Нанотехнологии режущего инструмента | Русановская Татьяна Ивановна. Работа №205782

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ
ГАПОУ ПО КТПТП
Научно–исследовательская работа
Тема: Нанотехнологии режущего инструмента
Руководитель: Русановская Татьяна Ивановна, преподаватель
специальных дисциплин ГБОУ СПО КТПТП
Каменка
2018 г.
Содержание
Введение
1. Металлорежущий инструмент с наноструктурированным покрытием
2. Технологические задачи
3. Режущий инструмент из нанокубического нитрида бора.
4.Выпуск инструментов из сверхтвердого материала в Микробор Нанотех
5. Эффекты нанотехнологий
Заключение
Список использованной литературы.
Введение
В современном машиностроении широко применяют высокоскоростную механообработку, высокоточную суперфинишную механообработку, многокоординатную обработку сложных поверхностей, и обработку в агрессивных средах. Здесь необходим современный универсальный механообрабатывающий инструмент, позволяющий проводить все виды обработки с требуемым качеством, скоростью и минимальным износом.
При этом инструментальная подотрасль должна развиваться более быстрыми темпами, чем все машиностроение. Цель моего теоретического исследования состоит в раскрытии роли нанотехнологии в этом процессе. До недавнего времени перспективы машиностроения на территории СНГ были связаны с применением и использованием зарубежного инструмента и оснастки. Однако созданные в 2010 году предприятия ГК Роснанотех и ЗАО Микробор Технолоджи довольно сильно изменили ситуацию.
Мною был проведен обобщающий анализстатей, выступлений, теоретического материала в области нанотехнологий режущего инструмента. Данная тема работы заинтересовала меня своими перспективами, которые открываются для человечества способностью вывести жизнь людей на абсолютно новый уровень.
Все это позволяло сформулировать основные задачи:
Изучить новые наукоемкие, комбинированные технологические методы обработки заготовок.
Исследовать высокоточные прецизионные технологии, позволяющие обеспечивать точность обработки порядка 10 ангстрем.
Анализ возможностей, способов и методов применения нанотехнологий в машиностроении (в мире и в России).
Актуальность темы данной работы обуславливается необходимостью создания технологий нанесения нано – покрытий на металлорежущие инструменты с целью повышения их характеристик. Такую возможность предоставляет инструмент, оснащенный сменными неперетачиваемыми режущими пластинамис многослойными упрочняющими нанопокрытиями.
Новизна исследования – разработка нового материала Микробор. Отличительной особенностью инструмента из НКНБ является повышенная износостойкость, а также существенное преимущество при обработке таких материалов как релит, стеллит и других твёрдых и абразивных материалов. В настоящее время выпускается два типа пластин, MBR 6010 для черновой обработки и MBR 7010 для чистовой обработки.
Практическая значимость работы заключается в необходимости знаний в данной области, так как это существенно расширит кругозор и более того заметно продвинет меня, как будущего специалиста, в отрасли машиностроения.
1.Металлорежущий инструмент с наноструктурированным покрытием
Для изготовления обрабатывающего инструмента в основном применяют четыре группы инструментальных материалов (инструментальные стали, твердые сплавы, сверхтвердые материалы, режущая керамика), каждая из которых подразделяется на несколько подгрупп (рис. 1). Ни один из этих инструментальных материалов не является универсальным и занимает свою нишу в соответствии с показателями вязкости, прочности, износостойкости и твердости.
Продукты в области обрабатывающего инструмента можно условно разделить на четыре Целевые характеристики обрабатывающего инструмента (рис. 2) были заданы исходя из характеристик наиболее распространенных технологий изготовления инструмента, а именно компактирования нанодисперсных порошков (в основном, твердых сплавов) и нанесения наноструктурных покрытий (в основном, многослойных). По результатам экспертного исслледования выявлено, что Россия в настоящее время движется в русле мировых технологических тенденций, однако отстает в части достижения конкретных эксплуатационных характеристик. Выход на технологический уровень, соответствующий мировому, как в области твердых сплавов, так и в области покрытий, ожидается не ранее 2020–2025гг.
Рис.1. Виды инструментальных материалов и их характеристики
Рис.2.Целевые характеристики обрабатывающего инструмента
2.Технологические задачи
Для существенного увеличения производительности инструмента и повышения его качества необходим комплекс мероприятий, направленных на решение ключевых технологических задач. Основные усилия должны быть сосредоточены на следующих группах задач: 1) получение новых наноструктурированных инструментальных материалов; 2) нанесение нанопокрытий на поверхность инструмента и модификация поверхности; 3) наноразмерная обработка и новые технологии конструкции инструмента. Перечень ключевых технологических задач представлен в таблице 1.В правой колонке описан ожидаемый эффект от решения указанныхзадач.
