Принцип формирования многослойного покрытия для режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания

УДК 621.9.025

В. П. ТАБАКОВ, А. А. ЕРМОЛАЕВ

ПРИНЦИП ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА, РАБОТАЮЩЕГО В УСЛОВИЯХ НЕПРЕРЫВНОГО РЕЗАНИЯ

На основе анализа механизма изнашивания, теплового и напряжённого состояний режущего клина предлагается, принцип формирования многослойного покрытия для режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания. Приведены результаты исследования работоспособности режущего инструмента с разработанными покрытиями.

Одним из перспективных методов повышения работоспособности режущего инструмента (РИ) является создание на его рабочих поверхностях многослойных покрытий. Однако до сих пор не сформулированы научно обоснованные принципы их формирования. Зачастую одни и те же покрытия рекомендуются для различных условий обработки, и, наоборот, в одних и тех же условиях резания предлагают использовать разные конструкции покрытий.

Направленный выбор состава и конструкции многослойного покрытия для РИ возможен на основе анализа механизма изнашивания РИ с покрытием на операциях механической обработки. В этой связи аналитически исследовали тепловое и напряжённое состояние режущего клина проходных резцов при точении заготовок из стали 5ХНМ. Использовали методики [2, 3] и пакет прикладных программ ANSYS. Исходные данные для расчётов получали экспериментально для РИ с однослойными одноэлементными покрытиями TiN и TiCN и многоэлементными покрытиями - (Ti,Zr)N и (Ti,Zr)CN, которые наносили на твердосплавные пластины МК8. Исследовали также прочность сцепления покрытия с твердосплавной основой, которую оценивали по коэффициенту отслоения К0, и микротвёрдость покрытия [1].

1200 1000 С 800

^ 600 аз

В 400 200 0

Рис. 1. Влияние состава покрытия на распределение эквивалентных напряжений аэкв вдоль передней поверхности (расчётные кривые): 1- без покрытия; 2- TiN; 3- TiCN; 4- (Ti,Zr)N; 5- (Ti,Zr)CN

© Табаков В. П., Ермолаев А. А., 2004

На первом этапе исследовали механизм изнашивания РИ с однослойными покрытиями. Установлено, что разрушение покрытий на операциях непрерывного резания происходит в результате образования в них трещин [1]. При этом на площадке контакта стружки с передней поверхностью РИ наблюдаются два вида трещин: на участке пластического контакта трещины имеют относительно большой размер и располагаются вдоль режущей кромки. Природа их образования - упруго-пластические деформации режущего клина РИ в процессе резания; трещины на участке упругого контакта имеют меньшие размеры и расположены хаотично. Причиной их образования являются касательные напряжения при скольжении стружки по передней поверхности инструмента и адгезионно-усталостные процессы.

Известно [1], что нанесение однослойных одноэлементных покрытий, таких как ТОТ, снижает полную длину контакта стружки с передней поверхностью РИ. Это в свою очередь приводит к увеличению нормальных контактных напряжений, снижению запаса пластической прочности и сопротивления режущего клина РИ упруго-пластическим деформациям в процессе резания. Нанесение многоэлементных покрытий увеличивает полную длину контакта стружки Су с передней поверхностью РИ по сравнению с од-

Рис. 2. Влияние состава покрытия на распределение температуры в режущем клине (расчет): пунктир -ТОТ, сплошная линия - (Т^г^

0

0,5 х' = х/С,

поэлементными покрытиями. Тем самым снижаются нормальные контактные напряжения и эквивалентные напряжения в режущем клине (рис. !), незначительно повышается контактная температура на передней поверхности, но максимальное её значение сдвигается дальше от режущей кромки (рис. 2). Все это вместе взятое повышает запас пластической прочности режущего клина и его формоустойчивость - сопротивляемость упруго-пластическим деформациям. Покрытия на основе нитридов ('ПМ) обеспечивают большие значения коэффициента повышения запаса пластической прочности Кпг, чем карбонит-ридные покрытия (ПСМ), а покрытия сложного состава ((Т^ОМ) - по сравнению с одноэлементными (ТОЧ). В порядке возрастания коэффициента запаса пластической прочности исследуемые покрытия можно расположить в следующий ряд: ТЮН 'ПК, (Т1,2!г)СМ, (Т1^г)К Подтверждением повышения формоустойчивости режущего клина РИ при использовании многоэлементных покрытий является уменьшение величины вертикального смещения вершины режущего клина Лу (в результате износа РИ) по сравнению с покрытием ТОТ.

