На пути к новым режущим материалам

Ульман Е. и Виеман Е.

Создание новых режущих материалов и покрытий для режущих инструментов представляет собой процесс, требующий большого времени и материальных затрат. Большую часть исследований, проводимых для оценки режущих инструментов, можно заменить комбинацией аналоговых трибологических  исследований и прогнозирующего математического моделирования.

          Всё более обостряющаяся национальная и международная конкуренция обусловила превращение скорости резания  в решающий фактор эффективности процесса обработки резанием. Помимо уменьшения затрат при создании новых режущих материалов ключевым фактором является так называемое “время пути к рынку”. Однако создание новых режущих материалов и новых покрытий инструментов достаточно сложно технологически и требует много времени, так как существует много вариантов базового материала, подготовки базового материала, структуры покрытия и методов нанесения покрытия. Оценка новых инструментов исключительно на основании стандартного испытания методом царапания не даёт достаточно достоверных результатов, так как к инструменту в процессе резания предъявляются довольно разнообразные требования, которые часто определяются спецификой обрабатываемого материала. Поэтому, как правило, имеют место весьма затратные исследования процесса резания с использованием очень дорогих обрабатываемых материалов.

Математическое прогнозирующее моделирование

На основании изложенного выше цель многочисленных исследований заключается в выявлении возможности прогнозирования стойкости режущего инструмента с помощью эмпирических уравнений [1-4]. Простейшим примером сказанного является следующее уравнение Тейлора Т = С_Т·υ^к (уравнение 1), с помощью которого в двойной логарифмической системе координат зависимость между скоростью резания υ_с и стойкостью Т выражается прямой линией. Конечно, и в этом случае для определения необходимых постоянных приведенного выше уравнения требуются затратные экспериментальные исследования процесса резания. Кроме того, выявлено, что применение подобных простых уравнений для инструментов с износостойким покрытием часто не позволяет получать достоверные результаты. Причина этого заключается в том, что при работе инструментов с покрытием при идентичном химическом составе покрытия и базового режущего материала и аналогичных условиях резания разброс значений стойкости инструмента достигает 240% [5].

          Существует также необходимость увязать свойства режущих инструментов с номинальными значениями твёрдости, коэффициента трения и температуры окисления и учитывать эти зависимости при прогнозировании. В работе [6] покрытие инструмента учитывали через коэффициент покрытия, который опять же необходимо определять в процессе экспериментального исследования процесса резания. Одной из первых достоверных математических моделей, основанной преимущественно на номинальных параметрах материала, является математическая модель Дёрра [7]. В этом случае для прогнозирования стойкости инструмента при точении используются возведенные в определённую степень отношения толщины и твёрдости слоя покрытия, а также коэффициента трения, температуры окисления и значения теплопроводности рассматриваемого и эталонного инструментов, причём в качестве показателей степени используются постоянные уравнения. Конечно, определение теплопроводности не относится к обычным процедурам, и подобная математическая модель не позволяет прогнозировать стойкость инструмента при изменении материала обрабатываемой детали или при изменении параметров процесса обработки.

Поэтому предлагается более подходящая математическая модель, которая позволяет прогнозировать производительность режущего инструмента на основании толщины покрытия, а также результатов испытания методом царапания и результатов испытания на трение и окисление. Подобные исходные параметры являются достаточно информативными для многих случаев прогнозирования стойкости режущего инструмента, так как они отвечают традиционным требованиям, предъявляемым к режущим инструментам.

Аналоговые исследования износа инструмента

            Эти требования обусловлены, в первую очередь, механическими и тепловыми нагрузками, а также трением и химическими процессами при резании, поэтому механизм износа режущего инструмента обусловлен абразивным истиранием, адгезией, окислением и нарушением целостности поверхностного слоя. Стойкость покрытия в отношении абразивного износа зависит от толщины покрытия h_s и одновременно оказывает влияние на величину критической нагрузки L_c при испытании методом царапания, так как в процессе подобного испытания твёрдый алмазный наконечник проникает в слой покрытия (рис.1). Склонность покрытия к адгезии очень хорошо исследовать методом трения «шарик-диск». В этом случае образец обрабатываемого материала в течение определённого времени совершает осциллирующее поступательное перемещение по поверхности покрытия и одновременно прижимается к этой поверхности по нормали. Получаемый таким образом коэффициент трения μ характеризует влияние возможного адгезионного залипания у поверхности контакта режущего и обрабатываемого материалов (рис.2). Стойкость против окисления Т_ох определяется с использованием печи, для чего измеряют увеличение массы инструмента, обусловленное соединением режущего материала с кислородом (рис.3). Температура, при которой подобное увеличение массы инструмента, отнесённое к единице времени прогрева инструмента, превышает граничное значение 20 мг/см², принимается в качестве температуры окисления. В качестве критерия, характеризующего влияние нарушения целостности поверхности, принимается критическая нагрузка L_c, полученная при испытании методом царапания.

