Работоспособность режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ с вакуумно-плазменным покрытием
Представлены результаты исследования повышения работоспособности режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ, вакуумно-плазменными покрытиями. Показано, что инструмент с покрытием характеризуется повышенной надежностью на этапе приработки и более высокой стойкостью и позволяет проводить про...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Datum: | 2008 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2008
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20748 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Работоспособность режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ с вакуумно-плазменным покрытием / М.Ю. Копейкина, С.А. Клименко, Ю.А. Мельнийчук, В.М. Береснев // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 87-97. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-20748 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Копейкина, М.Ю. Клименко, С.А. Мельнийчук, Ю.А. Береснев, В.М. 2011-06-04T18:13:02Z 2011-06-04T18:13:02Z 2008 Работоспособность режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ с вакуумно-плазменным покрытием / М.Ю. Копейкина, С.А. Клименко, Ю.А. Мельнийчук, В.М. Береснев // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 87-97. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20748 621.9.02 Представлены результаты исследования повышения работоспособности режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ, вакуумно-плазменными покрытиями. Показано, что инструмент с покрытием характеризуется повышенной надежностью на этапе приработки и более высокой стойкостью и позволяет проводить процесс обработки с более высокими режимами резания. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Инструмент, порошки, пасты Работоспособность режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ с вакуумно-плазменным покрытием Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Работоспособность режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ с вакуумно-плазменным покрытием |
| spellingShingle |
Работоспособность режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ с вакуумно-плазменным покрытием Копейкина, М.Ю. Клименко, С.А. Мельнийчук, Ю.А. Береснев, В.М. Инструмент, порошки, пасты |
| title_short |
Работоспособность режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ с вакуумно-плазменным покрытием |
| title_full |
Работоспособность режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ с вакуумно-плазменным покрытием |
| title_fullStr |
Работоспособность режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ с вакуумно-плазменным покрытием |
| title_full_unstemmed |
Работоспособность режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ с вакуумно-плазменным покрытием |
| title_sort |
работоспособность режущего инструмента, оснащенного пстм на основе кнб с вакуумно-плазменным покрытием |
| author |
Копейкина, М.Ю. Клименко, С.А. Мельнийчук, Ю.А. Береснев, В.М. |
| author_facet |
Копейкина, М.Ю. Клименко, С.А. Мельнийчук, Ю.А. Береснев, В.М. |
| topic |
Инструмент, порошки, пасты |
| topic_facet |
Инструмент, порошки, пасты |
| publishDate |
2008 |
| language |
Russian |
| container_title |
Сверхтвердые материалы |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| format |
Article |
| description |
Представлены результаты исследования повышения работоспособности режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ, вакуумно-плазменными покрытиями. Показано, что инструмент с покрытием характеризуется повышенной надежностью на этапе приработки и более высокой стойкостью и позволяет проводить процесс обработки с более высокими режимами резания.
|
| issn |
0203-3119 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20748 |
| citation_txt |
Работоспособность режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ с вакуумно-плазменным покрытием / М.Ю. Копейкина, С.А. Клименко, Ю.А. Мельнийчук, В.М. Береснев // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 87-97. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT kopeikinamû rabotosposobnostʹrežuŝegoinstrumentaosnaŝennogopstmnaosnoveknbsvakuumnoplazmennympokrytiem AT klimenkosa rabotosposobnostʹrežuŝegoinstrumentaosnaŝennogopstmnaosnoveknbsvakuumnoplazmennympokrytiem AT melʹniičukûa rabotosposobnostʹrežuŝegoinstrumentaosnaŝennogopstmnaosnoveknbsvakuumnoplazmennympokrytiem AT beresnevvm rabotosposobnostʹrežuŝegoinstrumentaosnaŝennogopstmnaosnoveknbsvakuumnoplazmennympokrytiem |
| first_indexed |
2025-11-25T16:45:25Z |
| last_indexed |
2025-11-25T16:45:25Z |
| _version_ |
1850520347220115456 |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 87
УДК 621.9.02
М. Ю. Копейкина, С. А. Клименко, Ю. А. Мельнийчук,
В. М. Береснев (г. Киев)
Работоспособность режущего инструмента,
оснащенного ПСТМ на основе КНБ
с вакуумно-плазменным покрытием
Представлены результаты исследования повышения работо-
способности режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ, ваку-
умно-плазменными покрытиями. Показано, что инструмент с покрытием ха-
рактеризуется повышенной надежностью на этапе приработки и более высо-
кой стойкостью и позволяет проводить процесс обработки с более высокими
режимами резания.
