющихся в объеме геометрического тела инструмента.

Выбор состава, свойств и оптимизация условий получения износостойких покрытий для повышения режущих свойств и надежности инструмента требуют детального изучения физико-химических и механических процессов, определяющих характер и закономерности отказов режущего инструмента. Свойства композиции "покрытие-инструментальный материал" могут заметно отличаться от свойств исходного инструментального материала, а эксплуатация такого инструмента приводит к заметной трансформации процессов, влияющих на отказы режущего инструмента. Указанное относится, например, к контактным характеристикам процесса резания. В частности, покрытие заметно снижает работу трения на контактных площадках передней и задней поверхностей инструмента, при этом повышается вероятность роста нормальных контактных напряжений особенно со стороны передней поверхности при сохранении контактных напряжений со стороны задней поверхности и касательных напряжений со стороны передней поверхности. Это резко увеличивает вероятность снижения пластической прочности режущего инструмента, может являться причиной потери пластической формоустойчивости режущей части инструмента и последующего вязкого (пластического) разрушения последней. В этой связи многие отечественные и зарубежные исследователи трибологических систем "инструментальный материал с покрытием - обрабатываемый материал" отмечают повышенную склонность к потере формоустойчивости режущего инструмента с различными покрытиями. Особенно указанная тенденция возрастает при резании с повышенными сечениями среза (черновые операции резания) и резании труднообрабатываемых материалов т.е. при обработке с повышенным уровнем термомеханического нагружения режущей части инструмента.

Таким образом, при разработке новых типов износостойких покрытий для режущего инструмента с целью повышения его надежности и увеличения эффективности обработки резанием следует учитывать не только состав, свойства и условия получения покрытий, но необходима разработка методики и принципов увеличения сопротивляемости инструментального материала (субстрата) пластическому разрушению в условиях повышенных термомеханических нагрузок, возникающих при резании инструментом с покрытием, с целью компенсации возрастающих нормальных контактных напряжений со стороны передней поверхности инструмента .

Результаты анализа природы отказов инструмента с покрытием были использованы для разработки принципов, методики, оборудования и технологии нового метода комплексного воздействия на поверхностные свойства инструментального материала. Такое воздействие было названо комплексной ионно-плазменной поверхностной обработкой режущего инструмента. Комплексная поверхностная обработка инструментального материала позволяет формировать на рабочих поверхностях инструмента не только износостойкие покрытия различного состава и конструкции, но и получать диффузионный термостабильный слой, который дает возможность демпфировать возрастающие нормальные напряжения и скомпенсировать повышенные температурные нагрузки.