CC BY
17
Оригинальная статья / Original article УДК 621. 91. 01
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-9-20-27
КОНЦЕПЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО ПОКРЫТИЯ
ПУТЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
В РЕЖУЩЕМ ИНСТРУМЕНТЕ ПОД ЗАДАННЫЕ УСЛОВИЯ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
© В.Ю. Верещагин 1, Б.Я. Мокрицкий 2, А.С. Верещагина 3
Новосибирский государственный педагогический университет,
630126, Российская Федерация, г. Новосибирск, ул. Вилюйская, 28.
2Комсомольский-на-Амуре государственный университет,
681013, Российская Федерация, г. Комсомольск-на-Амуре, пр-т Ленина, 27.
Новосибирский государственный технический университет,
630073, Российская Федерация, г. Новосибирск, пр-т Карла Маркса, 20.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Спроектировать инструментальный материал под заданные условия эксплуатации с требуемым периодом износостойкости затруднительно из-за отсутствия соответствующих методик. Авторами настоящей статьи разработана такая методика для концевого фрезерования твердосплавными фрезами. В качестве параметра, имеющего необходимый уровень влияния на работоспособность инструмента, принята величина внутренних напряжений в режущем клине инструмента и характер распределения этих напряжений. В качестве средства, влияющего на величину и характер распределения напряжений, приняты покрытия на инструменте. Многообразие существующих архитектур (конструкция, состав, толщина общая и толщина каждого из слоев и т.д.) покрытий затрудняет выбор рационального из них. Перебор покрытий при экспериментальной апробации длителен и дорог. Поэтому возникла потребность в компьютерном моделировании. МЕТОДЫ. Для моделирования использован пакет программ ANSYS. На его основе смоделированы напряжения в режущем клине зубьев концевой твердосплавной фрезы без покрытия и с несколькими различными покрытиями. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Экспериментально установлены наиболее рациональные инструментальные материалы по периоду их износостойкости. Они сопоставлены с моделированными напряжениями при заданных условиях эксплуатации. Установлено, что меньшие величины напряжений соответствуют большим периодам износостойкости инструмента. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Изменением архитектуры покрытий при компьютерном моделировании напряжений подобраны такие покрытия, которые обеспечивают требуемый запас периода износостойкости инструмента. Им принято 10%-е превышение заданного периода износостойкости, а именно - 40 мин. Из числа таких покрытий выбрано технологически наиболее удобное. Оно нанесено на твердосплавный инструмент, испытанный в реальных условиях эксплуатации. Превышение заданного периода износостойкости составило 8-15%, что принимается допустимым.
Ключевые слова: режущий инструмент, процесс резания, период износостойкости, покрытия, напряжения, моделирование.
Информация о статье. Дата поступления 02 августа 2018 г.; дата принятия к печати 27 августа 2018 г.; дата онлайн-размещения 28 сентября 2018 г.
1
Верещагин Владислав Юрьевич, старший преподаватель кафедры информационных, сервисных и общетехнических дисциплин, e-mail: [email protected],
Vladislav Yu. Vereshchagin, Senior Lecturer of the Department of Information, Service and General Technical Sciences, e-mail: [email protected]
2Мокрицкий Борис Яковлевич, доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения, e-mail: [email protected]
Boris Ya. Mokritsky, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mechanical Engineering Technology, е-mail: [email protected]
3Верещагина Александра Сергеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии машиностроения, e-mail: [email protected]
Aleksandra S. Vereshchagina, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mechanical Engineering Technology, e-mail: [email protected]
Формат цитирования. Верещагин В.Ю., Мокрицкий Б.Я., Верещагина А.С. Концепция проектирования эффективного покрытия путем моделирования рациональных напряжений в режущем инструменте под заданные условия его эксплуатации // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 9. С. 20-27. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-9-20-27
THE CONCEPT OF DESIGNING AN EFFECTIVE COATING FOR A CUTTING TOOL UNDER SPECIFIED OPERATION CONDITIONS BY MODELING ITS RATIONAL STRESSES
V.Yu. Vereshchagin, B.Ya. Mokritsky, A.S. Vereshchagina
Novosibirsk State Pedagogical University,
28, Viluiskaya St., Novosibirsk, 630126, Russian Federation
Komsomolsk-na-Amure State University,
27, Lenin pr., Komsomolsk-na-Amure, 681013, Russian Federation
Novosibirsk State Technical University
20, Karl Marks pr., Novosibirsk, 630073, Russian Federation