Ключевые слова: режущий инструмент, ПСТМ, КНБ, вакуумно-
плазменное покрытие, режимы резания, стойкость инструмента.
Исследованию влияния износостойких вакуумно-плазменных
покрытий на работоспособность режущего инструмента посвящено доста-
точно много работ. При этом речь идет, в основном, о режущих инструмен-
тах из быстрорежущих сталей [1] и твердых сплавов [2, 3]. Имеются работы,
в которых рассматриваются инструменты с рабочей частью из керамики с
покрытием [4].
В последнее время в каталогах продукции мировых производителей ре-
жущих инструментов и в технической литературе появилась информация об
инструментах, оснащенных поликристаллическими сверхтвердыми материа-
лами (ПСТМ) на основе кубического нитрида бора (КНБ) с защитными по-
крытиями [5—6]. Для минимизации изнашивания режущих инструментов за
счет снижения интенсивности адгезионного взаимодействия с обрабатывае-
мым материалом применяются покрытия TiN, TiAlN, TiSiN, а для окисли-
тельных процессов — покрытие, содержащее Al2О3.
Резцами, оснащенными ПСТМ с покрытием, обрабатывают закаленные
стали со скоростями резания на 25 % выше в сравнении с инструментами без
покрытий. Такие инструменты рекомендуют также для обработки марганце-
вых сталей и отбеленного чугуна, а наличие покрытия, кроме повышения
стойкости инструмента, облегчает определение величины его износа [7].
Нужно отметить, что для инструментов, оснащенных ПСТМ на основе
КНБ, в технической литературе рекомендуют защитные покрытия аналогич-
ные традиционно применяемым для инструментов из быстрорежущих сталей
и твердых сплавов. При этом специфику явлений, сопровождающих контакт-
ное взаимодействие такого инструмента с обрабатываемой деталью, не учи-
тывают.
Целью настоящей работы было исследование влияния защитных покрытий
на работоспособность режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе
КНБ, с учетом особенностей контактного взаимодействия в зоне резания.
Наличие на контактных поверхностях инструмента защитных покрытий
приводит к изменению механики и физико-химии контактного взаимодейст-
© М. Ю. КОПЕЙКИНА, С. А. КЛИМЕНКО, Ю. А. МЕЛЬНИЙЧУК, В. М. БЕРЕСНЕВ, 2008
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 88
вия инструмента и обрабатываемого изделия. Первое предопределяется пере-
распределением напряжений на поверхностях инструмента, изменением ко-
эффициента трения и, как следствие, сил и температуры резания. Второе свя-
зано с тем, что для обеспечения наиболее оптимальных условий работы ре-
жущего инструмента в каждом конкретном случае нужно выбирать такое
покрытие, которое обеспечивает минимизацию или отсутствие эффектов,
оказывающих наибольшее отрицательное влияние на работоспособность
режущего инструмента. Защитное покрытие может выполнять роль пассив-
ного протектора, который препятствует непосредственному контактирова-
нию инструментального и обрабатываемого материалов в зоне резания, или
играть “активную” роль, изменяя условия химического взаимодействия инст-
рументального и обрабатываемого материалов в зоне резания.
Как показано в [8, 9] в диапазоне практически используемых скоростей
резания на износ инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ, оказыва-
ет влияние химическое взаимодействие инструментального материала с об-
рабатываемым и элементами окружающей среды в зоне резания, приводящее
к образованию соединений типа МеxВy, МеxВyОz, формированию на их основе
легкоплавких эвтектик, их контактному плавлению и удалению жидкой фазы
из зон контакта. Химические реакции в зоне резания протекают с выделением
свободного азота, превентивное введение которого в контактную область, в
соответствии с правилом Ле-Шателье, должно способствовать сдвигу диапа-
зона реакций в более высокотемпературную область.
С учетом указанного выше надо отметить, что повышение работоспособ-
ности режущего инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ, может
быть достигнуто за счет введения в состав покрытия составляющих, которые,
без снижения механических свойств последнего, под действием термосило-
вых условий процесса обработки обеспечивают формирование в зоне резания
повышенного парциального давления азота. Взаимодействие с элементами
обрабатываемого материала с выделением азота должно происходить при
температурах более низких, чем температуры, характерные для взаимодейст-
вия с элементами обрабатываемого КНБ.