Таблица 1
Технологические задачи для предметной области
Технологические задачи
Эффект
Получение наноматериалов
1.Создание порошковых быстрорежущих сталей с наноразмернымзерном
Увеличение прочности, твердости, теплостойкости и износостойкости наноструктурированных инструментальных материалов.
Увеличение скорости и производительности обработки.
Увеличение качества обработки, экономию обрабатываемого материала.
2.Получение наноразмерного зерна для твердых сплавов
3.Спекание наноструктурных твердых сплавов
4.Получение наноструктурных материалов на основеалмаза
5.Получение наноструктурных материалов на основеКНБ
6.Получение абразивных порошков на основе нанопорошков
Нанесение нанопокрытий
7.Нанесение наноструктурных износостойких покрытий на обрабатывающий инструмент
Увеличение стойкости и сокращение затрат, приходящихся на инструмент
Повышение точности размеров и качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей
Минимизация применения токсичных СОТС при механической обработке
8.Нанесение покрытий на алмазный порошок
9.Нанесение декоративно-защитных покрытий на корпуса инструмента
10.Изготовление катодов и мишеней для нанесения наноструктурных покрытий
11.Наномодификация поверхностного слоя
Наноразмерная обработка и изготовление инструмента
12.Наноразмерная настройка режущих кромок прецизионного инструмента
Повышение точности режущего и деформирующего инструмента с высоким качеством обработки режущих кромок и точных переходных элементов
Увеличение точности размеров и формы детали, чистоты обрабатываемой поверхности сверхсложных деталей точного приборостроения
13.Наноразмерная обработка режущих кромок и переходных элементов обрабатывающего инструмента
14.Неразъемное соединение наноструктурных поверхностей рабочей части и корпуса инструмента
15.Увеличение производительности и точности лазерной обработки
3.Режущий инструмент из нанокубического нитрида бора
Крупносерийное производство режущего инструмента из нанопорошка кубического нитрида бора создано на базе ООО Микробор Технолоджи (Москва). На этом же производстве синтезируют нанопорошок КНБ-сверхтвердого материала, уступающего по твердости только алмазу. Режущему инструменту, изготовленному из него, поддаются все промышленно значимые материалы: чугуны, стали, железные и титановые сплавы, угле-, и стеклопластики. Новый инструмент работает с высокой производительностью, снижая затраты на обработку деталей до 60%. Отечественное производство инструмента из КНБ созданное в рамках проекта ГК Роснанотех, является первым в мире. Его продукция предназначена для черновой и финишной обработки деталей в тяжелом машиностроении, автомобилестроении, добывающей промышленности, строительстве и будет поставляться на внутренний и внешний рынки. Что такое композит на основе КНБ. На рабочие свойства композита существенно влияет размер зерна КНБ и его процентное содержание, а также свойства материала связки.
Кубический нитрид бора (КНБ) — второй по твёрдости (после алмаза) синтетический материал, получаемый при высоком давлении и температуре. Исторически, КНБ был разработан для замены искусственного алмаза при обработке твёрдых и сверхтвёрдых материалов, содержащих углерод (отбеленные чугуны, закалённые стали и др.), но с улучшением свойств композита, в данный момент КНБ применяют также при обработке таких материалов, как марганцовистые стали, углепластик, силицированный графит и даже твёрдый сплав.
Отличительной особенностью КНБ Микробор, является его повышенная стойкость к ударным нагрузкам. Эта особенность обусловлена как свойствами исходного микропорошка КНБ, так и оптимально подобранной технологией синтеза композитов. При этом нам удалось сохранить такие свойства традиционного КНБ, как высокая микротвёрдость и термостойкость. Новейшая разработка Микробор – уникальный композит на основе нано КНБ. Отличительной особенностью инструмента из НКНБ является повышенная износостойкость, а также существенное преимущество при обработке таких материалов как релит, стеллит и других твёрдых и абразивных материалов. В настоящее время выпускается два типа пластин, MBR 6010 для черновой обработки и MBR 7010 для чистовой обработки.
Таблица 2
Материал
Микротвердость (до НV)
Теплостойкость (до С)
Быстрорежущая сталь
-
715
Твердый сплав
1000
900
Керамика
2000
1100
КНБ
3700
1200
НКНБ Микробор
6500
1500
Преимущества режущих пластин НКНБ Микробор:
в отличие от других режущих материалов, при разрушении инструмента Микробор во время работы, исключено внедрение частиц инструмента в тело обрабатываемой детали.