ABSTRACT. PURPOSE. Designing of a rational tool material for the specified operation conditions with the required durability period is difficult due to the lack of appropriate methods. The authors of the article have developed such a method for end milling by carbide-tipped cutters. The value of internal stresses in the cutting wedge of the tool and the distribution nature of these stresses are taken as a parameter having the necessary level of influence on the tool working capacity. Tool coating is accepted as a means influencing the magnitude and nature of stress distribution. The variety of existing architectures of coatings (design, composition, thickness, total thickness and thickness of each layer, etc.) makes it difficult to choose the rational one. Searching for a coating in an experimental approbation is time-consuming and expensive. Therefore, there is the need for computer modeling. METHODS. Using ANSYS software package as a basis for modeling, the stresses is simulated in the cutting wedge of the carbide end mill teeth without coating and with several different coatings. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The most rational tool materials have been experimentally determined by their durability period. They have been compared with the simulated stresses under specified operation conditions. It is found that lower stresses correspond to longer wear resistance periods of the tool. CONCLUSION. By changing the coating architecture in computer simulation of stresses the coatings are selected that provide the required margin of tool wear resistance. They have a 10% excess (40 min) of the specified period of wear resistance. The most technologically convenient coating is chosen from these ones. It is applied to a hard alloy tool tested in real operation conditions. The specified period of wear resistance has exceeded by 8-15%. It is accepted as valid. Keywords: cutting tool, cutting process, wear resistance period, coatings, stresses, simulation
Information about the article. Received August 02, 2018; accepted for publication August 27, 2018; available online September 28, 2018 2018.
For citation. Vereshchagin V.Y., Mokritskii B.Ya., Vereshchagina A.S. The concept of designing an effective coating for a cutting tool under specified operation conditions by modeling its rational stresses. Vestnik Irkutskogo gosudarstven-nogo tekhnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2018, vol. 22, no. 9, pp. 20-27. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-9-20-27 (In Russian)
Введение
Одним из эффективных методов повышения работоспособности режущего инструмента является нанесение на его рабочие поверхности покрытий как однослойных, так и многослойных [1, 2]. Эффективность их использования различна, прирост работоспособности инструмента можно оценить лишь на основании экспериментальных исследований. Надежных методик прогнозирования работоспособности режущего инструмента с покрытиями нет. В силу этого актуальной задачей является разработка методики прогнозирования работоспособности на этапе проектирования покрытия. Особенно важным здесь является разработка методики проектирования покрытия под заданные условия эксплуатации режущего инструмента.
Доля инструментальных затрат в структуре себестоимости изготавливаемого изделия растет и для авиационных труднообрабатываемых материалов составляет десятки процентов. Необходимы меры по их снижению. Например, необходимо выбирать такой металлорежущий инструмент, период работоспособности которого кратен или равен требуемому. Избы-
точный период работоспособности, как правило, востребовать не удается, т.е. он полностью не используется, но он вошел в стоимость инструмента. Недостаточный период работоспособности ведет к еще большим затратам. Проектирование инструмента с требуемым периодом работоспособности под заданные условия его эксплуатации затруднительно по ряду ограничений, слишком много параметров влияет на работоспособность. С нашей точки зрения, одним из таких параметров может быть величина, а также характер распределения внутренних напряжений в режущем клине металлорежущего инструмента. Это совокупный параметр, не имеющий прямой связи с периодом работоспособности, но наша методология построена на известной концепции - при равных условиях меньшей величине напряжений соответствует больший период работоспособности. При таком подходе в качестве управляющего фактора для обеспечения требуемого периода работоспособности инструмента может быть использование покрытия той или иной архитектуры (конструкция покрытия, его общая толщина и толщина каждого из слоев, структура и состав слоев и т.д.) на твердосплавном инструменте. Многообразие существующих архитектур покрытий затрудняет выбор наиболее рационального покрытия. При экспериментальной апробации их выбор длителен и дорог. Возникла потребность в компьютерном моделировании.
Методологическая концепция
В основу моделирования концевого фрезерования твердосплавными фрезами положен следующий методологический подход (концепция).
Работоспособность (например, период износостойкости) металлорежущего инструмента тем выше, чем меньше сила резания.