Предлагаемая математическая модель

          Как уже указывалось в приложении к работе [7], в существующую математическую модель вводят поправочный коэффициент KF, на который необходимо умножить критерий стойкости, принятый для эталонного инструмента, чтобы получить прогнозируемую стойкость рассматриваемого инструмента:

Т_VB300 = KF · T_VB300ref                  (уравнение 2)

Поправочный коэффициент определяют следующим образом:

KF = k₀ · A^k1 · B^k2 · C^k3 · D^k4       (уравнение 3), где

А =  h_s/h_sref  (уравнение 4)  

В =  L_c/L_cref  (уравнение 5)

С = μ_ref/μ   (уравнение 6)   

D =  T_ox/T_oxref  (уравнение 7).

Для определения постоянных к₀ – к₄ приведенных выше уравнений необходимо сначала провести реальные исследования процесса резания, а также небольшие  относительно простые аналоговые исследования. Названные постоянные определяют с помощью числовых методов таким образом, чтобы свести к минимуму квадратичное отклонение между результатами исследования и имеющимися результатами, получаемыми с помощью системы уравнений. Эти базовые данные позволяют прогнозировать производительность режущих инструментов с новыми покрытиями.

Влияние исходных параметров

Математические модели предоставляют также информацию о влиянии исходных параметров. На рис.4 показан пример износа по задней поверхности многогранной режущей пластины при токарной обработке сплава Inconel 706 на основе никеля. Стойкость исследовавшегося в данном случае покрытия AlVCrN уменьшается быстрее, чем стойкость покрытий TiAlVCrN и AlCrY (рис.5). Кроме того, гистограмма показывает  максимальный разброс значений износа. Из гистограммы видно, что прогнозируемое значение стойкости инструмента, полученное с помощью уравнения 2, лишь незначительно выходит за область разброса экспериментальных значений стойкости. В таблице 1 приведены использовавшиеся исходные значения выбранных параметров.

          Таким образом, выбранная математическая модель пригодна для прогнозирования стойкости инструмента при различных материалах обрабатываемой детали. К тому же  возможности уравнения 3 расширяются за счёт введения таких факторов влияния, обрабатываемого материала, как предел прочности при растяжении R_m, твёрдость HV0,1 и содержание углерода % С, а также соответствующих показателей степени. Таким образом, можно обеспечить очень хорошее прогнозирование стойкости инструмента при обработке резанием других материалов (рис.6) даже не прибегая к реальной обработке этих материалов. Результаты обработки резанием, а также данные обрабатываемого материала [7] используются таким образом, что появляется возможность математического моделирования стойкости инструмента. Исходные данные приведены в таблицах 2 и 3. Так как отсутствуют значения критической нагрузки L_c, то в уравнении 5 вместо критической нагрузки используют теплопроводность λ.

          При первоначальном прогнозировании производительности приведенные математические модели обеспечивали дополнительные сведения относительно влияния отдельных исходных параметров, так как постоянные k_i  отражали значимость каждого параметра. Данные, приведенные в таблице 4, поясняют, что с точки зрения  экономичности точения жаропрочного сплава Inconel 706 толщина покрытия на инструменте и температура окисления имеют большее значение, чем, например, коэффициент трения. Причина этого заключается в том, что, с одной стороны,  такие сплавы обладают низкой теплопроводностью, что обусловливает высокую температуру в процессе резания, а, с другой стороны, имеет место  явно выраженная склонность к абразивному залипанию, что проявляется, в основном, в виде высокого коэффициента трения. На основании постоянных для математических моделей это позволяет автоматически получать очень ценные сведения для дальнейшей работы по созданию новых покрытий для режущих инструментов.

В таблице 5 аналогично показано, что при обработке выбранных различных обрабатываемых материалов особенное значение имеют толщина и твёрдость покрытия, а коэффициент трения и теплопроводность, напротив, оказывают лишь незначительное влияние. Отсюда ясно, что выбранная математическая модель в зависимости от задачи обработки может быть упрощена или, если это необходимо, расширена за счёт дополнительных кратковременных  экспериментов.

Заключение и дальнейшие перспективы

          С помощью кратковременных экспериментальных исследований и математических прогнозирующих моделей можно существенно сократить затраты времени и средств при создании новых режущих материалов и новых покрытий для режущих инструментов. Показано, что, кроме прогнозирования стойкости нового покрытия с незначительным разбросом выходных данных, можно получать важные сведения относительно влияния отдельных параметров покрытия на производительность режущего инструмента. Кроме того, установлено, что принципиально возможно прогнозирование производительности конкретного режущего инструмента при обработке данного материала даже без проведения  исследований путем  реальной обработки этого материала резанием.

           Берлинский институт технологии и конструирования IPK предлагает изготовителям режущего инструмента и разработчикам покрытий для режущих инструментов проведение систематизированных кратковременных экспериментальных исследований для выявления свойств режущих материалов и покрытий. Данные, полученные в процессе подобных исследований, могут использоваться в математических моделях для прогнозирования ожидаемой производительности режущего инструмента при различных условиях его работы. Кроме того, в рамках сотрудничества можно создать, например, банк данных или учитывать вариантность параметров обработки и/или изменение вида обработки резанием.

Таблица 1. Значение исходных параметров и разброс прогнозируемых значений стойкости инструмента с тремя различными покрытиями при точении сплава на основе никеля Inconel 706

Таблица 2. Значение исходных параметров и разброс прогнозируемых значений стойкости инструмента при точении трёх различных обрабатываемых материалов