Анализ теплофизических, механических и химических свойств нитридов и
оксидов металлов позволяет предложить трехслойное защитное покрытие
Al2O3—NbN—Ti (рис. 1). В табл. 1 приведены модули упругости Е и сдвига
G, плотность ρ, коэффициенты Пуассона ν, термического расширения α, теп-
лопроводности λ и молярная теплоемкость cp для Al2O3 и NbN.
Основная функция верхнего слоя из оксида алюминия — минимизация
окисления инструментального материала. Многими исследованиями защит-
ных покрытий на режущих инструментах показано, что наличие на поверхно-
сти режущего инструмента тонкого слоя Al2O3 существенно снижает степень
окисления КНБ и повышает теплостойкость композита покрытие—ПСТМ
[10].
Как следует из рассмотрения диаграмм состояния систем Nb—Me—N
[11], при взаимодействии нитрида ниобия с Fe и Ni (основой обрабатываемых
конструкционных материалов) в широких диапазонах концентраций и темпе-
ратур могут протекать химические реакции с образованием соединений типа
NbMeх (NbFe2, NbNi3) и высвобождением азота N2. Как отмечалось выше,
наличие в зоне резания свободного азота минимизирует химическое взаимо-
действие материала поликристалла с элементами из состава обрабатываемого
материала. Кроме того, азотная среда минимизирует окисление материала
инструмента.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 89
1,5—2 мкм
3—3,5 мкм
0,5 мкм
Al
2
O
3
NbN
α�Ti
ПСТМ
на основе
КНБ
а
б
Рис. 1. Архитектура (а) и внешний вид (б) (×1000) покрытия на режущем элементе из
ПСТМ на основе КНБ.
Таблица 1. Физико-механические свойства материалов покрытия
Мате-
риал
Е, ГПа G, ГПа ν ρ, г/см3 α, ×10–6 К–1 λ, Вт/(м⋅К)
cp,
Дж/(моль⋅К)
Al2O3 400 161 0,24 4,91 8,5 25 36,9—129,3
NbN 400 110 0,26 8,4 6,9 [13] 10,6—16,0 48,3—64,9
Как показано в [3], при нанесении покрытия NbN на подложку из КНБ в
покрытии формируются значительные термические напряжения. Для образо-
вания качественного покрытия предлагается наносить тонкий промежуточ-
ный слой из Ti, который является адгезионно-активным элементом по отно-
шению к кубическому нитриду бора [12], что обеспечивает хорошее сцепле-
ние покрытия с ПСТМ на основе КНБ.
Явления, происходящие на поверхности режущего инструмента в зоне
контакта с обрабатываемым материалом, связаны с электронным строением
материалов и их энергетическим состоянием. При этом особенно значимую
роль при резании металлов может играть адгезионное взаимодействие кон-
тактирующих материалов. Согласно конфигурационной модели вещества
[13], тугоплавкие соединения, из которых состоят покрытия, характеризуют-
ся статистическим весом атомных стабильных dn- и smpk-конфигураций
(СВАСК). Чем выше суммарная величина СВАСК d5- и sp3(s2p6)-
конфигураций, тем меньше в процессе контактирования материалов участ-
вуют электроны поверхностных атомов и тем ниже концентрация свободных
связей на поверхности металлов, а значит ниже адгезионная активность по-
крытий к обрабатываемому материалу. Нитрид ниобия имеет металлическую
составляющую, для которой СВАСК d5-конфигурации составляет 76 % и
неметаллическую, имеющую СВАСК s2p6-конфигурацию.
Анализ показывает, что в случае обработки сплавов на основе Fe и желе-
зоникелевых сплавов, которые содержат Fe со СВАСКами d5-конфигурации
— 54 % и d10-конфигурации — 46 %, а также Ni, имеющий СВАСК d5-
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 90
конфигурации — 12 % и d10-конфигурации — 88 %, можно прогнозировать
высокую эффективность применения покрытия на основе NbN, особенно при
обработке сплавов на основе Fe. Высокие значения СВАСК d5-конфигурации
нитрида ниобия и обрабатываемых материалов на основе Fe обеспечивают
снижение адгезионной активности на контактных поверхностях инструмента
в процессе резания.
Это подтверждается данными [1], где экспериментально показано, что
NbN характеризуется низким схватыванием с железосодержащими обрабаты-
ваемыми материалами.