Сила резания прямо пропорционально связана с напряжениями, возникающими в режущем инструменте. Следовательно, если обеспечить в режущем инструменте напряжения меньшей величины, то следует ожидать большую его работоспособность.
Управлять величиной напряжений можно путем применения тех или иных покрытий на субстрате инструментального материала, т.е. благодаря архитектурированию покрытия под заданные условия эксплуатации инструмента [2].
На этапе разработки эффективного инструментального материала (субстрат + покрытие) целесообразно проведение компьютерного моделирования. Например, моделирование напряжений в зависимости от применяемого покрытия. В основе такого моделирования может лежать стремление обеспечить минимальный уровень напряжений, что должно привести к соответствующему приросту работоспособности инструмента.
Проверке адекватности этой концепции посвящена данная работа.
Результаты исследования и их обсуждение
Зависимость между силой резания и максимальными напряжениями в режущем клине инструмента получена С.И. Петрушиным для токарной обработки 4,5 Она описана выражением с прямо пропорциональной зависимостью максимальных напряжений от силы резания
(Сшах ~ Р):
4Петрушин С.И. Теоретические основы оптимизации режущей части лезвийных инструментов: дис. ... д-ра техн. наук. Москва, 1995. 307 с. / Petrushin S.I. Theoretical bases of edge tool cutting part optimization: Doctoral Dissertation in technical sciences. Moscow, 1995. 307 p.
5Петрушин С. И., Бобрович И. М., Корчуганова М. А. Оптимальное проектирование формы режущей части лезвийных инструментов: учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 1999. 91 с. / Petrushin S.I., Bobrovich I.M., Kor-chuganova M.A. Optimal design of the edge tool cutting part shape: Learning Aids. Tomsk: TPU Publ., 1999. 91 p.
Py -[^cosy- sin (y+ ©)- sina- cos (a-©) + ß- cos ©] + Pz -[^sina- sin (a-©)- cosy- cos (y+ ©-ß- sin ©)] (1) r -^(sin2a - cos2 y) — ß2 +(sina - cosa - siny- cosy)2 J
где Py - радиальная составляющая силы резания; Pz - главная составляющая сила резания; а - главный задний угол; y - передний угол; r, Q - полярные координаты.
С определенными ограничениями данная формула может быть применена и к другим видам лезвийной обработки. Нами это выполнено применительно к фрезерованию концевыми фрезами.
При изучении распределения напряжений в режущем клине инструмента рассматривали контактные напряжения oz и oy, действующие соответственно в направлении, параллельном передней поверхности и перпендикулярном к ней.
Исследование напряженного состояния режущего клина проводилось компьютерным моделированием с использованием пакета программ ANSYS [3].
Рассматривали следующие инструментальные материалы: субстрат - твердый сплав марки ВК8; однослойное покрытие из нитрида титана TiN толщиной 5 мкм; однослойное композиционное покрытие (TiAl)N толщиной 5 мкм; трехслойное покрытие Ti+TiN+(TiAl)N общей толщиной 7 мкм; трехслойное покрытие Ti+TiN+(TiAlCr)N общей толщиной 6 мкм; трехслойное покрытие Ti+TiN+(TiAlCr)N общей толщиной 10 мкм.
Именно эти инструментальные материалы выбраны в силу того, что по ним имеются сведения в литературе, например, отдельные результаты приведены А.А. Верещакой [4].
Пример полей (картин распределения) напряжений для таких инструментальных материалов показан на рис. 1 и 2 (числа на полях напряжений показывают линию напряжений в МПа).
Для проверки представленной гипотезы проведено сопоставление результатов вычисления эквивалентных напряжений с экспериментальными данными (приведены в диссертационной работе А.В. Чихранова)6 по износостойкости фрез с нанесенными на него покрытиями. Под эквивалентными напряжениями понимаем
аэк =^Lax +^2max , (2)
где ozmax - расчетные максимальные напряжения по передней поверхности режущего клина; oymax - расчетные максимальные напряжения по задней поверхности режущего клина.
Стойкостные исследования проводились при контурном фрезеровании уступа высотой 3 мм двухзубой и трехзубой концевой фрезой диаметром 16 мм каждая. Заготовка детали выполнена из стали марки 12Х18Н10Т. Варьировались в диапазоне: подача на зуб - 0,05-0,2 мм/зуб; глубина резания - 0,5-10,0 мм; скорость резания - 50-250 м/мин; ширина встречного фрезерования составляла 12 мм. Фото используемых фрез представлено на рис. 3.