при черновой обработке монолитным инструментом допускаются сколы по передней поверхности, что не является причиной смены рабочей грани инструмента Микробор (эффект самозатачивания).
в отличие от инструмента других производителей КНБ, инструмент Микробор может работать как с охлаждением, так и без него, что особенно важно при обработке тонкостенных и точных деталей.
4.Выпуск инструментов из сверхтвердого материала в Микробор Нанотех
Микробор Нанотех, совместная проектная компанияРоснано и Микробор Технолоджи, запустила первую очередь производства режущих инструментов из сверхтвердого материала– нанопорошка кубического нитрида бора, второго по твердости материала после алмаза.
Сверхтвердые резцы будет использоваться для обработки деталей в тяжелом машиностроении, автомобилестроении, добывающей промышленности.
Износо- и теплостойкость инструментов из нанопорошка кубического нитрида бора приводят к существенно более высокой производительности инструмента. Затраты на обработку деталей могут при этом снижаться на величину до60%.
Нанопорошок кубического нитрида бора в виде режущей массы и конечная продукция компании Микробор Нанотех– нанотехнологичные резцы по металлу. Продукцию Микробор Нанотех планируется поставлять в страны СНГ, в Европу, в Китай и США. Компания планирует занять более 30% рынка инструмента из кубического нитрида бора в России и увеличить экспорт продукции до 3миллионов долларов вгод.
5. ЭФФЕКТЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Фреза без покрытия
Фреза с нанопокрытием
Наноструктурированные покрытия повышают износостойкость инструмента, что позволяет производить обработку металлов на более высоких скоростях и увеличивает срок службы инструмента
Результаты испытаний: обработка титанового сплава ВТ3
Скорость резания м/мин; 60
Скорость резания м/мин; 120
Удельный съем, мм3 /мин; 40
Удельный съем, мм3 /мин; 90
Стойкость, мин; 123
Стойкость, мин; 305
По результатам испытаний, при одинаковых режимах резания и типах обрабатываемых материалов, фреза с покрытием показывает в 2 – 2,5 раза большую стойкость
По мнению экспертов, России необходима глубокая модернизация производства, подразумевающая не просто замену старого оборудования на новое, а переход на качественно новые технологии, позволяющие повысить как качество, так и производительность обработки. При этом нужно учитывать, что все высокотехнологичные инструменты (в т.ч. изготовленные с использованием нанотехнологий) будут однозначно дороже по сравнению со старыми образцами, а значит, будут востребованы и экономически эффективны при применении только на соответствующем оборудовании.
Заключение
Ключевые технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXIв. будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.
Главная надежда нанотехнологий связана с тем, что удастся двигаться не сверху вниз, а снизу вверх, т.е. выращивать наноструктуры, наноматериалы, нанообъекты. Нанотехнологии требуют больших объемов материалов и собирать их атом за атомом невозможно. Поэтому есть два основных ключа к нанотехнологиям:
1.Нужно организовать процессы так, чтобы наноструктуры собирались сами, образуя то, чего бы нам хотелось. Другими словами, это процессы самоорганизации, самоформирования и самосборки.
2.Решение многих проблем нанотехнологий требует совместной деятельности физиков, химиков, математиков, биологов — общего языка, понятий и моделей — междисциплинарного подхода. Кроме того, именно широкий междисциплинарный взгляд дает понимание того, чего в принципе возможно достичь, чего хотелось бы достичь и — главное — чего хотелось бы избежать. Здесь первостепенное значение приобретает проектирование будущего, в котором технологические, экономические, политические, военные и социальные проблемы оказываются значительно более взаимосвязаны, чем ныне. Это обусловлено совершенно новыми технологическими возможностями.
Список использованной литературы
1.Глинк Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение: Пер. с англ. М.: Мир, 2002. С. 58-73.
2.ГоловинЮ.И. Введение в нанотехнику. М., 2006. С.32-45
3.ГусевА.И.Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М., 2005.С. 51-55, 78-91.
4. КобаясиН. Введение в нанотехнологию. М., 2005. С. 10-17
5. Нанотехнологии. Ч. Пул, Ф. Оуэнс. Пер. с англ. - Москва: Техносфера, 2005. С.7-20.
6.Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления развития // Под ред. М.К.Роко, Р.С.Уильямса и П.Аливисатоса: Пер. с англ. М.: Мир, 2002. С. 54-63.
7.Структура и свойства нанокристаллических материалов. Под ред. Г.Г. Талуда и Н.Н. Носковой. Екатеринбург: Изд-воУрО РАН, 1999. - С.123-140 .
8.СуздалевИ.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М., 2006.