ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С МНОГОСЛОЙНЫМИ ИЗНОСОСТОЙКИМИ ПОКРЫТИЯМИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2019 Том 21 № 3 с. 97-105 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.3-97-105

Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)

Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov

UVEOTKA i 1чАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ ОБОРУДОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТЫ

Определение теплопроводности твердосплавного режущего инструмента с многослойными износостойкими покрытиями

Александр Ингеманссон 1, Александр Бондарев

' АО «Федеральный научно-производственный центр "Титан-Баррикады"», пр. Ленина, б/н, г. Волгоград, 400071, Россия

2

" Волгоградский государственный технический университет, пр. им. Ленина, 28, г. Волгоград, 400005, Россия

7 https://orcid.org/0000-0002-7963-393X. © а1еш0Йуапс1ех.ги. Ь https://orcid.org/0000-0002-0645-5634. © а1еха1^ег_Ьо1к1аге¥(а)таИ.1

2, b

ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ

УДК 621.9.025

АННОТАЦИЯ

Введение. Выходные параметры процесса резания в значительной степени определяются характером протекания процессов стружкообразования и контактного взаимодействия обрабатываемого и инструментального материала. Адаптивное управление процессом резания для современного автоматизированного оборудования с ЧПУ позволяет обеспечивать надежность выходных параметров обработки. Разработка математических моделей для управления процессом резания, учитывающих теплопроводность инструментального материала, является необходимым условием реализации возможностей адаптивного управления современным оборудованием в цифровых производственных системах (ЦПС) для механической обработки. При этом на сегодняшний день отсутствует комплекс информации о теплопроводности инструментов с многослойными покрытиями для обработки различных материалов, для различных условий обработки и способов нанесения покрытия. Данная проблема является ограничивающим фактором для разработки надежных математических моделей для технологической подготовки производства и управления выходными параметрами процесса резания. Цель работы: определение величины теплопроводности современных твердосплавных инструментов с износостойкими покрытиями для последующего использования при построении математических моделей, связывающих режимы и условия обработки с действующими силами резания и выходным параметром обработки - шероховатостью обработанной поверхности. Методами исследования являются анализ и систематизация информации о химическом составе и конструкциях многослойных покрытий исходя из способа нанесения покрытия, режимов и условий механической обработки и обрабатываемых материалов, а также определение по расчетной методике коэффициентов теплопроводности твердосплавных инструментов с покрытиями. Результаты и обсуждение. На основе проведенного анализа и расчетов получены значения коэффициентов теплопроводности для режущих инструментов с многослойными покрытиями, наиболее широко применяемых в производственной практике. Указанные значения предназначены для использования при построении математических моделей, связывающих режимы и условия обработки с выходными параметрами обработки и основанных на учете теплофизических процессов при резании. Разработанные на основе этих данных модели планируется использовать для технологической подготовки производства и адаптивного управления современным оборудованием в ЦПС для механической обработки.

Для цитирования: Ингеманссон А.Р., Бондарев А.А. Определение теплопроводности твердосплавного режущего инструмента с многослойными износостойкими покрытиями // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2019. - Т. 21, № 3. - С. 97-105. - DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.3-97-105.

История статьи: Поступила: 21 мая 2019 Рецензирование: 05 июня 2019 Принята к печати: 15 июля 2019 Доступно онлайн: 15 сентября 2019

Ключевые слова: Твердосплавный инструмент Многослойные покрытия Теплопроводность Математические модели Цифровые производственные системы

Введение

Выходные параметры процесса резания, в частности качество обработанной поверхности, в значительной степени определяются характером протекания процессов стружкообразования

*Адрес для переписки

Ингеманссон Александр Рональдович, к.т.н., главный технолог

АО «Федеральный научно-производственный центр "Титан-Баррикады"»,

пр. Ленина, б/н

400071, г. Волгоград, Россия

Тел.: +7 (8442) 74-90-74, e-mail: [email protected]

и контактного взаимодействия обрабатываемого и инструментального материала. В свою очередь, процессы стружкообразования и контактного взаимодействия зависят от теплофизических свойств контактной пары. В частности, изменения соотношения теплопроводностей обрабатываемого и инструментального материала способствуют существованию различных видов контактного взаимодействия по передней и задней поверхности режущего инструмента [1]. Смена инструментов по параметру теплопроводности

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

МАТЕРИАЛОВЕД

при неизменности обрабатываемого материала приводит к получению различного качества обработанной поверхности, в частности, по параметру шероховатости.