Варианты износа фрез показаны на рис. 4.
На рис. 5 приведены графики, иллюстрирующие износостойкость фрез, имеющих различное покрытие. Фрезерование проводилось на станке модели DMC50 с ЧПУ, время работы до достижения износа 0,4 мм по задней грани.
а =
max
6Чихранов А.В. Повышение работоспособности режущего инструмента путем разработки и применения многоэлементных износостойких покрытий на основе модифицированного нитрида титана: дис. ... канд. техн. наук: 05.03.01. Ульяновск, 2006. 314 с. / Chikhranov A.V. Improving cutting tool efficiency through the development and application of multi-element wear-resistant coatings based on modified titanium nitride: Candidate's Dissertation in technical sciences: 05.03.01. Ulyanovsk, 2006. 314 p.
Рис. 1. Поля напряжений oz в режущем клине (зубе) твердосплавной (марки ВК8) концевой фрезы: a - без покрытия; b - с трехслойным покрытием Ti+TiN+(TiAlCr)N
общей толщиной 6 мкм Fig. 1. Stress fields oz in the wedge (tooth) of the carbide (VK8 grade) end mill: a - without coating; b - with a three-layer coating of Ti + TiN + (TiAlCr)N and the total thickness of 6 jm
a
b
a
b
Рис. 2. Поля напряжений oy в режущем клине (зубе) твердосплавной (марки ВК8) концевой фрезы: a - без покрытия; b - с трехслойным покрытием Ti+TiN+(TiAlCr)N общей толщиной 6 мкм Fig. 2. Stress fields oy in the wedge (tooth) of the carbide (VK8 grade) end mill: a - without coating; b - with a three-layer coating of Ti + TiN + (TiAlCr)N and the total thickness of 6 jm
a b
Рис. 3. А - фреза с покрытием TiN; b - фрезы с покрытием (TiAl)N Fig. 3. A - TiN coated milling cutter; b - (TiAl)N coated milling cutters
a b
Рис. 4. А - износ зуба фрезы по задней грани; b - передняя поверхность зуба фрезы с элементами
разрушения режущей кромки и налипом стружки Fig. 4. A - wear of the cutter tooth on the rear edge; b - front surface of the cutter tooth with the elements
of cutting edge destruction and chip cakes
Рис. 5. Износостойкость фрез с различным покрытием при скорости резания - 120 мм/мин,
подаче на зуб -0,08 мм/зуб, глубине резания - 10 мм: 1 - без покрытия; 2 - покрытие TiN толщиной 5 мкм; 3 - покрытие (TiAl)N толщиной 5 мкм; 4 - покрытие Ti+TiN+(TiAl)N общей толщиной 7 мкм; 5 - покрытие Ti+TiN+(TiAlCr)N общей толщиной 10 мкм; 6 - покрытие Ti+TiN+(TiAlCr)N общей толщиной 6 мкм Fig. 5. Durability of mills with different coatings at the cutting speed of 120 mm/min, feed to tooth - 0.08 mm/tooth, cutting depth -10 mm: 1 - without coating; 2 - TiN coating of 5 jm thickness; 3 - (TiAl)N coating of 5 ¡jm thickness; 4 - Ti + TiN + (TiAl)N coating with the total thickness of 7 jm; 5 - Ti + TiN + (TiAlCr) N coating with the total thickness of 10 jm; 6 - Ti + TiN + (TiAlCr) N coating with the total thickness of 6 jm
Ниже приведены уравнения полиномов, описывающие эти зависимости:
Лз(?) = 0,0002?2 + 0,0031? - 0,0019; Лз(?) = 0,00009?2 + 0,0051? - 0,005; Лз(0 = 0,00003^ + 0,005? + 0,0069; Лз(?) = 0,00002?2 + 0,0055? + 0,0059;
h3{t) = -0,000002?3 + 0,0002t2 + 0,0012? + 0,001; h3(t) = -0,00000113 + 0,000112 + 0,0017? + 0,0004.
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
Характер изменения величин эквивалентных напряжений для различных инструментальных материалов проиллюстрирован на рис. 6. Из диаграммы видно, что применение покрытий снижает уровень напряжений. Максимальное снижение напряжений (на 0,24 ГПа) возможно при применении покрытия Ti+TiN+(TiAlCr)N общей толщиной 6 мкм, поскольку именно этому покрытию свойственно достижение максимальной износостойкости инструмента (прирост на 20 мин).
