Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Выполнен комплекс исследований, направленных на решение задач, связанных с оценкой эффективности влияния на долговечность измененных электрофизических и теплофизических свойств поверхностного слоя рабочей части инструмента. При решении 1 задачи за основной показатель, отображающий электрофизические свойства, было принято электрическое сопротивление материала инструмента, за основной показатель, отображающий теплофизические свойства – термоЭДС. Измерение показателей проводилось на 30 сменных двусторонних ромбических твердосплавных пластинах с многослойным CVD-покрытием. Кроме этого измерялись: – микротвердость поверхностного слоя пластин с вычислением показателей, характеризующих физико-механические свойства поверхностного слоя: средней микротвердости и среднего уплотнения поверхностного слоя; – электрическое сопротивление поверхности пластин и ее стационарный потенциал, характеризующие электрохимические и химические свойства пластин. Также в зоне измерения микротвердости на автоэмиссионном сканирующем электронном микроскопе исследовалась морфология рельефа поверхности, и определялся элементный состав поверхностного слоя пластин. Решение 2 задачи выполнялось в несколько этапов. На первом этапе методами математического моделирования были исследованы плазменный разряд и распределение напряженности электрического поля в рабочей камере технологической установки. Материалы исследований позволили определить условия, обеспечивающие максимальное улучшение физико-механических и электрофизических свойств поверхностного слоя по результатам обработки пластин. На втором этапе было проведено исследование влияния на свойства пластин режимных параметров низкотемпературной плазменной обработки. Результаты показали, что: – наибольшее влияние режимные параметры оказали на изменение показателей электрофизических и физико-механических свойств, особенно давление в рабочей камере технологической установки, при котором происходило охлаждение пластин; – помимо процессов, формируемых значениями режимных параметров, на изменение свойств поверхностного слоя влияют процессы, формируемые параметрами, которые либо не связаны с режимными, либо связаны с ними опосредованно. К ним относятся электрические, оптические и тепловые процессы. В связи с этим на третьем этапе было исследовано поведение в ходе плазменной обработки параметров сигналов об этих процессах: тока в электрической цепи установки, интенсивности свечения плазмы и температуры в держателе пластины, который не подвергался воздействию плазмы – лаговой температуры. Результаты исследования показали, что процесс обработки может идти в двух режимах: стабильном и нестабильном. Появление нестабильности приводит к снижению скорости нагрева пластин и скорости их догрева после отключения плазмы. Основная причина заключается в процессах, протекающих в плазме и связанных либо с сохранением, либо с нарушением ее квазинейтральности. На четвертом этапе с помощью непараметрического корреляционного анализа, оценивалась связь показателей измененных свойств поверхностного слоя пластин между собой и устанавливалась степень влияния на них тепловых процессов. Кроме этого был принят во внимание разброс исходных значений показателей свойств поверхностного слоя. Наиболее значимыми стали следующие результаты оценки. 1. В наибольшей степени электрофизические свойства связаны с физико-механическими свойствами, что является закономерным, поскольку значения показателей свойств формируются с помощью единого механизма, связанного с перераспределением направлений распространения теплового потока в термодинамической системе «поверхность пластины – тело пластины» при изменении давления в рабочей камере технологической установки. 2. Наибольшее влияние на изменение значений показателей свойств оказывают количественные изменения в элементном составе поверхностного слоя. Это связано с изменением в ходе обработки пластин структуры слоев покрытия, состоящих из нитрида титана и нанесенного поверх него оксида алюминия. 3. Учет влияния разброса исходных значений показателей свойств делает статистически более значимой взаимосвязь показателей измененных свойств не только между собой, но и с параметрами процессов, сопровождающих низкотемпературную плазменную обработку. 4. Статистически достоверные взаимосвязи показателей свойств существуют, несмотря на то, что значения показателей получены в различных условиях проведения низкотемпературной плазменной обработки. Это означает, что данные взаимосвязи инвариантны к условиям обработки и позволяет считать их формирование ее фундаментальными результатами. В целом материалы решения 2 задачи показали, что даже обоснованные научно, условия, обеспечивающие целенаправленное формирование свойств поверхностного слоя рабочей части инструмента, в процессе плазменной обработки могут изменяться. Это определило целесообразность продолжения исследования, связанного с изучением процессов, протекающих в технологической установке. В основу исследования был положен эффект образования зонами ускорения и замедления плазменного разряда двойного слоя, обладающего диодными свойствами. Это позволило разработать схему возникновения диодного эффекта, проанализировать протекающие в установке физические процессы, уточнить условия, при