Адаптивное управление процессом резания для современного автоматизированного оборудования с ЧПУ позволяет обеспечивать надежность выходных параметров обработки. Разработка математических моделей для управления процессом резания, учитывающих теплопроводность инструментального материала, является необходимым условием реализации возможностей адаптивного управления современным оборудованием в цифровых производственных системах (ЦПС) для механической обработки. Кроме этого указанные математические модели необходимы для нужд технологического проектирования при подготовке производства.

На сегодняшний день твердые сплавы являются основным инструментальным материалом для лезвийной обработки конструкционных углеродистых, легированных и коррозионно-стойких сталей. В литературе достаточно информации о значениях коэффициента теплопроводности X, Вт/(м • К) отечественных непокрытых твердых сплавов [1]. Кроме этого некоторые иностранные производители указывают значения коэффициента теплопроводности для некоторых непокрытых твердых сплавов в каталогах [2]. При этом основной объем современного твердосплавного инструмента выпускается с износостойкими покрытиями. Однако на сегодняшний день отсутствует комплекс информации о теплопроводности инструментов с многослойными покрытиями для обработки различных материалов, для различных условий обработки и способов нанесения покрытия. Данная проблема представляет собой ограничивающий фактор в разработке надежных математических моделей для технологической подготовки производства и управления выходными параметрами процесса резания. Поэтому анализ теплофизических свойств современных твердосплавных инструментов с износостойкими покрытиями и выдача практических рекомендаций являются актуальной научно-практической задачей.

В связи с этим цель настоящей работы заключается в определении величин теплопроводности современных твердосплавных инструментов с износостойкими покрытиями для последую-

щего использования при построении математических моделей, связывающих режимы и условия обработки с действующими силами резания и выходным параметром обработки - шероховатостью обработанной поверхности.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи. Во-первых, выполнить анализ наиболее широко применяемых в производственной практике и серийно выпускаемых многослойных износостойких покрытий на твердосплавный режущий инструмент в зависимости от способов нанесения покрытия, видов и условий операций механической обработки и обрабатываемых материалов. Во-вторых, выполнить расчет коэффициентов теплопроводности современных твердосплавных инструментов с износостойкими покрытиями.

Методика исследований

Для решения указанной проблемы в первую очередь выполнено изучение и систематизация информации о химическом составе и конструкциях многослойных покрытий исходя из способа нанесения покрытия, режимов и условий механической обработки и обрабатываемых материалов. Для анализа использовались работы отечественных и зарубежных исследователей [2-7; 15-20], а также справочная информация от ведущих мировых производителей лезвийного инструмента, в том числе компаний «Ког1оу» (Ю. Корея) [2], «$апйу1к СотошапЪ» (Швеция) [8-10], «Ш^/а» (Германия) [11] и др.

В качестве основы для современных режущих пластин с износостойкими покрытиями в основном используются вольфрамокобальтовые, вольфрамотитанокобальтовые и вольфрамоти-танотанталокобальтовые твердые сплавы. Процентное содержание карбидов и связки определяется условиями механической обработки с увеличением прочности на изгиб за счет увеличения содержания кобальта для предварительных операций. В настоящей работе исходя из анализа данных по процентному содержанию химических соединений в описанных современных твердых сплавах [1; 5; 8-12]; для последующих расчетов теплопроводности сменных многогранных пластин (СМП) с износостойкими покрытиями установлены и приняты значения теплопроводности X твердосплавной основы в

98

MATERIAL SCIENCE

зависимости от группы обрабатываемого материала и вида обработки, которые приведены в табл. 1.