Покрытие на неперетачиваемые многогранные режущие пластины из
ПСТМ на основе КНБ (производство Института сверхтвердых материалов
им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев) наносили вакуумно-дуговым мето-
дом в лаборатории Научного технологического центра МОН и НАН Украины
(г. Харьков) [14]. Анализ покрытия, полученного вакуумно-дуговым мето-
дом, показано, что его состав представлен поликристаллической фазой δ-NbN
с параметром а = 0,442 нм [15].
Чтобы получить представление о контактном взаимодействии инструмен-
та с обрабатываемым материалом в зоне резания выполнены исследования
рабочих поверхностей инструментов без покрытия и с различными покры-
тиями (рис. 2).
300 мкм
а
300 мкм
б
30 мкм
в
300 мкм
г
Рис. 2. Изношенные участки инструментов без покрытия (а, б) и с покрытием Al2O3—
NbN—Ti (в, г); б, г — изображение в режиме фазового контраста; обрабатываемый мате-
риал — сталь ШХ15 (60—62 HRС); v = 90 м/мин; S = 0,1 м/мин; t = 0,25 мм.
Как видно из представленных фотографий, на рабочих поверхностях ин-
струмента без покрытия имеет место интенсивный массоперенос, связанный
с налипанием обрабатываемого материала. Анализ фотографий, полученных
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 91
в режиме фазового контраста, выявляет интенсивное формирование налета на
неконтактных поверхностях инструмента.
На рабочих поверхностях инструмента с защитным покрытием наблюда-
ется износ как по задней, так и по передней поверхностям. Отчетливо видна
лунка на передней поверхности инструментов (см. рис. 2).
Следует отметить, что объем лунки заполнен материалом, который, судя
по всему, в исходном виде представлял собой жидкую фазу, что свидетельст-
вует о протекании на контактных поверхностях инструмента химических
реакций взаимодействия с обрабатываемым материалом и элементами окру-
жающей среды. Однако перенос материала на неконтактные участки инстру-
мента с покрытием выражен в значительно меньшей степени, что связано со
снижением интенсивности такого взаимодействия в зоне резания.
Для рассматриваемого инструмента с покрытием практически отсутствует
налипание обрабатываемого материала со стороны задней поверхности, что
свидетельствует о снижении адгезионного взаимодействия с обрабатывае-
мым материалом.
Результаты наших исследований контактного взаимодействия на поверх-
ностях инструмента позволяют предложить следующий механизм изнашива-
ния инструментов с покрытиями.
Процесс изнашивания режущего инструмента с покрытием разделяется на
два этапа.
На первом этапе в результате накопления микродефектов и реализации
процесса микроразрушения происходит изнашивание слоя защитного покры-
тия. Причиной этого является усталостно-механическое взаимодействие на
контактных участках инструмента. Некоторое влияние на интенсивность
изнашивания оказывает также окислительное действие кислорода воздуха.
В отличие от инструмента без покрытия, для которого характерным явля-
ется изменение механизма изнашивания (рис. 3) из-за интенсификации при
высоких скоростях (температурах) химического взаимодействия с обрабаты-
ваемым материалом и элементами окружающей среды и, как следствие, реа-
лизации на контактных поверхностях жидкостного трения, для инструмента с
покрытием изменение скорости резания способствует снижению составляю-
щей силы резания Рz, оказывая меньшее влияние на составляющую Ру, т. е. не
оказывает влияния, связанного с изменением механизма изнашивания мате-
риала режущего инструмента.
Введение в состав покрытия Al2O3 способствует снижению окисления ма-
териала рабочих поверхностей инструмента при высоких температурах.
Второй этап процесса изнашивания инструмента происходит в условиях,
когда слой покрытия на части контактной поверхности удален и во взаимо-
действии с обрабатываемым материалом участвует непосредственно матери-
ал ПСТМ. В этих условиях реализуется химическое взаимодействие между
инструментальным и обрабатываемым материалами с учетом действия эле-
ментов окружающей среды, на контактных поверхностях инструмента появ-
ляется жидкая фаза и износ инструмента интенсифицируется.
Применение в качестве элемента покрытия NbN вносит некоторые осо-
бенности в протекание второго этапа процесса изнашивания инструмента.
Введение в состав покрытия на ПСТМ на основе КНБ нитрида ниобия обес-
печивает появление на контактных участках инструмента свободного азота
при температурах, когда нитрид бора с обрабатываемым металлом еще не
взаимодействует. В этом случае и на втором этапе механизм изнашивания в
большей степени определяется механическими свойствами инструментально-
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 92
го композита и связан с его абразивным и адгезионным разрушением, а его
химическая составляющая минимизируется.