Исследования механических свойств покрытий показали (табл. 1), что однослойные многоэлементные и многокомпонентные покрытия обладают большей микротвёрдостью и уровнем остаточных напряжений сжатия, чем одноэлементные покрытия, что является причиной сдерживания процессов образования и развития трещин по сравнению с одноэлементными покрытиями.

Разрушение любого покрытия сопровождается вырывом отдельных его объёмов, уносимых сходящей стружкой. В этих условиях немаловажное значение приобретает прочность сцепления покрытия с инструментальной основой, характеризуемая коэффициентом отслоения материала покрытия К0. Как видно из табл. 1, покрытия на основе нитридов имеют наименьшую величину К0 по сравнению с карбонит-ридными, а одноэлементные покрытия - по сравнению с многоэлементными. Следовательно, наибольшая прочность сцепления характерна для одноэлементных нитридных покрытий.

Таким образом, для повышения работоспособности РИ в условиях непрерывного резания покрытия должны способствовать повышению формоустойчивости режущего клина, что может быть обеспечено

Таблица 1

Механические свойства однослойных покрытий

Покрытие Коэффициент отслоения к0 Микротвёрдость Гпа

та 0,8±0,3 21,2±0,8

ТлСЫ 1,5+0,3 29,4±0,9

(Т1,гг)к 1,2+0,2 33,2±1,1

1,7±0,3 37,6±2,3

путем увеличения его запаса пластической прочности. Это увеличит время работы РИ до начала образования трещин. С этой точки зрения следует использовать многоэлементные покрытия (Т^г)!^. Кроме того, для сдерживания процессов образования и развития трещин, покрытия должны иметь высокий уровень собственных сжимающих остаточных направлений, что характерно для карбонитридных и многоэлементных покрытий ('Д2г)СМ. С другой стороны, покрытия должны иметь высокую прочность сцепления с инструментальной основой, что характерно для одноэлементных нитридных покрытий ТОТ. Из вышесказанного следует, что обеспечить указанные требования в объеме однослойного покрытия невозможно, и они могут быть реализованы только в многослойном покрытии. Такое покрытие должно иметь как минимум два слоя: верхний слой должен обеспечить повышение запаса пластической прочности и, следовательно, формоустойчивости режущего клина и снижение интенсивности процессов треши-нообразования за счёт высокого уровня остаточных сжимающих напряжений и нормальных сжимающих напряжений в процессе резания, а нижний слой - высокую прочность сцепления с инструментальной основой.

В соответствии с предложенным принципом разработаны двухслойные покрытия, имеющие верхний слой из (Тг^г)^ и 'ПСК и нижний слой из ТОТ, ™-(Т1,гг)Ы и ТОТ-ТЮИ.

Для проверки предложенного принципа построения многослойных покрытий проведены экспериментальные исследования интенсивности износа РИ на операциях непрерывного и прерывистого точения и формоустойчивости режущего клина РИ. Исследовали РИ с покрытиями Т1К-ТлС>1 и ТЮК-ТОТ, толщины верхнего и нижнего слоев которых были равны 3 мкм. Покрытие с верхним слоем ТОТ не отвечало предложенному выше принципу формирования и было построено с учётом условий прерывистого резания [4].