Покрытия наносятся способами физического осаждения из паровой фазы (physical vapor deposition, PVD) и химического осаждения из паровой фазы (chemical vapor deposition, CVD). Покрытия, нанесенные химическим осаждением, отличаются большей износостойкостью. При этом покрытия, нанесенные физическим осаждением, отличаются большей прочностью и меньшей толщиной, что определяет остроту режущих кромок. Это особенно важно для прецизионной и мелкоразмерной обработки. Толщина PVD-покрытий варьируется в диапазоне 2.. .6 мкм, толщина CVD-покрытий - 4.20 мкм. В качестве обрабатываемых материалов рассмотрены конструкционные углеродистые и легированные стали - группа «Р» согласно международному стандарту ISO и коррозионно-стойкие - группа «М». В табл. 2 приведены сведения, полученные в результате анализа информации о наиболее часто используемых структурах покрытий для групп обрабатываемых материалов, способах нанесения покрытия, условий обработки согласно ISO и соответствующих толщинах покрытий. Наиболее широко применяемыми в производственной практике и серийно выпускаемыми многослойными покрытиями являются следующие. Для CVD-покрытий - комбинация: твердосплавная основа-TiCN-A^Oj-TiN (см. рисунок, а). Для PVD-покрытий - комбинация: твердосплавная основа-TiAlN-TiN (см. рисунок, б).

Из табл. 2 видно, что по мере перехода от предварительных нагруженных операций механической обработки (вид обработки соглас-

но ISO «35», «25») к чистовым (вид обработки «05») толщина покрытия увеличивается с целью противодействия диффузионному изнашиванию на высоких скоростях резания и тем самым повышению износостойкости пластины. Кроме этого для обработки коррозионно-стойких сталей (группа М) применяются CVD-покрытия меньшей толщины, чем для обработки конструкционных углеродистых и легированных сталей (группа Р). Для последующих расчетов теплопроводности инструментов с многослойными покрытиями были проанализированы сведения об объемной доле каждого слоя относительно общей толщины покрытия. Анализ показал, что для задач расчета теплопроводности инструментов с многослойными покрытиями с достаточной точностью следует принять следующие соотношения. Объемное отношение слоев для CVD-покрытий: TiCN - 50 %; Al2O3 - 40 %; TiN - 10 %; для PVD-покрытий: TiAlN - 70 %; TiN - 30 %.

В работе [6] для задачи построения математической модели для определения длины контакта между инструментом и стружкой применено понятие так называемой «эффективной теплопроводности режущего инструмента». Для построения модели использована схема резания, представляющая собой по сути условную схему резания. Понятие эффективной теплопроводности подразумевает интегральную характеристику, учитывающую влияние теплопроводности и толщины индивидуальных слоев на общую теплопроводность многослойного износостойкого покрытия на режущем инструменте. Авторами работы [6] использована методика расчета теплопроводности многослойного покрытия,

Таблица 1 Table 1

Теплопроводность твердосплавной основы в зависимости от группы обрабатываемого материала

и вида обработки

Thermal conductivity of cemented carbide substrate according to machined material group and type

of machining

Группа обрабатываемого материала и вид обработки по ISO / ISO material groupand type of machining P01-P05 P10-P20 P25-P40 M05-M20 M25-M35

Теплопроводность твердосплавной основы X, Вт/(м • К) / Cemented carbide substrate thermal conductivity X (W/m • K) 23 27 41 50 52

обработка металлов материаловедение

Таблица 2 Table 2

Характеристики современных твердосплавных инструментов с износостойкими покрытиями Characteristics of modern carbide tools with wear-resistant coatings

Группа обрабатываемого материала по ISO/ ISO material group Тип покрытия / coating type Структура покрытия / coating structure Вид обработки по ISO / Type of machining by ISO Толщина покрытия, мкм / Coating thickness, ^m Теплопроводность покрытия X, Вт/(м • К) / Coating thermal conductivity X (W/m • K)

05 22 30,2

CVD TiCN-l2O3-TiN 15 18 31,1

25 16 34,3

Р 35 14 34,5

15 9,5 39,4

PVD TiAlN-TiN 25 8 48,4

35 8 48,4

CVD TiCN-Al2O3-TiN 15 9,5 38,1

25 9,5 38,6

М 05 8 54,2

PVD TiAlN-TiN 15 8 54,2

25 8 55,3

а б

Схема режущего инструмента с многослойным покрытием, нанесенным CVD-способом (а)

и PVD-способом (б)

Scheme of a cutting tool with multilayer coating made by CVD method (a) and PVD method (б)