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
P
y
/P
z
1
2
40 60 80 100 v, м/мин
Рис. 3. Зависимость соотношения сил Ру/Рz от скорости резания инструмента с покрытием
(1) и без покрытия (2); обрабатываемый материал — сталь ШХ15 (60—62 HRC); S =
0,1 мм/об; t = 0,25 мм.
Таким образом, процесс изнашивания инструмента, оснащенного ПСТМ на
основе КНБ с покрытием Al2O3—NbN—Ti, обусловлен комплексом механиз-
мов: абразивным, адгезионным, окислительным, а также за счет эвтектиче-
ским плавлением продуктов взаимодействия в зоне обработки.
Анализ результатов численного моделирования напряженного состояния
режущих инструментов, оснащенных ПСТМ без покрытия и с покрытием,
обусловленного силовым нагружением в процессе точения закаленной стали
ШХ15 (60—62 HRC) (круглая пластина RNMN 070300T; γ = –10°; α = 10°),
показывает, что нанесение защитного покрытия Al2O3—NbN—Ti снижает
нормальные и касательные напряжения на передней поверхности инструмен-
та на 25—30 % (рис. 4). На задней поверхности напряжения также уменьша-
ются, хотя и не столь значительно.
Для проверки работоспособности режущих инструментов с покрытиями
проведена серия лабораторных и производственных экспериментов по обра-
ботке различных материалов. Результаты исследований приведены в табл. 2,
3 и на рис. 5, 6.
Как видно из результатов исследований, применение защитных покрытий
на режущих инструментах, оснащенных ПСТМ на основе КНБ, позволяет
снизить скорость их изнашивания:
— при чистовой обработке закаленных сталей (55—62 HRC) — на 25—
30 %;
— при обработке наплавленной нержавеющей сталт — на 20 %;
— при обработке легированного чугуна — на 10 %;
— при обработке твердых сплавов группы ВК — на 25 %.
Эффективность применения покрытий увеличивается с ростом скорости
резания.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 93
1
2
–1,0
–1,6
х, мм 0,1
у, мм
σ, ГПа
Западная поверхность
Передняя поверхность 1
2
–0,5 –1,5
0,2
0
–1,2
–0,8
–0,4
0,1
0
σ, ГПа
а
1
2
0,3
0,5
0,2
0,3
0,1
0,1
Западная поверхность
Передняя поверхность 12
τ, ГПа
0,1 0,5 τ, ГПа
y, мм
0
0
x, мм
б
Рис. 4. Распределения нормальных (а) и касательных (б) силовых напряжений по рабочим
поверхностям инструмента, оснащенного ПСТМ на основе КНБ, без покрытия (1) и с
покрытием Al2O3—NbN—Ti (2).
Таблица 2. Износ по задней поверхности инструментов без покрытия
и с покрытием при точении стали ШХ15
hз, мм, при работе (S = 0,05 мм/об, t = 0,25 мм) в течение, мин Инст-
румент
v,
м/мин 2 4 5 6 8 10 12 14 15 16 20 29
Без
по-
крытия
110 0,025 0,05 — 0,08 0,10 0,15 0,20 0,27 — — — —
110 0,025 0,05 — 0,07 0,08 0,10 0,15 0,20 — 0,25 — — С по-
крыти-
ем
88 — — 0,05 — — 0,10 — — 0,20 — 0,25 0,30
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 94
Таблица 3. Скорость изнашивания инструментов без покрытия
и с покрытием
Режимы резания
Инструмент
Обрабатывае-
мый материал,
марка v, м/мин S, мм/об t, мм
J, мкм/мин
165 33,0
180 75,7
Без покрытия
208 87,9
165 28,7
180 30,3
С покрытием
Сталь ХВГ
55 HRC
208
0,09 0,25
64,0
88 10,3
110 18,2
140 31,8
Без покрытия
180 50,0
88 11,9
110 15,8
140 25,0
С покрытием
Сталь ШХ15
62 HRC
180
0,05 0,25
40,0
Без покрытия 17,5
С покрытием
Наплавленная
нержавеющая
сталь
237 0,1 0,25
13,6
Без покрытия 110—130
С покрытием
Твердый сплав
ВК15
16 0,24—0,27 0,9—1,1
150—165
Без покрытия 6,2
С покрытием
Легированный
чугун
440 0,1 0,25
5,7
100 140120 160 180
40
1
80
50
10
20
30
v, м/мин
J, мкм/мин
2
Рис. 5. Влияние скорости резания на скорость изнашивания инструментов, оснащенных
ПСТМ без покрытия (1) и с покрытием (2) при точении стали ШХ15 (62 HRC); t = 0,25 мм;
S = 0,05 мм/об.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 95
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0 4 8 12 16 24 2820 τ, мин
1
2
3
hз, мкм
+
+
+
+
+
Рис. 6. Зависимость ширины фаски износа по задней поверхности инструментов без покрытия
(1) и с покрытием (2, 3), от времени точения стали ШХ15 (62 HRC); t = 0,25 мм; S = 0,05 мм/об;
v = 110 м/мин (1, 2); t = 0,25 мм; S = 0,05 мм/об; v = 88 м/мин (3).
