CC BY
64
УДК 621.9.025
Р. И. Ахметшин1, М. Ш. Мигранов1, А. А. Верещака2
1Уфа, 2Москва, Россия
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РЕЗАНИИ ИНСТРУМЕНТОМ С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ*
Приведены результаты теоретико-экспериментальных исследований теплофизических явлений при использовании износостойких покрытий для режущего инструмента при лезвийной обработке резанием.
Введение
Производительность операций резания можно повысить за счет скорости съема металла. Ограничивающим фактором при этом является снижение стойкости режущего инструмента. Поэтому важно уяснить факторы, влияющие на разрушение инструментального материала с тем, чтобы создать такие условия, при которых данные факторы наименьшим образом воздействовали на износ режущего инструмента [1, 2]. Наиболее важным из таких факторов является тепловое воздействие на РИ, его тепловое состояние в процессе резания [2, 3, 4].
Моделирование процесса резания может существенно сократить сроки разработки технологии в связи с подготовкой производства, особенно при использовании инновационных инструментальных материалов [5]. Существует потребность в математических моделях, достоверно описывающих термомеханические явления, сопровождающие процесс резания и позволяющие прогнозировать обрабатываемость материалов резанием, а также износостойкость инструмента уже на стадии технологической подготовки производства.
В процессе резания практически вся механическая энергия превращается в тепловую энергию. При этом сопротивляемость инструмента изнашиванию во многом определяется температурными условиями системы резания. Для пары инструмент-деталь независимо от режимов резания существует оптимальная температура резания, которая минимизирует износ инструмента. Указанное означает, что если в процессе обработки температура резания меньше оптимальной, то ее необходимо увеличить, а если температура резания больше оптимальной, то необходимо создавать условия ее снижения. Управление температурой резания и ее поддержание на заданном уровне исключает фактор негативного влияния температуры на износ инструмента. Такое управление может быть достигнуто за счет регулирования тепловыми потоками в системе «инструмент-заготовка-стружка-окружающая среда».
Покрытия, наносимые на рабочие поверхности режущего инструмента, обладают двойственными функциями, так как могут достаточно сильно изменять поверхностные характеристики инструментального материала (фрикционные свойства, теплопроводность, склонность инструментального материала к физико-химическому взаимодействию с обрабатываемым материалом и т. д.) и одновременно влияют на контактные процессы. Таким образом, многофункциональность промежуточной технологической среды, каковой является покрытие, позволяет прогнозировать возможность направленного управления температурой резания [1, 6].
Действительно, с одной стороны, покрытие способно существенно снизить коэффициент трения в системе «инструмент-заготовка» и уменьшить мощность фрикционных источников тепла. С другой стороны, покрытие, обладая экранирующей функцией, способно существенно уменьшить интенсивность тепловых потоков в режущий клин инструмента и увеличить, таким образом, температурный порог начала адгезионного взаимодействия в системе «заготовка-инструмент» и снизить интенсивность интердиффузии между ними [6].
В процессе резания под действием температуры происходят структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях материалов инструмента и заготовки, что означает изменение физико-механических свойств граничных слоев контактирующих поверхностей. В результате изменяются условия формирования контактных температур и поддержания оптимальной температуры резания. В этой связи важной задачей при проектировании функциональных покрытий для режущего инструмента является прогнозирование изменяющихся контактных условий. Решение задачи создания покрытий с учетом указанного фактора является применение многослойной архитектуры покрытия, в которой каждый слой будет выполнять строго определенные функции, отвечающие определенным условиям функционирования инструмента.
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в виде гранта № 06-08-00049-а
© Р. И. Ахметшин, М. Ш. Мигранов, А. А. Верещака, 2007 116
Цель работы
Таким образом, основной целью настоящего исследования является оценка условий влияния покрытия на распределение температурных полей в режущем клине инструмента, а также установление свойств слоев покрытия, способных должным образом перераспределять тепловые потоки в системе резания.
Методика проведения исследований
Для моделирования резания использовали программный пакет БЕРОКМЗБ. При этом в БЕРОКМЗБ движения сообщается жесткому телу, имитирующему режущий инструмент, а к заготовке прикладывается только сила. Поэтому инструмент перемещается относительно заготовки. Используя эталонную обработку, задавали основные условия резания: режимы обработки, геометрию инструмента и заготовки, параметры покрытий инструмента и т. д. Геометрию заготовки задавали в виде цилиндра с диаметром Б = 120 мм, а геометрия режущей части инструмента соответствова-
ла следующим параметрам: а =10°; у =0; ф = ф1 = 45 ; Ь=3,09 мм; к=5,16 мм; с = 4,76 мм; г = 0,79 мм. Режимы резания соответствовали следующим параметрам: п = 1600 об/мин, £ = 0,11 мм/об, t = 0,7 мм. Материал субстрата инструмента - ТТ8К6.