соответствующая используемой в настоящей работе. Необходимо отметить следующее. Для учета теплопроводности твердосплавной основы при расчете теплопроводности инструмента с многослойным покрытием использование значения полной толщины твердосплавной СМП является нецелесообразным. Это связано с тем, что несравнимо большая толщина основы, исчисляемая в миллиметрах, по сравнению с тол-

100

щиной покрытия, исчисляемой в микрометрах, при расчете общей теплопроводности полностью нивелирует влияние покрытия. Данное положение находит подтверждение в работе [6]. В указанном исследовании при расчетах толщину твердосплавной основы принимали равной толщине покрытия. Кроме того, авторами [6] были получены величины теплопроводности инструментов с несколькими основными вида-

MATERIAL SCIENCE

ми многослойных покрытий. Однако для задач построения математических моделей для технологической подготовки производства и адаптивного управления в ЦПС необходимо учитывать изменение общей толщины покрытия при смене видов обработки - от предварительной к чистовой. Определение фиксированного значения теплопроводности конкретного вида покрытия без учета изменения толщины покрытия при смене вида обработки оказывается недостаточным. При переходе к чистовой обработке толщина используемого многослойного покрытия растет и, следовательно, изменяется теплопроводность инструмента. Поэтому в настоящей работе с целью учета влияния вида обработки и толщины многослойного покрытия на теплофизические процессы при резании толщина твердосплавной основы принимается фиксированной при изменении толщины многослойного покрытия и равной практически минимальной возможной толщине покрытия, т. е. 4 мкм.

Результаты и их обсуждение

На следующем этапе выполнен расчет, описанный ниже, значений коэффициентов теплопроводности твердосплавных инструментов с многослойными покрытиями для последующего использования при разработке математических моделей для технологической подготовки производства и управления выходными параметрами процесса резания.

Тепловое сопротивление материала R определяется зависимостью [13]

я = 1.

X

(1)

Тепловое сопротивление режущего инструмента с многослойным покрытием рассчитывается согласно методике определения теплопроводности слоистых материалов [14] и выражается следующей зависимостью:

RoVo = (RnVn) + (RmVm) + (RXVX),

(2)

где Яо - общее тепловое сопротивление режущего инструмента с многослойным покрытием; Я Я Ях- тепловое сопротивление твердосплавной основы и каждого слоя покрытия (количество слоев покрытий, наносимых на основу, изменяется с учетом вида обработки и способа нане-

OBRABOTKA METALLOV

сения покрытия), Уо - общая толщина основы с покрытием; V V Ух -толщина твердосплавной основы и каждого слоя покрытия соответственно.

Значения коэффициента теплопроводности основы для описанных современных твердых сплавов были приведены в работе ранее. Информация о величинах коэффициентов теплопроводности химических соединений, соответствующих каждому слою покрытий, представлена в достаточном объеме в литературе [2-7]. Объемное соотношение, толщина основы и каждого из слоев покрытий были установлены в работе раннее. Следовательно, в формуле (2) остается неизвестным только искомое значение общей те-

инструмента с

плопроводности

/

покрытием

режущего 1

Xo = —

0 Яо

Приведем частный случай расчета теплопроводности для пластины с CVD-типом покрытия, структурой «твердосплавная основа-TiCN-Al2O3-TiN», предназначенной по группе обрабатываемости для чистовой обработки, т. е. согласно ISO - P05 (см. табл. 2).

Тепловое сопротивление пластины рассчитывается по формуле

Яо =

(RTiCN VTiCN ) + (RAl2O3 VAl2O3 ) + +(RTiNVTiN) + (Rтв.cпл.ocн.Vтв.cпл.ocн)

V

В связи с тем, что коэффициент теплопроводности X является величиной, обратной теплово-

му сопротивлению R

1

Xo Ro

Xo = ^

. 0 Ro.

i

то

(RTiCNVTiCN) + (RAl2O3VAl2O3 ) +

+(RTiNVTiN) + (rtb

СПЛЮСН. TB.Cn..oCH-1

к

(RTiCNVTiCN ) + ( RAl2O3 VAl2O3 ) +

^(RTiN^TiN) (^в.спл.осн^тв.спл.осн)

В табл. 3 приведены объемные соотношения (толщины) и коэффициенты теплопроводности каждого из химических соединений по отдельности, использованных в примере расчета [2-7]. Значение теплового сопротивления каждого из