Установлено, что в условиях непрерывного резания интенсивность износа РИ с покрытием ТОТ-TiCN в 1,5-1,7 раза меньше износа РИ с покрытием ТЮМ-ТИМ. При прерывистом точении наблюдается обратная картина. Величина вертикального смещения вершины режущего клина 1гу определяется свойствами верхнего слоя покрытия. Из всех исследованных покрытий наименьшую величину обеспечивает покрытие Т1М-(Т^гг)И (рис. 3). Это связано с тем, что именно верхний слой покрытия отвечает за тепловое и напряжённое состояние режущего клина, а, как было отмечено выше, однослойное покрытие (гП,гг)К обеспечивает наибольший коэффициент запаса пластической прочности. Величины Иу для РИ с однослойным и двухслойным покрытиями, верхний слой которых имеет тот же состав, что и однослойное, примерно одинаковы при одном и том же режиме резания. Таким образом, подтверждена справедливость предложенного принципа формирования мно-

гослойного покрытия для условии непрерывного резания.

Для выявления рациональных конструкций многослойных покрытий Т^К-ТлОМ и Тй^-СП^г)!^ провели исследования остаточных напряжений а о, микротвёрдости Н^ коэффициента отслоения к], и интенсивности износа РИ. Обшей толщиной покрытия варьировали в пределах 6-10 мкм, толщиной верхнего слоя - от 2 до 6 мкм. Эксперимент планировали с использованием симплекс-суммируемого ротатабель-ного плана второго порядка. Выявлено, что увеличение толщины верхнего слоя многослойного покрытия ведёт к повышению микротвёрдости и уровня остаточных напряжений сжатия. Минимальный коэффициент отслоения наблюдается у покрытий с толщиной нижнего слоя ТЖ 3-4 мкм. Покрытия с внешним слоем (Т1,2г)Ы имеют большую микротвёрдость, чем покрытия ТЮК при одинаковых значениях коэффициента отслоения. Минимальная интенсивность износа РИ зафиксирована у покрытий общей толщиной 8 мкм. На режимах предварительной обработки (V = 160 м/мин, 8 = 0,3 мм/об) наименьшую интенсивность износа РИ обеспечивают покрытия с толщиной верхнего слоя, составляющей 35-60 % от общей толщины покрытия, а на режимах окончательной обработки (V = 200 м/мин, в = 0,1 мм/об) - 50-80 %. При этом интенсивность износа РИ с многослойным покрытием и верхним слоем из (П,2г)Ы в 1,5-2 раза меньше интенсивности износа покрытий с верхним слоем из ИСК

Стойкостные испытания РИ (рис. 4) показали, что многослойные покрытия повышают период стойкости РИ по сравнению с покрытием в 1,7-3,5 раза (в зависимости от конструкции покрытия и условий резания).

10

2 6

2

160 170 180 190 200

V, м/мин

Рис. 3. Влияние скорости резания V на величину вертикального смещения вершины режущего клина Ау при точении заготовок из стали 5ХНМ: Б = 0,3 мм, 1 = 1 мм; 1 - Т^-ТЮК; 2 -

Рис. 4. Влияние скоростей резания V (а) и подачи 5 (б) на стойкость РИ с различными покрытиями при точении заготовок из стали 5ХНМ: 1 - ТлИ;

2 - з - датош*

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Табаков, В. П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана / В. П. Табаков. - Ульяновск: УлГТУ, ] 998. - 122 с.

2. Резников, А. Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов / А. Н. Резников. -М.: Машиностроение, 1981. - 279 с.

3. Писаренко, Г. С. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии / Г. С. Писаренко, А. А. Лебедев. - Киев: Наукова думка, 1976.-415 с.

4. Табаков, В.П. Повышение работоспособности торцовых фрез путем совершенствования структуры износостойких покрытий / В. П. Табаков. М. Ю. Смирнов, Н. А. Ширманов // СТИН. - 2002. -№2.-С. 6-10.

ОООООО0ООО©ООФ©ООООО

Табаков Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Метал-лорежущие станки и инструменты» УлГТУ, имеет монографии и статьи в области упрочняющих технологий, повышающих работоспособность режущего инструмента.

Ермолаев Андрей Анатольевич, ведёт исследования в области упрочнения металлорежущих инструментов путём нанесения ионно-плазмениых покрытий.