Рис. 6. Изменение периода износостойкости Т фрез и максимальных эквивалентных напряжений (оэкв) в режущем клине при различном исполнении (субстрат + покрытие) инструмента для обработки материала 12Х18Н10Т Fig. 6. Variation of the T mill durability period and maximum equivalent stresses (oeq) in the wedge for the various designs (substrate + coating) of the tool for 12Х18Н10Т material processing
Сопоставление экспериментальных данных по износостойкости фрез с результатами моделирования максимальных эквивалентных напряжений показало обратную зависимость стойкости от эквивалентных напряжений: увеличение стойкости инструмента происходит вследствие снижения эквивалентных напряжений.
Заключение
1. Применение покрытий изменяет картину полей напряжений - снижает величину максимальных напряжений до 1,15 раз, что, очевидно, связано со снижением силы резания. Не исключено влияние покрытия как теплового барьера.
2. Использование для моделирования пакета программ ANSYS позволяет воссоздать условия для обеспечения рационального распределения напряжений, в том числе учесть изменение архитектуры покрытий, отличающихся толщиной слоя на 0,4 мкм.
3. Для указанных условий эксплуатации наиболее эффективно применение покрытия Ti+TiN+(TiAlCr)N при общей толщине 6 мкм.
4. Приведенные примеры доказывают правомерность принятой методологии исследований. Указанная концепция подтверждена. Она сводится к тому, что под заданные условия эксплуатации инструмента можно спроектировать эффективный по износостойкости инструментальный материал, используя в качестве управления архитектуру покрытия субстрата инструментального материала. При этом в качестве критерия управления можно использовать картины распределения полей напряжений в режущем клине, а построение картин полей напряжений можно осуществлять путем компьютерного моделирования с применением пакета программ ANSYS.
Библиографический список
1. Табаков В.П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента. М.: Машиностроение, 2008. 312 с.
2. Верещака А.С., Григорьев С.Н., Табаков В.П. Методологические принципы создания функциональных покрытий для режущего инструмента // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 2 (98). С. 18-32.
3. Мокрицкий Б.Я., Верещагин В.Ю., Мокрицкая Е.Б., Пячин С.А., Белых С.В., Верещагина А.С. Составные твердосплавные концевые фрезы как альтернатива цельным и сборным твердосплавным концевым фрезам // СТИН. 2016. № 6. С. 7-10.
4. Vereschaka A.A., Vereschaka A.S., Batako A.D.L., Mokritskii B.J., Aksenenko A.Y., Sitnikov N.N. Improvement of structure and quality of nanoscale multilayered composite coatings, deposited by filtered cathodic vacuum arc deposition method // Nanomaterials and Nanotechnology. 2017. Vol. 7. Р. 1-13. DOI: 10.1177/1847980416680805
References
1. Tabakov V.P. Formirovanie iznosostoikikh ionno-plazmennykh pokrytii rezhushchego instrumenta [Formation of wear-resistant ion-plasma coatings for cutting tools]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2008, 312 p. (In Russian)
2. Vereshchaka A.S., Grigor'ev S.N., Tabakov V.P. Methodological principles of creation the functional coatings of new generation for cutting tool manufacture. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Hardening Technologies and Coatings]. 2013, no. 2 (98), pp. 18-32. (In Russian)
3. Mokritskii B.Ya., Vereshchagin V.Yu., Mokritskaya E.B., Pyachin S.A., Belykh S.V., Vereshchagina A.S. Composite hard-alloy end mills as an alternative to solid and assembled carbide end mills. STIN [Russian Engineering Research]. 2016, no. 6, pp. 7-10. (In Russian)
4. Vereschaka A.A., Vereschaka A.S., Batako A.D.L., Mokritskii B.J., Aksenenko A.Y., Sitnikov N.N. Improvement of structure and quality of nanoscale multilayered composite coatings, deposited by filtered cathodic vacuum arc deposition method. Nanomaterials and Nanotechnology. 2017, vol. 7, pp. 1-13. DOI: 10.1177/1847980416680805
Критерии авторства
Верещагин В.Ю., Мокрицкий Б.Я., Верещагина А.С. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Vereshchagin V.Yu., Mokritsky B.Ya., Vereshchagina A.S. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