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

МАТЕРИАЛОВЕ,

паяла

Таблица 3 Table 3

Характеристики химических соединений, использованных в примере расчета Characteristics of chemical compounds which in the calculation example were used

Химическое соединение/ Chemical compound Коэффициент теплопроводности X (Вт/м • К)/ Thermal conductivity X (W/m • K) Тепловое сопротивление R = 1/Х Thermal resistance Толщина, мкм/ Thickness, um

TiCN 36,5 0,0274 9

Al2O3 29,28 0,0342 7,2

TiN 29,28 0,0342 1,8

Твердосплавная основа/ Cemented carbide substrate 23 0,0434 4

Вывод

слоев рассчитывается с использованием формулы (1). Общая толщина твердого сплава с многослойным покрытием рассчитывается как сумма всех составляющих толщин расчетного образца. Значения толщин многослойных покрытий, нанесенных способом CVD, объемное соотношение слоев и толщина твердосплавной основы зафиксированы в работе раннее. Следовательно, общая расчетная толщина инструментального материала

Vo = VTiCN + VAl2O3 + VTiN + VTiN + ^гв.спл.осн =

= 9 + 7,2 + 1,8 + 4 = 22 мкм.

Таким образом, все значения расчетной формулы известны, следовательно, значение коэффициента теплопроводности для твердосплавной пластины с CVD-типом покрытия, структурой «твердосплавная основа-TiCN-Al2O3-TiN», предназначенной по группе обрабатываемости, согласно ISO - P05 будет равно

К =

22

(0,0274 ■ 9) + (0,0342 ■ 7,2) + + (0,0342 ■ 1,8) + (0,0434 ■ 4)

_22_

(0,2466) + (0,24624) + (0,06156) + (0,1736)

22

0,728

= 30,2 Вт/(м •К)

Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Таким образом, выполнен анализ наиболее широко применяемых в производственной практике и серийно выпускаемых твердосплавных режущих инструментов с многослойными износостойкими покрытиями и получены значения коэффициентов теплопроводности для этих инструментов. Коэффициент теплопроводности отражает теплофизические свойства инструментального материала, контактирующего с обрабатываемым. Полученные значения предназначены для использования при построении математических моделей, связывающих режимы и условия обработки с действующими силами резания и выходным параметром обработки -шероховатостью обработанной поверхности. Разработанные на основе этих данных модели планируется использовать при технологической подготовке производства при расчете стартовых и уточненных режимов резания в зависимости от вида обработки, свойств обрабатываемого материала и применяемых инструментов, а также для адаптивного управления современным металлорежущим оборудованием с ЧПУ в ЦПС для механической обработки.

Список литературы

1. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. -М.: Машиностроение, 1992. - 240 с. - ISBN 5-21701857-7.

2. Korloy. Metal cutting tools: catalogue. - South Korea: Korloy Publ., 2017. - P. 1060.

MATERIAL SCIENCE

3. Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1986. - 192 с.

4. Табаков В.П., Чихранов А.В. Износостойкие покрытия режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 255 с. - ISBN 5-89146-710-0.

5. Инструмент для высокопроизводительного и экологически чистого резания / В.Н. Андреев, Г.В. Боровский, В.Г. Боровский, С.Н. Григорьев; под ред. В.А. Гречишникова. - М.: Машиностроение, 2010. - 480 с. - ISBN 978-5-94275-571-1.

6. Balaji A.K., Mohan VS. An «effective cutting tool thermal conductivity» based model for tool-chip contact in machining with multi-layer coated cutting tools // Machining Science and Technology. - 2002. - Vol. 6, iss. 3. - P. 415-436. - DOI: 10.1081/MST-120016254.

7. Ucun I., Aslantas K. Numerical simulation of orthogonal machining process using multilayer and single-layer tools // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2011. - Vol. 54, iss. 9-12. -P. 899-910. - DOI: 10.1007/s00170-010-3012-9.

8. Sandvik Coromant machining work manual: guide. - Sweden: Elanders Publ., 2010. - 803 p.

9. Sandvik Coromant technology of metal cutting: guideline. - Sweden: Elanders Publ., 2009. - 359 p.

10. Sadik M.I. An introduction to cutting tools materials and applications. - Sweden: Elanders Publ., 2013. - 208 p. - ISBN 978-91-637-4920-9.

