Применение многослойных покрытий для повышения эффективности режущего инструмента, работающего в стесненных условиях резания

новые материалы и технологии производства

УДК 621.9.025

Применение многослойных покрытий

для повышения эффективности режущего инструмента,

работающего в стесненных условиях резания

В. П. Табаков, С. С. Порохин

Ключевые слова: износ, многослойные ионно-плазменные покрытия, напряжения, отрезной инструмент, распределение тепла.

Физико-химические процессы, протекающие на контактных площадках режущего инструмента, оказывают существенное влияние на тепловое и напряженное состояние и в конечном итоге сказываются на износе инструмента. Поэтому при разработке износостойких покрытий необходимо учитывать условия резания, в которых находятся контактные площадки режущего инструмента.

Целью данной работы является разработка многослойных покрытий для режущего инструмента, работающего в стесненных условиях резания. В качестве объекта исследований были выбраны отрезные твердосплавные резцы, работающие в таких условиях, когда сильно затруднен теплоотвод из зоны резания, а источники тепла сконцентрированы на нескольких близкорасположенных режущих кромках.

Исследовали однослойные покрытия ТШ, тг^ Т.АШ и ТАЮг^ которые получали методом конденсации вещества в вакууме, с ионной бомбардировкой и наносили на неперетачиваемые твердосплавные пластины Н13А фирмы Sandvik СоготаП (Швеция). Тепловое и напряженное состояние режущего инструмента при отрезке заготовок из стали 30ХГСА оценивали по методике, представленной в работах [1, 2], по методу конечных элементов с использованием программной системы численного анализа ANSYS. Необходимые для оценки теплового состояния контактные характеристики (полная длина контакта стружки с передней поверхностью Су, коэффициент укорочения стружки К, составляющие силы резания Рг, Ру) определяли экспериментально. Температурные поля в режущем клине инструмента строили по методике, учитывающей стесненные условия резания (методика изложена в статье [3]). Режимы резания: скорость резания V = 44 и 88 м/мин; подача й = 0,1 и 0,2 мм/об; глубина резания

t = 4 мм. Структурные параметры (период кристаллической решетки а, ширину рентгеновской линии Рш, параметр текстуры <1п/<200) определяли на рентгеновском дифрактоме-тре ДРОН-3М, микротвердость Н^ измеряли на микротвердомере ПМТ-3 с использованием пирамиды Кнуппа при нагрузке 1 Н [4]. Прочность сцепления покрытия с инструментальной основой оценивали по коэффициенту отслоения К0 (снижение коэффициента свидетельствовало о повышении прочности), который определяли методом вдавливания алмазного конического индентора (конуса Рок-велла) с использованием твердомера ТК-2М при нагрузке 1000 Н [4]. При исследовании влияния конструкции многослойного покрытия (общей толщины и толщины отдельных слоев) на структурные параметры, механические свойства и интенсивность износа использовали симплекс-суммируемый ротата-бельный план второго порядка. Общую толщину многослойных покрытий варьировали в пределах 4,0-7,0 мкм, а толщину отдельных слоев — в диапазоне 1,5-5,5 мкм в зависимости от общей толщины покрытия. Толщину покрытия и отдельных его слоев определяли на опытных образцах, закрывая часть их поверхности от ионного потока, затем проводили измерение с помощью профилографа-профилометра и, наконец, контролировали по времени осаждения покрытия. Интенсивность износа режущего инструмента определяли по формуле:

< = -^10-3

где ^ — величина фаски износа по задней поверхности, мм; t — время работы режущего инструмента до момента фиксирования величины hз, мин; V — скорость резания, м/мин.

Исследованиями установлено, что применение покрытий позволяет снизить температуру на контактных площадках инструмента. Наибольшее снижение температуры наблюдается при нанесении покрытий ТШ, оно составило 15 %. Повышение мощности тепловых потоков при нанесении многоэлементных покрытий TiZrN, Т.АШ и ^А1СШ увеличивает температуры в зоне контакта на передней поверхности по сравнению с аналогичным показателем для покрытия ТШ, снижение температуры резания для режущего инструмента с такими покрытиями составило 11-12 %. Снижение длины контакта стружки с передней поверхностью Су при нанесении покрытия TiN приводит к смещению изотерм температуры к задней поверхности режущего инструмента (рис. 1). Нанесение карбонитридных покрытий TiCN еще больше смещает изотермы температуры к задней поверхности из-за уменьшения величины Су по сравнению с соответствующим значением для покрытия ТШ. Сопоставление с характеристикой последнего показывает, что при нанесении многоэлементных покрытий TiZrN, Т1АШ и ^А1СШ длина контакта Су увеличивается, что приводит к смещению изотерм температурных полей в режущем клине инструмента в сторону от задней поверхности и режущих кромок инструмента. При нанесении многоэлементных покрытий увеличение мощности теплового источника на передней поверхности способствует большему прогреву инструмента, что проявляется в смещении изотерм температуры от передней поверхности в сторону основы инструмента.