которых режим горения плазменного разряда будет обеспечивать максимальное улучшение электрофизических свойств поверхностного слоя. Практическая реализация результатов решения 2 задачи была проведена в реальных производственных условиях на 2 пластинах из твердого сплава Т15К6 с однослойным покрытием TiN – обычной и обработанной в низкотемпературной плазме с увеличенным в 2 раза сопротивлением поверхностного слоя Результаты показали, что обработанная пластина обеспечила повышение в 4,5 раза периода стойкости. Повышение связано с изменением механизма контактного взаимодействия материала пластины с обрабатываемым материалом. В связи с этим в рамках решении 3 и 4 задач было проведено более детальное изучение этого взаимодействия в направлении обоснования возможности создания информационного канала о режущей способности инструмента с измененными свойствами поверхностного слоя. В ходе решения 3 задачи был выполнен комплекс исследований, связанных с изучением диффузионных и химических процессов при контактном взаимодействии пластин с обрабатываемым материалом. Принципиальные результаты исследований показали, что повышение при низкотемпературной плазменной обработке микротвердости, плотности поверхностного слоя и стабилизация режущей способности в процессе эксплуатации пластин обеспечили протекание диффузионных и химических процессов только на их рабочих поверхностях и в измененном (наноструктурированном) слое без затрагивания матрицы. Исследования в рамках решения 4 задачи, связанные с изучением свойств наноструктурированного режущего инструмента позволили установить следующее. 1. Теплофизические свойства пластин являются стабильными, поскольку, оцененные статистически по данным о коэффициенте теплопроводности, являются однородными и, следовательно, достоверными. 2. Электрофизические свойства пластин являются нестабильными, поскольку, оцененные статистически по данным об электрическом сопротивлении, являются неоднородными и, следовательно, обладающими низкой достоверностью. 3. Функциональная связь коэффициента теплопроводности и сопротивления с режущей способностью пластин статистически не подтвердилась, в связи с чем для целей оперативной диагностики целесообразно использовать термоЭДС пробного рабочего хода. В целом результаты выполнения работ по плану 2022 года позволяли сделать вывод о том, что научно обоснованное изменение показателей электрофизических свойств рабочей части металлорежущего инструмента при низкотемпературной плазменной обработке в процессе эксплуатации обеспечивает создание дополнительных условий для повышения не только производительности, но и надежности процесса механической обработки.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Выполнен комплекс исследований, связанных с изучением физических свойств и поведения структур поверхностного слоя рабочей части инструмента в ходе и по результатам низкотемпературной плазменной обработки, а также влияния свойств на его долговечность и обрабатываемость материалов резанием. Исследования проводились по следующим направлениям: – формирование концентрации точечных дефектов (внедренных частиц) в поверхностном слое и их взаимодействие с линейными дефектами кристаллической структуры; – формирование на поверхности центров адсорбции, их участие в накоплении и стоке поверхностных зарядов и влияние на электрофизические параметры; – исследование влияния измененных электрофизических свойств инструмента на его долговечность и обрабатываемость материалов резанием при лезвийной обработке; – исследование влияния измененных электрофизических свойств инструмента на его долговечность и обрабатываемость материалов резанием при высокоскоростной лезвийной обработке. Результаты исследований по первому направлению показали, что максимальное упрочнение поверхности имеет место вблизи режущих кромок инструмента, поскольку здесь происходит сгущение линий напряженности СВЧ поля и поверхностная плотность электрического заряда является максимальной, поэтому на единицу площади поверхности за единицу времени попадает наибольшее количество ускоряемых СВЧ полем высокоэнергичных электронов. Результатом становится более интенсивный разогрев, что приводит к более активному протеканию процесса термодиффузии заряженных частиц из плазмы в поверхностный слой, которые становятся там точечными дефектами, достижению высокой скорости роста толщины упрочненного слоя и существенному изменению его проводимости за счет увеличения электрического сопротивления. В ходе эксплуатации инструмента точечные дефекты становятся стопорами, на которых закрепляются линейные дефекты (краевые дислокации), движущиеся к поверхности в процессе пластических деформаций. Исследования по второму направлению выполнялись по результатам наноструктурирования 30 сменных многогранных твердосплавных пластин с многослойным CVD-покрытием фирмы «Korloy» (Южная Корея), используемых для чистовой обработки сталей групп «M» и «S». Сопротивление пластин «M» увеличилось, в среднем, в 1,3 раза, пластин «S», в среднем, в 1,2 раза. Анализ результатов наноструктурирования позволил определить число видов центров адсорбции, получить усредненные элементные составы поверхностного слоя (состоящего из углерода, алюминия, кислорода, титана и азота) в центрах, провести оценку связи элементов и их соединений с показателями электрофизических свойств (сопротивлением) пластин, изучить механизмы формирования центров и их участия в накоплении и стоке поверхностных зарядов в процессе плазменной обработки и определить условия для повышения значений сопротивления. Результаты изучения показали следующее. 