11. Widia. Turning tool: catalogue. - Germany: Widia Publ., 2017. - 657 p.

12. Быков Ю.М. Исследование закономерностей износа твердосплавного инструмента с износостойкими покрытиями с целью повышения его работоспособности: дис. ... канд. техн. наук: 05.03.01. -Волгоград, 1983. - 253 с.

13. Постников В. С. Физика и химия твердого состояния. - М.: Металлургия, 1978. - 544 с.

14. Исследование теплопроводности биметаллических соединений из однородных и разнородных сталей / Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, Д.В. Проничев,

А.Э. Петров // Известия ВолгГТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». - 2009. - № 11, вып. 3. - C. 31-35.

15. Effect of adhesion and tribological properties of modified composite nanostructured multi-layer nitride coatings on WC-Co tools life / A.A. Vereshaka, N. Sitnikov, A. Batako, M. Migranov, A. Aksenenko, S. Shevchenko, C. Sotova, A. Andreev // Tribology International. - 2018. - Vol. 128. - P. 313-327. -DOI: 10.1016/j.triboint.2018.07.039.

16. Working efficiency of cutting tools with multilayer nano-structured Ti-TiCN-(Ti,Al)CN and Ti-TiCN-(Ti,Al,Cr)CN coatings: analysis of cutting properties, wear mechanism and diffusion processes / A.A. Vereshaka, N. Sitnikov, A. Batako, G. Oganyan // Surface and Coatings Technology. - 2017. - Vol. 332. -P. 198-213. - DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.10.027.

17. Investigation of wear and diffusion processes on rake faces of carbide inserts with Ti-TiN-(Ti,Al,Si) N composite nanostructured coating / A.A. Vereshaka, N. Sitnikov, G. Oganyan, I. Sadov, Yu. Bublikov, C. Sotova // Wear. - 2018. - Vol. 416-417. - P. 72-80. -DOI: 10.31145/1999-513x-2017-7-59-65.

18. Influence of thickness of multilayer composite nano-structured coating Ti-TiN-(Ti,Al,Cr)N on tool life of metal-cutting tool / A.A. Vereshaka, N. Sitnikov, G. Oganyan, C. Sotova, S. Grigoriev // Procedia CIRP. -2018. - Vol. 77. - P. 545-548. - DOI: 10.1016/j. procir.2018.08.237.

19. KlockeE.h.F. Cutting materials, tools and coolants for machining with geometrically defined cutting edges / WZL. Fraunhofer IPT. - URL: http://www1.diccism. unipi.it/Valentini_Renzo/es%20Metallurgia%20 Meccanica/utensili.pdf (accessed: 12.08.2019).

20. Improvement of wear performance of nano-multilayer PVD coatings under dry hard end milling conditions based on their architectural development C. Shahereen, B.D. Beake, K. Yamamoto, B. Bose, M. Aguirre, G.S. Fox-Rabinovich, S.C. Veldhuis // Coatings. - 2018. - Vol. 8, iss. 2. - P. 59. - DOI: 10.3390/ coatings8020059.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

© 2019 Авторы. Издательство Новосибирского государственного технического университета. Эта статья доступна по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

OBRABOTKA METALLOV

MATERIAL SCIENCE

Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science. 2019 vol. 21 no. 3 pp. 97-105 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.3-97-105

Obrabotka metallov -

Metal Working and Material Science

Journal homepage: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov

Definition of Thermal Conductivity of Cemented Carbide Cutting Tools with Multilayer Wear-Resistant Coatings

1a * 2 b

Alexander Ingemansson ' ' , Alexander Bondarev '

1 JSC «Federal Scientific and production center «Titan-Barricady», Lenin av., w/n, Volgograd, 400071, Russian Federation

2

Volgograd State Technical University, 28 Lenin avenue, Volgograd, 400005, Russian Federation " https://orcid.org/0000-0002-7963-393X. © [email protected]. b https://orcid.org/0000-0002-0645-5634. © [email protected] ARTICLE INFO ABSTRACT

Article history. Introduction. The output parameters of cutting process, particularly the quality of machined surface, are

Received: 21 May 2019 largely determined by the character of chip-forming processes and contact interaction of parts and tool materials.