а)

б)

а)

2 мм1050 1100 °С

б)

800 ¿с.

900 700

500

Рис. 1. Распределение температур в режущем клине инструмента: а — в сечении режущего клина по уголку; б — в середине режущей кромки: 1 — без покрытия (сплошная) и с покрытием Т1Ы (пунктир); 2 — с покрытием Т1А10гЫ

1100 °С

1000

1000

900

1000

1000

900

800

900

800

500

700

500

500

Рис. 2. Распределение температур в режущем клине инструмента в зависимости от величины износа по задней поверхности: а — в сечении режущего клина по уголку; б — в середине режущей кромки:

1 — фаска износа 0,05 мм; 2 — фаска износа 0,40 мм

По мере работы режущего инструмента его тепловое состояние изменяется. Увеличение фаски износа по задней поверхности ведет к снижению температуры в режущем клине вблизи задней поверхности, на середине режущей кромки и на уголках инструмента (рис. 2, а, б; позиция 2). Наблюдаемое снижение температур объясняется отводом большего количества тепла из режущего клина в заготовку при увеличении фаски износа. Повышение теплоотвода вызывает снижение интенсивности износа инструмента по главной задней поверхности. В то же время зона максимальных температур на вспомогательной режущей кромке сдвигается в сторону от вершины уголка (рис. 2, б, позиция 2). Это вызывает смещение очага износа на вспомогательной режущей кромке в указанном направлении и повышение интенсивности износа на вспомогательной задней поверхности. Дальнейший рост фаски износа на вспомогательной задней поверхности ведет к потере работоспособности режущего инструмента.

Уменьшение сил резания при нанесении покрытий ТШ ведет к снижению напряжений в режущем клине инструмента (рис. 3). Для режущего инструмента с карбонитридным покрытием TiCN характерны более высокие напряжения в режущем клине, вызванные более высокими значениями сил резания и меньшей длинной контакта стружки Су с передней поверхностью. При нанесении покрытия ТШ уменьшение длины контакта стружки с передней поверхностью вызывает смещение изобар

а) б)

Рис. 3. Распределение напряжений стх в режущем клине инструмента:

а — без покрытия; б — ^^ в — ТШ^ г — ТШС^

напряжений к задней поверхности режущего инструмента. Если сравнивать с покрытием то нанесение многоэлементных покрытий Т.АШ, TiZrN, Т.А1С^ ведет к уменьшению напряжений ах вдоль оси х и смещению изобар напряжений в сторону от задней поверхности и режущей кромки инструмента.

Формоустойчивость режущего клина инструмента оценивали по методике, представленной в работе [5]. Установлено, что нанесение покрытий снижает эквивалентные напряжения, действующие на передней поверхности режущего инструмента в процессе резания, по сравнению с аналогичными величинами для режущего инструмента без покрытия на 40-60%. Наибольшие эквивалентные напряжения характерны для режущего инструмента с покрытием При нанесении многоэлементных покрытий повышение длины контакта Су способствует снижению эквивалентных напряжений по сравнению с теми, что зафиксированы при нанесении покрытия При этом наименьшие эквивалентные напряжения имеют место при резании инструментом с покрытием ТА1Сг^

В процессе резания в покрытиях возникают нормальные напряжения сжатия. Наименьшая величина данных напряжений характерна для покрытия ^^ Для многоэлементных покрытий сжимающие нормальные напряжения существенно выше, а максимальная величина определена для покрытия Т.А1Сг^ Более высокий уровень сжимающих нормальных напряжений в многоэлементных покрытиях объясняется их высокими механическими свойствами и действующими в них высокими сжимающими остаточными напряжениями. Высокие значения сжимающих нормальных напряжений, возникающих в покрытии

в процессе резания, способствуют торможению процессов образования и развития в нем трещин и его разрушения.