1. Электрофизические свойства пластин определяются проводимостью покрытия, которая зависит от концентрации углерода, образующего на поверхности полимолекулярные пленки, толщины слоев покрытия и их соотношения, однородности структуры покрытия (рельефа и химсостава), вида и плотности распределения центров адсорбции и стока зарядов (которыми являются поры) на поверхности, физико-механических (объемных) свойств покрытия. 2. Условия для повышения значений показателей электрофизических свойств пластин в процессе воздействия плазмы: – создаются при оптимальном балансе поверхностных зарядов и зарядов в плазменном облаке и поляризации поверхностного слоя в электростатическом поле, формируемом подаваемым на слой потенциалом смещения; – изменяют как поверхностные (сглаживание микрорельефа), так и объемные (уплотнение) свойства покрытия, что приводит к изменению формы и количества пор, т.е. условий формирования центров адсорбции и, как следствие, условий стока поверхностных зарядов в них. Результатом воздействия становится снижение проводимости покрытия. Исследования по третьему направлению выполнялись в ходе стойкостных испытаний 30 наноструктурированных сменных многогранных твердосплавных пластин с многослойным CVD-покрытием фирмы Korloy (Южная Корея). Первой группой из 15 пластин осуществлялось продольное точение заготовок из стали 40Х13 (группа обрабатываемости «M»), второй группой из 15 пластин точение заготовок из стали 08Х21Н6М2Т (группа обрабатываемости «S»). Анализ исходного состояния пластин показал наличие дефектов как на поверхности, так и во внутренних элементах, препятствующих формированию связи между значениями электрического сопротивления и величиной термоЭДС пробного рабочего хода, являющейся эталонной мерой качества пластин. Тем не менее результаты испытаний позволили – установить, что влияние сопротивления на период стойкости (характеризующего долговечность пластин) является значимым, замедляя в условиях протекания сложных тепловых и деформационных процессов процесс изменения состояния режущего клина, который приводит к образованию фаски и лунки износа и потере, как следствие, работоспособности пластины; – определить условия, обеспечивающие повышение надежности и эффективности реализуемых с помощью инструмента с измененными электрофизическими свойствами технологических процессов лезвийной обработки металлов. Исследования по четвертому направлению выполнялись с использованием сменных многогранных твердосплавных пластин с многослойным CVD-покрытием фирм Sandvik Coromant (Швеция) и Korloy (Южная Корея). Материалы испытаний позволили установить, что применение такого инструмента при высокоскоростной лезвийной обработке возможно, поскольку, во-первых, период его стойкости не уступает периоду стойкости инструмента, специально предназначенного для высокоскоростного резания, во-вторых, он стабильно обеспечивает параметры шероховатости поверхности в пределах существующих нормативно-справочных значений. Помимо заявленных в плане работ на 2023 год были выполнены исследования, связанные: – с изучением возможностей оценки микрорельефа наноструктурированной поверхности инструмента, – с расширением областей практического применения технологий низкотемпературной плазменной обработки, в частности для наноструктурирования рабочих поверхностей инструмента, используемого при обработке неметаллических материалов, а также для обработки самих неметаллических материалов на основе оценки результативности подходов, направленных на повышение эффективности процесса низкотемпературной плазменной обработки. Материалы исследований показали следующее. 1. Микрорельеф наноструктурированной поверхности инструмента можно эффективно оценивать (в том числе количественно) по виду ее микрофотографии с использованием алгоритмов распознавания образов, основанных на обработке изображений и вычислении показателей, характеризующих их однородность. 2. Наилучшие результаты по повышению эффективности низкотемпературной плазменной обработки достигаются при ее проведении c управлением режимными параметрами на основе определения момента изменения их значений и контроля продолжительности воздействия плазмы на поверхность изделия после этого, а также с оптимизацией состава газовой среды, в которой ведется обработка, в частности, за счет формирования смеси газов. 3. Улучшение по результатам низкотемпературного плазменного наноструктурирования свойств поверхностного слоя инструмента, используемого для обработки неметаллических материалов, приводит к увеличению периода его стойкости. На примере фрез для обработки древесно-стружечных ламинированных плит показано, что в среднем увеличение составляет 1,5 раза при максимальном до 3,0 раз с сохранением требуемых значений параметров точности и качества изготовленных изделий. 4. Обработка неметаллических материалов возможна только при условии создания специальных инициаторов СВЧ разряда и определения такого их расположения в камере технологической установки, при котором формируется разряд наибольшего объема.