Revised. 05 June 2019 Adaptive cutting process control for modern automated CNC machinery allows ensuring the reliability of the output

Accepted: 15 July 2019 processing parameters. The development of mathematical models, which take into account the thermal conductivity

Available online: 15 September 2019 of tool materials, is the necessary condition for realizing the possibilities of adaptive control of modern equipment

in digital production systems (DPS) for machining operation. Cemented carbides are the main tool materials for Keywords: edge cutting of carbon, alloyed and stainless steels. At the same time, there is currently no complex of information

Cemented carbide tools on the thermal conductivity of instruments with multilayer coatings for machining operation of various materials,

Multilayer coatings for various processing conditions and methods for applying coatings. This problem is a limiting factor for the

Thermal conductivity development of reliable mathematical models for technological preparation of production and control of the output

Mathematical models parameters of the cutting process. Therefore, the analysis of thermal and physical properties of modern cemented

Digital production systems carbide tools with wear-resistant coatings and offering of practical recommendations are the up-to-date scientific

and practical task. The purpose of the work is to define a value of thermal conductivity of modern cemented carbide tools with wear-resistant coatings for subsequent use in development of mathematical models linking the modes and processing conditions with the current cutting forces and the output processing parameter - the surface roughness. The research methods are: the analysis and systematization of information on the chemical composition and designs of multilayer coatings based on the method of coating, modes and conditions of machining and materials to be machinined, as well as determining the thermal conductivity coefficients of hard-alloy tools with coatings by the calculation method. The results and discussion. Based on the analysis and calculations, the most widely used in manufacturing practice values of thermal conductivity coefficients for cutting tools with multilayer coatings are obtained. These values are intended for use in the development of mathematical models that link the modes and processing conditions with the output processing parameters and are based on the consideration of thermal and physical processes during cutting. The models developed on the basis of these data are planned to be used for the technological preparation of production and the adaptive control of modern equipment in the DSP for machining.

For citation: Ingemansson A.R., Bondarev A.A. Definition of thermal conductivity of cemented carbide cutting tools with multilayer wear-resistant coatings. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2019, vol. 21, no. 3, pp.97-105 . DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.3-97-105. (In Russian).

References

1. Talantov N.V. Fizicheskie osnovyprotsessa rezaniya, iznashivaniya i razrusheniya instrumenta [Physical fundamentals of cutting, wear and destruction of the tool]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1992. 240 p. ISBN 5-21701857-7.

2. Korloy. Metal cutting tools: сatalogue. South Korea, Korloy Publ., 2017, p. 1060.

* Corresponding author

Ingemansson Alexander R., Ph.D. (Engineering), Head of Technological department

JSC «Federal Scientific and production center «Titan-Barricady» Lenin av., w/n,

400071, Volgograd, RussianFederation

Tel.: +7 (8442) 74-90-74, e-mail: [email protected]

MATERIAL SCIENCE

OBRABOTKA METALLOV

3. Vereshchaka A.S., Tret'yakov I.P. Rezhushchie instrumenty s iznosostoikimipokrytiyami [Wear resistant cutting tools]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1986. 192 p.

4. Tabakov V.P., Chikhranov A.V. Iznosostoikie pokrytiya rezhushchego instrumenta, rabotayushchego v uslovi-yakh nepreryvnogo rezaniya [Wear resistant coatings of cutting tools operating in continuous cutting condition]. Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical University Publ., 2007. 255 p. ISBN 5-89146-710-0.

5. Andreev V.N., Borovskii G.V., Borovskii V.G., Grigor'ev S.N. Instrument dlya vysokoproizvoditel'nogo i eko-logicheski chistogo rezaniya [Tool for high-performance and environmentally friendly cutting]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2010. 480 p. ISBN 978-5-94275-571-1.

6. Balaji A.K., Mohan V.S. An «effective cutting tool thermal conductivity» based model for tool-chip contact in machining with multi-layer coated cutting tools. Machining Science and Technology, 2002, vol. 6, iss. 3, pp. 415-436. DOI: 10.1081/MST-120016254.