Исследованиями установлено, что и при стесненном, и при свободном резании наблюдаются общие закономерности влияния покрытий на тепловое и напряженное состояние режущего инструмента. Однако работа инструмента в условиях стесненного резания ведет к некоторому снижению эффективности износостойких покрытий по сравнению с аналогичным показателем в условиях свободного резания. Наилучшее тепловое и напряженное состояние режущего клина инструмента обеспечивает покрытие ^А1СШ. Несмотря на небольшое повышение температуры в зоне контакта на передней поверхности, нанесение покрытия ТА1С^ в большей степени, чем в случае с покрытием смещает изотермы температур от режущих кромок и вглубь инструментальной основы, что приводит к снижению те-плонапряженности на уголках инструмента.

Сравнение теплового и напряженного состояния режущего инструмента, работающего в условиях стесненного резания и при обычном продольном точении [4], показывает, что влияние покрытий на контактные характеристики, распределение полей температур и напряжений в режущем клине, эквивалентные напряжения и напряжения, возникающие в покрытиях в процессе резания, аналогично. Исходя из этого и принимая во внимание принцип формирования многослойных покрытий режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания [4], были предложены следующие конструкции многослойных покрытий ^АШ-ПА1СШ, ^АШ-ПА^^

Для определения оптимальной конструкции многослойного покрытия были проведены исследования параметров структуры, механических свойств и интенсивности износа режущего инструмента. Результаты исследований параметров структуры и механических свойств многослойных покрытий представлены на рис. 4 и в табл. 1.

В ходе исследований было выявлено установлено, что на структурные параметры и механические свойства многослойного покрытия оказывает влияние толщина верхнего слоя. Общая толщина многослойного покрытия сказывается в основном на прочности сцепления с инструментальной основой. Так, увеличение толщины верхнего слоя ТА1С^ ведет к повышению ширины рентгеновской линии Рщ и уменьшению параметра текстуры ^ш/^ОО. Увеличение ширины линии Рц объясняется более высокой микротвердостью верхнего слоя ТА1Сг^ С увеличением толщины доля

новые материалы и технологии производства

¿111/<1200 $111 гРад

18,0-, 0,8-,

13,5- 0,6-

9- 0,4-

4,5- 0,2-

0 0-

1

К0 ГПа

Г 1,4 г 60

-1,1 -45

-0,8 -30

-0,5 -15

-0,2 5 0

Толщина верхнего слоя, мкм Коэффициент отслоения Кс Микротвердость Нщ, ГПа Полуширина рентгеновской линии Р111, град. Параметр структуры ^11^200

3,5 0,17 52 0,58 8,7

2,5 0,29 51 0,53 9,9

1,5 0,40 48 0,51 13,7

данного слоя в общей толщине многослойного покрытия возрастает, следовательно, становится больше и величина Рш.

С увеличением толщины верхнего слоя более высокие значения приобретает микротвердость Нщ многослойного покрытия. Повышение толщины верхнего слоя, у которого микротвердость выше, чем у нижнего слоя, вызывает увеличение величины Нщ на 12 % (рис. 4). Коэффициент отслоения Ко многослойных покрытий с увеличением толщины верхнего слоя снижается, что свидетельствует о повышении прочности сцепления с инструментальной основой. Увеличение общей толщины многослойного покрытия снижает прочность сцепления, о чем свидетельствует повышение коэффициента Ко.

Для многослойного покрытия Т1АШ-Т1А15^ получены аналогичные результаты по структурным параметрам и механическим свойствам (табл. 1). Влияние конструкции многослойного покрытия на интенсивность износа изучали при прорезке пазов в заготовках из стали 30ХГСА. Режим резания: V = 88,0 м/мин, 8 = 0,2 мм/об, t = 4,0 мм, глубина пазов — 5,0 мм. Результаты данных исследований представлены на рис. 5.

