CC BY
16www.paradigma.science
УДК 621.9
Варламова А. В., Мироненко Е. С.
Исследование тепловой напряженности режущего инструмента с покрытием нитрида титана
Аннотация. В настоящей статье рассмотрено исследование тепловой напряженности режущего инструмента с покрытием нитрида титана. Приведены примеры влияния износостойкого покрытия на тепловое состояние инструмента.
Ключевые слова: инструмент, сталь, нитрид, покрытие, период стойкости.
Эффективность металлорежущего оборудования на современном этапе развития машиностроительного комплекса в немалой мере зависит от работоспособности режущего инструмента. Одним из наиболее эффективных путей повышения работоспособности режущего инструмента является нанесение на его рабочие поверхности износостойких покрытий. Основное преимущество методов нанесения износостойких покрытий перед другими методами повышения работоспособности режущего инструмента заключается в широких возможностях направленного регулирования свойств рабочих поверхностей инструментального материала при частичном или полном сохранении свойств, проявляющихся в объеме твердого тела. Механические свойства износостойких покрытий, их структурно -параметрические и кристаллохимические характеристики сильно зависят от метода их получения. Но в любом случае режущий инструмент с покрытиями по своим режущим свойствам превосходит инструмент без покрытия.
Целью работы является изучение влияния износостойкого покрытия на тепловое состояние инструмента.
Тепловое состояние режущей части инструмента является своеобразным индикатором, отражающим характер протекающего процесса резания. С повышением температуры инициируются макро- и микроразрушения контактных площадок режущего инструмента. Основной причиной изменения теплового состояния инструмента с износостойкими покрытиями как при непрерывной, так и при прерывистой обработке является изменение контактных характеристик процесса резания при нанесении покрытия. При токарной обработке нанесение одноэлементных покрытий нитрида титана приводит к уменьшению общего количества теплоты Q, образующейся в процессе резания, теплоты трения по передней Qтп и задней Qз поверхности. При этом разница в общем количестве теплоты для инструмента с покрытием
Електронно научно списание
«Парадигма»
2019, №2
ПАРАДИГМА
www.paradigma.science
и без покрытия с увеличением скорости резания возрастает. Применение покрытий нитрида титана приводит к перераспределению тепловых потоков и изменению интенсивностей тепловых источников на передней и задней поверхностях.
Температура - один из главных параметров процесса резания. Это определяет как эксплуатационную надежность режущего инструмента, так и качество обрабатываемых поверхностей деталей. Эксплуатационная надежность режущего инструмента значительно определяется температурой резания. При исследовании законов процесса изнашивания лезвия инструмента скорее важно знать не только среднюю температуру на его площадках контакта, но также значение температур в каждой точке кромки.
Для решения указанной задачи используется один из самых широко распространенных аналитических методов - метод источников тепла [1]. В схематизации компонентов исследуемой системы инструмент представлен как неограниченный клин. Источник тепла на передней поверхности кромки инструмента представлен, как плоско прямоугольный с размерами Ь*1, равный площадке контакта лезвия с передней поверхностью и с одинаковой плотностью распределения теплового потока. Преимущество метода источников - возможность достичь решения в аналитическом виде. Температурное поле на передней поверхности кромки возникает под действием прямоугольного источника тепла в регулярных интервалах, распространяемых на площадке контакта лезвия с передней поверхностью Ь*1 при установившемся теплообмене, описано выражением:
Температура передней поверхности кромки зависит от геометрических параметров инструмента и в первую очередь от переднего угла указывающего влияние на длину контакта лезвия с передней поверхностью 1 на плотность теплового поток q:
1 = 2 зтф [fc(tany) + secy]
q = V(PZ0 siny + Аду cos y)/2st[fe(l — tany) + secyjfe
где V - скорость резания; PZo- разность силы резания и силы трения на задней поверхности кромки; PN0 - разность нормальной силы резания и силы трения на передней поверхности кромки; s - подача, t - глубина резания.
Нанесение покрытий приводит к снижению интенсивности тепловых источников деформации и трения по передней поверхности, в результате
www.paradigma.science
чего уменьшается интенсивность теплового потока в режущий клин инструмента со стороны передней поверхности. Уменьшение количества теплоты, поступающей в инструмент с покрытием, в результате снижения длины контакта Ст и интенсивности теплового потока на передней поверхности, ведет к уменьшению интенсивности теплового потока через заднюю поверхность в заготовку. При переходе от нитридных покрытий (например, TiN и (Т^г^) к карбонитридным (например, TiCN и (Т^г)С^ наблюдается увеличение интенсивности теплового источника на передней поверхности, связанное с уменьшением его размеров при уменьшении длины контакта Ст и роста его мощности в результате повышения степени пластической деформации и составляющих усилия резания. В результате этого тепловой поток концентрируется на меньшей площадке и интенсивность потока на передней поверхности возрастает (рисунок 1).
Увеличение скорости резания вызывает повышение интенсивности тепловых источников и тепловых потоков в зоне резания. Это связано, с одной стороны, с уменьшением размеров источников теплообразования в зоне резания в результате снижения полной длины контакта стружки с передней поверхностью и коэффициента укорочения стружки, а с другой стороны - с ростом их мощности в результате увеличения скорости резания.
Рисунок 1. Распределение температур на передней поверхности резца
Также установлено снижение коэффициента трения на передней поверхности при нанесении покрытий. Низкий коэффициент трения по передней поверхности (<0,1) обеспечивает высокое качество обработки. Обеспечение высокой стойкости при обработке материалов достигается уменьшением высоты нароста или исключением вообще этого процесса, а также снижением энергозатрат, необходимых для совершения процесса резания (таблица 1).
www.paradigma.science
Таблица 1 - Влияние инструментального материала на параметр шероховатости поверхности
Материал
Вид главной
режущей кромки
Шероховатость обработанной поверхности
МК8
МК8 TiN
+
Результаты расчетов температур на передней поверхности кромки для резцов из различных инструментальных материалов свидетельствуют о существенном различии температур в зависимости от свойств материала инструментальной композиции.
Таким образом, основное влияние на тепловое состояние режущего инструмента будет оказывать изменение контактных характеристик процесса резания, вызванное снижением коэффициента трения при нанесении покрытия.
Библиографический список
1. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах / А.Н. Резников, Л.А. Резников. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.
2. Табаков В.П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбидов титана / В.П. Табаков. - М.: Машиностроение, 1998. - 123 с.
3. Табаков В.П., Чихранов А.В. Износостойкие покрытия режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания / В.П. Табаков, А.В. Чихранов. - М.: Машиностроение - 2007. - 205 с.
Варламова Алла Владимировна
к.т.н., доцент, Димитровградский инженерно-технологический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Россия, г. Димитровград
Мироненко Евгений Станиславович
магистрант, Димитровградский инженерно-технологический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Россия, г. Димитровград