7. Ucun I., Aslantas K. Numerical simulation of orthogonal machining process using multilayer and single-layer tools. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, vol. 54, iss. 9-12, pp. 899-910. DOI: 10.1007/s00170-010-3012-9.

8. Sandvik Coromant machining work manual: guide. Sweden, Elanders Publ., 2010. 803 p.

9. Sandvik Coromant technology of metal cutting: guideline. Sweden, Elanders Publ., 2009. 359 p.

10. Sadik M.I. An introduction to cutting tools materials and applications. Sweden, Elanders Publ., 2013. 208 p. ISBN 978-91-637-4920-9.

11. Widia. Turning tool: сatalogue. Germany, Widia Publ., 2017. 657 p.

12. Bykov Yu.M. Issledovanie zakonomernostei iznosa tverdosplavnogo instrumenta s iznosostoikimi pokrytiyami s tsel'yupovysheniya ego rabotosposobnosti. Diss. kand. tekh. nauk [Study of the wear patterns of carbide tools with wear-resistant coatings in order to increase its efficiency. PhD eng. sci. diss.]. Volgograd, 1983. 253 p.

13. Postnikov V.S. Fizika i khimiya tverdogo sostoyaniya [Solid state physics and chemistry]. Moscow, Metal-lurgiya Publ., 1978. 544 p.

14. Gurevich L.M., Trykov Yu.P., Pronichev D.V., Petrov A.E. Issledovanie teploprovodnosti bimetallicheskikh soedinenii iz odnorodnykh i raznorodnykh stalei [Thermal conductivity investigation of bimetallic compounds from homogeneous and dissimilar steels] Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya «Problemy materialovedeniya, svarki i prochnosti v mashinostroenii» = Izvestia of Volgograd State Technical University. Series «Problems of materials science, welding and strength in mechanical engineering», 2009, no. 11, iss. 3, pp. 31-35.

15. Vereshaka A.A., Sitnikov N., Batako A., Migranov M., Aksenenko A., Shevchenko S., Sotova C., Andreev A. Effect of adhesion and tribological properties of modified composite nanostructured multi-layer nitride coatings on WC-Co tools life. Tribology International, 2018, vol. 128, pp. 313-327. DOI: 10.1016/j.triboint.2018.07.039.

16. Vereshaka A.A., Sitnikov N., Batako A., Oganyan G. Working efficiency of cutting tools with multilayer nano-structured Ti-TiCN-(Ti,Al)CN and Ti-TiCN-(Ti,Al,Cr)CN coatings: analysis of cutting properties, wear mechanism and diffusion processes. Surface and Coatings Technology, 2017, vol. 332, pp. 198-213. DOI: 10.1016/j. surfcoat.2017.10.027.

17. Vereshaka A.A., Sitnikov N., Sadov I., Bublikov Yu., Sotova C. Investigation of wear and diffusion processes on rake faces of carbide inserts with Ti-TiN-(Ti,Al,Si)N composite nanostructured coating. Wear, 2018, vol. 416417, pp. 72-80. DOI: 10.31145/1999-513x-2017-7-59-65.

18. Vereshaka A.A., Sitnikov N., Oganyan G., Sotova C., Grigoriev S. Influence of thickness of multilayer composite nano-structured coating Ti-TiN-(Ti,Al,Cr)N on tool life of metal-cutting tool. Procedia CIRP, 2018, vol. 77, pp. 545-548. DOI: 10.1016/j.procir.2018.08.237.

19. Klocke E.h.F. Cutting materials, tools and coolants for machining with geometrically defined cutting edges. WZL. Fraunhofer IPT. Available at: http://www1.diccism.unipi.it/Valentini_Renzo/es%20Metallurgia%20 Meccanica/utensili.pdf (accessed 12.08.2019).

20. Shahereen C., Beake B.D., Yamamoto K., Bose B., Aguirre M., Fox-Rabinovich G.S., Veldhuis S. Improvement of wear performance of nano-multilayer pvd coatings under dry hard end milling conditions based on their architectural development. Coatings, 2018, vol. 8, iss. 2, p. 59. DOI: 10.3390/coatings8020059.

Conflicts of Interest

The authors declare no conflict of interest.

© 2019 The Authors. Published by Novosibirsk State Technical University. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).