Судя по представленным данным, с увеличением толщины верхнего слоя интенсивность

ЬтА1Сг№ мкм 51

4-

2 3 4

ЬгАСт№ мкм

Рис. 4. Влияние толщины Н верхнего слоя ТЧАЮгК на структурные параметры и механические свойства многослойного покрытия Т1АШ-Т1А1Сг№

1 — микротвердость Нщ; 2 — полуширина рентгеновской линии Рш; 3 — параметр текстуры ^111/^200; 4 — коэффициент отслоения К0. Общая толщина многослойного покрытия 6 мкм

Таблица 1

Влияние толщины верхнего слоя TiAlSiN на структурные и механические свойства многослойного покрытии TiAlN-TiAlSiN

3-

2-

1 -

0 1 2 3 4 5

Ьгыт, мкм

Рис. 5. Топограмма интенсивности износа режущего инструмента в зависимости от толщин верхнего Нт1А1СгЫ и нижнего йг1АШ слоев покрытия: 1—6 — интенсивность износа J х 10-4: 1 — 0,09 мкм; 2 — 0,116 мкм; 3 — 0,143 мкм; 4 — 0,197 мкм; 5 — 0,250 мкм; 6 — 0,304 мкм

износа режущего инструмента уменьшается и достигает своего минимума при толщине, равной 40-60 % от общей толщины покрытия. Выявленная закономерность наблюдается для всех толщин многослойного покрытия, минимальная интенсивность износа имеет место при общей толщине многослойного покрытия 6-7 мкм.

Исследования эффективности режущего инструмента с многослойными покрытиями проводили при прорезке пазов в заготовках из стали 30ХГСА и 12Х18Н10Т (табл. 2). За критерий эффективности принимали количество пазов, обработанных режущим инструментом, до тех пор, пока величина фаски износа по вспомогательной задней поверхности не становилась равной 0,4 мм. Установлено, что количество пазов, прорезанных

Таблица 2

Влияние многослойных покрытий на эффективность режущего инструмента

Покрытие Количество прорезанных пазов

30ХГСА* 12Х18Н10Т**

Т1М 74 31

ТСАШЛЧАЮгЫ 158 58

Т1АШ-Т1А181Ы 164 65

Т1А1-Т1А1К-Т1А1СгЫ 208 70

Т1А1-Т1АШ-Т1А181Ы 220 81

* V = 88,0 м/мин; 8 = 0,2 мм/об; í = 4,0 мм.

** V = 44,0 м/мин; 8 = 0,1 м/об; í = 4,0 мм

1

4

инструментом с многослойными покрытиями, в 1,85-2,20 раза больше по сравнению с соответствующими результатами применения инструмента с покрытием Т1]Ы. При этом большей эффективностью обладает многослойное покрытие НАШ-ИА^ЗЫ.

Как показано в работе [4], одним из направлений повышения эффективности многослойных покрытий является нанесение адгезионных слоев, которые повышают прочность сцепления покрытия с инструментальной основой. В ре-узультате исследований установлено, что нанесение адгезионных слоев позволяет дополнительно повысить эффективность многослойных покрытий в 1,25-1,35 раза (см. табл. 2). На разработанные многослойные покрытия получены патенты на изобретения [6-8], опытно-промышленные испытания подтвердили их эффективность.

Литература

1. Зорев Н. Н., Грановский Г. И., Ларин М. Н.

и др. Развитие науки о резании металлов. М.: Машиностроение, 1967. 415 с.

2. Резников А. Н. Теплофизика процессов механической обработки металлов. М.: Машиностроение, 1981. 286 с.

3. Табаков В. П., Порохин С. С. Влияние покрытий на тепловое и напряженное состояние режущего инструмента при отрезке заготовок из конструкционных сталей // Упрочняющие технологии и покрытия. 2010. № 5. В печати.

4. Табаков В. П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента. М.: Машиностроение, 2008. 311 с.

5. Лоладзе Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982. 320 с.

6. Пат. 2268321 Российская Федерация. МПК7 С 23 С 14/06, С 23 С 14/24. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента / В. П. Табаков, Н. А. Ширманов, А. В. Чихранов и др.; заявитель и патентообладатель Ульяновск, гос. техн. ун-т. № 2004117034/02; заявл. 04.06.2004; опубл. 20.01.2006. Бюл. № 2.

7. Пат. 2269601 Российская Федерация. МПК7 С 23 С 14/06, С 23 С 14/48. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента / В. П. Табаков, Н. А. Ширманов, А. В. Чихранов и др.; заявитель и патентообладатель Ульяновск, гос. техн. ун-т. № 2004117035/02; заявл. 04.06.2004; опубл. 10.02.2006. Бюл. № 4.

8. Пат. 2268320 Российская Федерация. МПК7 С 23 С 14/06, С 23 С 14/48. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента / В. П. Табаков, Н. А. Ширманов, А. В. Чихранов и др.; заявитель и патентообладатель Ульяновск, гос. техн. ун-т. № 2004117032/02; заявл. 04.06.2004; опубл. 20.01.2006,. Бюл. № 2.