Αύξηση της απόδοσης κοπής επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων μέσω βελτιστοποίησης των τεχνολογικών χαρακτηριστικών τους, με τη χρήση πειραματικών διαδικασιών και αναλυτικών μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων
Authors: Κοτσάνης Τηλέμαχος 
Published: September 2021

Ο κύριος στόχος των μεγαλύτερων βιομηχανιών είναι η βελτιστοποίηση των κοπτικών εργαλείων τα οποία χρησιμοποιούνται στις μορφοποιήσεις. Στην επίτευξη του παραπάνω στόχου εξαιρετικά ωφέλιμη είναι η συμβολή των λεπτών σκληρών επικαλύψεων. Έτσι, η εφαρμογή των επικαλύψεων εναποθετημένων μέσω Φυσικής (PVD) και Χημικής (CVD) εναπόθεσης ατμών στα κοπτικά εργαλεία, συμβάλλει σε μείζονα βαθμό στην αύξηση της αντοχής σε κόπωση και στην επιμήκυνση της διάρκειας ζωής τους. Ωστόσο, μια σειρά τεχνολογικών παραμέτρων κρίνεται αναγκαίο να διερευνηθούν προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η απόδοση κοπής. Για τους παραπάνω λόγους, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής μελετήθηκε η εξάρτηση της απόδοσης κοπής επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων από τα χαρακτηριστικά της επικάλυψης, όπως η δομή και το πάχος, από τις εναπομένουσες τάσεις και από την ποιότητα συνάφειας. Αρχικά νανοδομημένες επικαλύψεις με διαφορετικά πάχη επικάλυψης εναποτέθηκαν μέσω φυσικής εναπόθεσης ατμών σε κοπτικά εργαλεία σκληρομετάλλου, με σκοπό τη διερεύνηση της απόδοσης κοπής τους κατά το φραιζάρισμα. Οι συγκεκριμένες επικαλύψεις πολλαπλών διαδοχικών νανο-στρώσεων παρουσιάζουν βελτιωμένη απόδοση κοπής συγκριτικά με τις μονοστρωματικές επικαλύψεις ίδιου πάχους και ίδιας χημικής σύστασης. Η εφαρμογή των παραπάνω επικαλύψεων αποκάλυψαν μια σημαντική βελτίωση της διάρκειας ζωής όταν αυξάνεται το πάχος της επικάλυψης. Έτσι λοιπόν η αύξηση της διάρκειας ζωής του εργαλείου είναι σχεδόν ανάλογη της αύξησης του πάχους, αντισταθμίζοντας με αυτόν τον τρόπο το κόστος κατασκευής τους και βελτιώνοντας την παραγωγικότητα. Επιπλέον PVD TiAlN επικαλύψεις με διαφορετικές τιμές εναπομενουσών τάσεων εναποτέθηκαν σε εργαλεία σκληρομετάλλου με σκοπό την διερεύνηση της απόδοσης κοπής κατά το τορνάρισμα. Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν την σημαντική συνεισφορά των συμπιεστικών εναπομενουσών τάσεων τόσο στην αύξηση των μηχανολογικών ιδιοτήτων και της συνάφειας όσο και στην βελτίωση της διάρκειας ζωής. Αντιθέτως εάν οι εναπομένουσες τάσεις είναι μεγαλύτερες από μια βέλτιστη τιμή, χειροτερεύουν την συνάφεια της επικάλυψης και αυξάνεται η ψαθυρότητα. Σημαντικό πεδίο έρευνας της διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η μελέτη της αντοχής σε κόπωση της διεπιφάνειας μεταξύ αδαμαντοεπικάλυψης και υποστρώματος σκληρομετάλλου που έχουν εναποτεθεί μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών. Με βάση μια δυναμική προσομοίωση της κεκλιμένης επαναλαμβανόμενης κρούσης, ποσοτικοποιήθηκε η αντοχή σε κόπωση της διεπιφάνειας μέσω της κρίσιμης διατμητικής τάσης (SFLS), η οποία χαρακτηρίζει την διεπιφάνεια αδαμαντοεπικάλυψης – υποστρώματος και επηρεάζεται από τη θερμοκρασία, από τις εναπομένουσες τάσεις και από τη συνάφεια. Η υπολογισμένη κρίσιμη διατμητική τάση μπορεί να συγκριθεί άμεσα με τις διατμητικές τάσεις που αναπτύσσονται στην διεπιφάνεια κατά το φραιζάρισμα. Με τη σύγκριση αυτή παρέχονται στοιχεία τα οποία μπορούν να προβλέψουν την εξέλιξη της φθοράς των αδαμαντοεπικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων και μπορούν να χαρακτηριστούν σαν εργαλεία με καλή συνάφεια ή όχι πριν από την αποκάλυψη του υποστρώματος στην καμπυλότητα της κοπτικής ακμής. Τέλος αποδείχθηκε ότι οι διαφορετικές δομές και οι διαφορετικές ποιότητες συνάφειας της αδαμαντοεπικάλυψης επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό τους μηχανισμούς φθοράς που αναπτύσσονται κατά το φραιζάρισμα και εν τέλει την απόδοση κοπής τους.