Результаты исследований и их обсуждение
Применяя компьютерное моделирование, можно варьировать теплофизическими параметрами и трибо-логическими свойствами приконтактной зоны, имитируя характеристики износостойких покрытий на границе «инструмент-деталь». Таким параметром является не только теплопроводность самого покрытия, но также начальные условия приконтактной зоны (например, коэффициент трения), которые, в свою очередь, влияют на образование источников теплоты и их интенсивность.
На рис. 1 показаны результаты расчетов в программном пакете «БеРогш ЗБ» при использовании различных износостойких покрытий как по химическому составу, так и по толщине слоя.
Рис. 1. Расчет температурных полей в среде ВеВогшЗБ:
а - без покрытия; б - ТАЫ толщиной 5 мкм; в - ПСЫ толщиной 5 мкм; г - слой ТЫ толщиной 5 мкм и слой А^Оз толщиной 5 мкм; д - слой А^Оз толщиной 5 мкм, слой ПСЫ толщиной 5 мкм, слой ТйЫ толщиной 5 мкм; е - слой А^Оз толщиной 5 мкм,
слой ТЫ толщиной 5 мкм
188М 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2007
117
Исходные данные моделирования. Для оценки степени влияния указанных выше факторов на эффективность процесса резания выполнены следующие экспериментальные исследования:
- оценка трибо-технических характеристик при различных температурах, которую производили на адгезиомере при использовании сферических инден-торов из быстрорежущей стали Р6М5 без покрытия, с покрытиями (TiCr)N и (TiCr)N - эпилама, а также ин-денторов из твердосплавного сплава ТТ8К6 с покрытиями TiN, (TiCr)N, (TiAl)N, (AlTi)N, (TiAlCr)N, (AlTiCr)N; в качестве пары трения использовали специальные образцы из стали 40Х с твердостью 20 HRC;
- натурные испытания при фрезеровании на вертикально-фрезерном станке HECKERT сталей и сплавов 40Х, 12Х18Н10Т, 15Х18Н12С4ТЮ, ХН73МБТЮ концевыми фрезами (d = 12 мм, z = 4) и торцовыми фрезами (d = 90 мм, z = 1) со сменными четырехгранными твердосплавными пластинами ТТ8К6 и ТТ8К6 с покрытием TiN, (TiCr)N, (TiAl)N, (AlTi)N, (TiAlCr)N, (AlTiCr)N, имеющим различное процентное содержание каждого из элементов с общей толщиной до 15 мкм; режимы фрезерования n = 500 - 900 об/мин; S = 60 + 100 мм/мин; t = 13 мм; b = 410 мм);
- натурные испытания при продольном точении на станке 16К20 сталей и сплавов 40Х, 12Х18Н10Т, 15Х18Н12С4ТЮ, ЖС6УВИ инструментом, оснащенным твердосплавными пластинами ТТ8К6 (Y = 0; а = 10
Ф = Ф1 =45°; r = 0,5 мм) с покрытием TiN, (TiCr)N, (TiAl)N, (AlTi)N, (TiAlCr)N, (AlTiCr)N при V= 150 - 450 м/мин, S = 0,11 мм/об, t = 0,5 мм.
Покрытия на инструменты были получены на технологическом оборудовании основных производителей инструмента с покрытием («Balcers», «Sandvik Caromant», «Carbide», «Rimet») по заводским технологиям с использование процессов CVD и PVD, а также с использованием фильтруемых вакуумно-дуговых процессов (MEVVa) на установках ННВ-6.6-И3, оснащенных фильтрующим модулем.
В экспериментах при фрезеровании и точении исследовали износ инструмента по задней поверхности, температуру и усилия резания, шероховатость обработанной поверхности. На рис. 2 приведены результаты как расчетных, так и экспериментальных значений температуры резания для различных условий обработки инструментом с покрытием.
Рис. 2 демонстрирует достаточно хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных, а также наиболее эффективную роль покрытий на основе системы Ti-Al-N, получаемом при использовании фильтрующих вакуумно-дуговых процессов MEVVa.
Установлена роль расположения различных слоев покрытий многослойной архитектуры, синтезируемых при использовании термохимических процессов CVD.
Рис. 2. Влияние покрытия на температуру резания при продольном точении с V = 450 м/мин, S = 0,11 мм/об, г = 0,5 мм
при кз = 0,1 мм:- экспериментальная;
-- расчетная
Заключение
Установлено, что наибольшая температура резания соответствует обработке инструментом без покрытия. Максимальное снижение интенсивности тепловых потоков в системе «инструмент-заготовка» обеспечивают покрытия, имеющие многослойную архитектуру, причет интенсивность теплового потока заметно зависит от последовательности составляющих слоев многослойного покрытия. В частности, более благоприятное тепловое состояние режущего клина инструмента обеспечивает двухслойная система покрытия «твердосплавный субстрат - А1203 (5 мкм) - ТШ (5 мкм)» в сравнении с двухслойной системой «твердосплавный субстрат - ТЫ (5 мкм) - А1203 (5 мкм)».
