Повышение работоспособности режущего инструмента (РИ), работающего в условиях прерывистого резания, в частности при торцовом фрезеровании, является актуальной задачей механической обработки. При этом использование традиционных износостойких покрытий (ИП), которые эффективны при других видах обработки резанием, в случае прерывистого резания оказывается малоэффективным, что связано со специфическими условиями износа и разрушения режущих частей фрез.
Известно, что разрушение РИ в условиях прерывистого резания начинается с образования продольных трещин на середине площадки контакта на передней поверхности, которые растут в сторону режущей кромки и в дальнейшем выходят на заднюю поверхность РИ [1, 2]. При этом различают два типа трещин: трещины первого типа возникают в инструментальной основе и растут как вглубь основы, так и через ИП на поверхность РИ, трещины второго типа возникают на поверхности ИП и растут вглубь инструментальной основы. Одновременно с этим происходит увеличение размеров лунки износа по передней поверхности и площадки износа на задней поверхности РИ. Основной причиной возникновения трещин на передней поверхности являются переменные тепловые нагрузки, связанные с чередованием рабочего и холостого ходов РИ [1].
Существующие конструкции однослойных ИП плохо сопротивляются развитию процессов трещинообразования и, соответственно, повышение работоспособности РИ с такими ИП при фрезеровании незначительно по сравнению с РИ без ИП. Применение в этих условиях многослойных покрытий (МП) более эффективно, так как интенсивность роста трещин снижается за счет торможения их на границах слоев МП. Тем не менее, эффективность МП можно существенно повысить путем совершенствования их конструкции с учетом исследования механизма роста трещин в режущем клине.
С точки зрения повышения трещиностойкости МП должно включать слои, обладающие следующими свойствами: высокими остаточными напряжениями сжатия, содержащие легирующие элементы, имеющие микрослоистую структуру. Из теории разрушения твердых тел известно, что эффективность торможения трещин зависит не только от механических свойств слоев многослойной композиции, но и от их взаимного расположения. При этом в случае движения трещины из твердого в более мягкий материал максимальные напряжения возникают вдоль поверхности раздела слоев и могут быть на порядок выше наибольшего главного напряжения впереди трещины, что может привести к разрушению МП по границе слоев или границе с инструментальной основой. Следовательно, при создании МП важно учитывать не только физико-механические свойства слоев, но и их взаимное расположение.
Для выбора конструкции МП предложена физическая модель напряженного состояния на границах многослойной композиции при движении через них трещин, полученная с учетом механизма разрушения покрытия при прерывистом резании и положений теории разрушения твердых тел [3]. Согласно данной модели МП должно иметь верхний и нижний слои меньшей твердости по сравнению с более твердым промежуточным слоем. Нарушение последовательности расположения слоев в покрытии с точки зрения их твердости ведет к росту разрушающих напряжений на его границах.
На основе анализа физической модели были предложены принцип формирования и конструкции МП, обладающие повышенной трещиностойкостью. Конструкция МП включает в себя дополнительный слой нитрида титана-циркония TiZrN, обладающий высокой трещиностойкостью и предназначенный для торможения трещин, образующихся в покрытии в процессе резания. Введение такого слоя увеличивает число границ МП, что также способствовует повышению его трещиностойкости. Кроме того, для увеличения трещиностойкости МП предпочтительно использовать слои TiZrN, осажденные с применением раздельных катодов и обладающие микрослоистой структурой, способствующей наибольшему торможению трещин. Для верхнего и нижнего слоев МП целесообразно использовать соответственно покрытия TiN и TiCN, которые, согласно работе [2], отвечают требованиям, предъявляемым к МП, работающим в условиях прерывистого резания. Отсюда следует, что МП повышенной трещиностойкости должны иметь следующую конструкцию: TiCN-TiZrN-TiN.
На этой основе предложена конструкция МП с повышенными прочностными свойствами TiCN15%-TiZrN-TiNКТР. Повышение прочности адгезионной связи на границе данного МП с инструментальной основой обеспечивается за счет использования слоя TiCN15%, полученного при содержании ацетилена в газовой среде 15 % [4]. Более низкая микротвердость и меньший коэффициент отслоения данного слоя будут способствовать уменьшению разрушающих напряжений и повышению прочности сцепления МП с инструментальной основой. Повышение прочности адгезионной связи на границе верхнего и промежуточного слоев МП обеспечивается за счет нанесения слоя TiNКТР, полученного при низкой температуре конденсации [4]. Высокая твердость данного слоя TiNКТР уменьшает перепад напряжений на данной границе и способствовует повышению прочности сцепления верхнего и промежуточного слоев.
Проведенные исследования механических свойств МП и динамики трещинообразования показали, что разработанные МП имеют более высокую прочность сцепления с инструментальной основой и трещиностойкость по сравнению с двухслойным покрытием TiCN-TiN [2]. Благодаря своим более высоким механическим свойствам предлагаемые МП снижают интенсивность процессов образования и развития трещин, увеличивая количество циклов работы РИ до образования всех типов трещин и разрушения покрытия по сравнению с двухслойным МП TiCN-TiN в 1,5 раза и более.
Применение разработанных МП позволяет повысить период стойкости РИ по сравнению с однослойным покрытием TiN и двухслойным покрытием TiCN-TiN в 1,5 - 4,8 раза в зависимости от режимов резания и материала обрабатываемой заготовки. Опытно-промышленными испытаниями, проведенными в условиях ОАО «Утес» и ОАО «УКБП» (г. Ульяновск), зафиксировано повышение периода стойкости торцовых фрез с твердосплавными пластинами и концевых твердосплавных фрез при обработке заготовок из различных материалов в 1,5 - 3,5 раза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Кабалдин Ю.Г. Структура, прочность и износостойкость композиционных инструментальных материалов. - Владивосток: Дальнаука, 1996. - 183 с.
- Смирнов М.Ю. Повышение работоспособности торцовых фрез путем совершенствования конструкций износостойких покрытий. Дисс.....канд. техн. наук: 05.03.01/ Ульян. госуд. техн. унив. - Ульяновск, 2000. - 232 с.
- Финкель В.М. Физика разрушения. - М.: Металлургия, 1970. - 376 с.
- Табаков В.П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана. - Ульяновск: УлГТУ, 1998. - 122с.
Библиографическая ссылка
Табаков В.П., Смирнов М.Ю., Циркин А.В., Порохин С.С. ПРИМЕНЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ТОРЦОВЫХ ФРЕЗ // Фундаментальные исследования. – 2005. – № 8. – С. 94-95;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=6480 (дата обращения: 01.12.2024).