Максимальное улучшение теплового состояния режущего клина твердосплавного инструмента обеспечивает трехслойная система «твердосплавный субстрат - А1203 (5 мкм) - ТЮЫ (5 мкм) - ТЫ (5 мкм), что обусловлено благоприятным сочетание слоев многослойной конструкции покрытия. В частности, у такого покрытия верхний слой Т1Ы обеспечивает максимальное снижение адгезионной активности твердого сплава ТТ8К6 по отношению к обрабатываемому материалу, переходный слой ТЮЫ осуществляет прочную адгезию между верхним Т1Ы и нижним А1203 слоями, а нижний слой А1203 эффективно экранирует действие теплового потока от фрикционных источника тепла на передней и задней контактирующих поверхностях инструмента.
Обозначения
© - температура резания, °С, мВ; £ - подача, мм/об; г - глубина резания, мм; V- скорость резания, м/мин; к - ширина фаски износа инструмента по задней поверхности, мм.
Перечень ссылок
1. Верещака А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1993. - 336 с.
2. Лоладзе Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. - М.: Машиностроение, 1982. - 320 с.
3. Макаров А. Д. Износ и стойкость режущих инструментов. - М.: Машиностроение, 1966. - 264 с.
4. Резников А. Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1981.279 с.
5. Исследование и моделирование теплофизических явлений при обработке резанием /М.Ш. Мигранов, Р. И. Ахметшин, Ю. В. Лукащук // Известия ТулГУ. Сер. Инструментальные и метрологические системы. Вып. 1. Ч.1. -Тула: Из-во ТулГУ, 2005. - С. 110-114.
6. Верещака А. С., Верещака А. А. Повышение эффективности инструмента путем управления составом, структурой и свойствами покрытий //Упрочняющие технологии и покрытия. - 2005. - № 9. - С. 9-19.
Одержано 11.06.2007
Наведет результати теоретико-експериментальних до^джень теплоф1зичнихявищ при використанш 3HococmiuKux покриттiв для р1зального iнструменту при лезовш обробцi ргзанням.
The results of theoretical-experimental researches of thermal-physical phenomena during wear resistance coatings for the cutting tools at machining using were presented.
УДК 621.81
Д-р техн. наук А. Л. Майстренко1, д-р техн. наук А. В. Усов2
1Институт сверхтвердых материалов, г. Киев 2Политехнический университет, г. Одесса
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АБРАЗИВНОЙ ЧАСТИЦЫ С ПАРОЙ ТРЕНИЯ С ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ
Используя математическое моделирование устойчивости контактного взаимодействия абразивной частицы, показано, что интенсивность износа определяется условиями микрорезания или трения абразивного зерна с парой трения с полимерным покрытием.
В современном машиностроении наблюдается интенсивное повышение потребности в технологиях восстановления функциональной способности деталей машин и механизмов с помощью нанесения износостойких покрытий. В связи с этим приобретают особую актуальность современные ремонтно-восстанови-тельные технологии, которые позволяют восстанавливать работоспособность деталей машин непосредственно в производственных условиях. Одним из направлений современных ремонтных технологий для восстановления функциональных свойств изношенных деталей является нанесение на рабочие поверхности износостойких покрытий.
Однако для выбора типа покрытия указанного назначения и способа нанесения необходимо обосновать требования к их износостойкости и физико-механическим свойствам с учетом особенностей условий эксплуатации, а также свойств материала одной возобновляемой детали. Наиболее подходящими в рассмотренном случае типами покрытий являются покрытия,
сформированные на основе металлополимерных ком -позиционных материалов [1, 3].
В области взаимодействия свободного перекатывания абразивных зерен на рабочих поверхностях деталей исследуемых узлов износ значительно меньше, чем в случае микрорезания. Поэтому представляет научный интерес определение параметров данной технологической системы (гидроабразив - трущаяся пара) и условий ее эксплуатации с тем, чтобы минимизировать износ трущихся пар, работающих в гидроабразивной среде за счет обеспечения перекатывания частиц свободного абразива по рабочей поверхности деталей узлов.
Рассмотрим условия контактного взаимодействия свободного абразива, моделируемого упругими шарами приведенных размеров, соответствующих среднему размеру зерен 8Ю2 с поверхностями композиционных покрытий, нанесенных на рабочие зоны деталей узлов подъемных механизмов, эксплуатируемых в водной среде со взвешенными частицами песка.
© А. Л. Майстренко, А. В. Усов, 2007
ISSN 1607-6885 Нов1 матер1али i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2007
119