Анализ результатов исследований процессов лезвийной обработки инстру-
ментами, оснащенными ПСТМ с покрытиями, позволяет сформулировать сле-
дующие требования, предъявляемые к покрытиям:
— защитное покрытие на режущем инструменте, оснащенном ПСТМ на ос-
нове КНБ, должно обладать высокими механическими свойствами для обеспе-
чения сопротивления термобарическому нагружению инструмента в зоне реза-
ния;
— покрытие должно “активно” противодействовать вредным эффектам,
имеющим место в зоне резания, в частности, обеспечивать противодействие
химическому взаимодействию в зоне резания инструментального материала с
обрабатываемым и элементами окружающей среды.
В отличие от защитных покрытий на инструментах из твердых сплавов и
быстрорежущих сталей, обусловливающих наличие на поверхностях инстру-
мента слоя материала с аномально высокой твердостью, покрытие на режу-
щем инструменте, оснащенном ПСТМ на основе КНБ, имеет твердость
меньше, чем твердость основы, и, в значительной степени, является прирабо-
точным.
Основными функциями покрытий на режущих инструментах, оснащенных
ПСТМ на основе КНБ, являются следующие:
1. Повышение надежности работы инструмента на этапе приработки.
Наличие покрытия на рабочих поверхностях инструмента приводит к пе-
рераспределению напряжений, которые формируются в инструменте при его
нагружении силами резания. При использовании покрытия Al2O3—NbN—Ti
нормальные и касательные напряжения от силового нагружения на передней
поверхности инструмента в процессе резания снижаются на 25—30 %.
Снижение напряжений в режущем инструменте, особенно, на этапе его
приработки, способствует повышению надежности инструмента при эксплуа-
тации в условиях динамического нагружения.
2. Увеличение периода стойкости инструментов.
Нанесение на рабочие поверхности инструментов защитных покрытий
способствует увеличению их периода стойкости в связи со снижением интен-
сивности изнашивания за счет повышенного сопротивления поверхностного
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 96
слоя инструмента окислительному воздействию окружающей среды, мини-
мизации адгезионного и химического взаимодействия между инструменталь-
ным и обрабатываемым материалами в зоне резания, меньшей величины из-
носа инструмента, достигаемой на этапе приработки.
3. Интенсификация режимов резания.
Инструменты с покрытиями обладают повышенной работоспособностью в
условиях высоких температур, в частности, при работе с высокими скоростя-
ми резания, что связано с меньшей интенсивностью адгезионного и химиче-
ского взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов
между собой, а также ограничением влияния элементов окружающей среды.
Для обработки закаленных сталей ориентировочные скорости резания при
чистовой обработке — 2,0—2,5 м/с.
Учитывая особенности напряженного состояния инструмента с покрыти-
ем, можно предположить, что диапазон используемых подач и глубин реза-
ния также может быть увеличен.
4. Информационная функция.
Интенсивный массоперенос обрабатываемого материала на контактные
поверхности инструмента без покрытия не позволяет выявлять размеры из-
ношенных участков без химического стравливания или механического уда-
ления с них налипшего обрабатываемого материала. Покрытие на режущих
пластинах из ПСТМ на основе КНБ облегчает процесс оценки величины из-
носа инструмента.
1. Внуков Ю. Н., Марков А. А., Лаврова Л. В., Бердышев Н. Ю. Нанесение покрытий на
быстрорежущий инструмент. — Киев: Техніка, 1992. — 143 с.
2. Верещака А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покры-
тиями. — М.: Машиностроение, 1993. — 336 с.
3. Костюк Г. И. Эффективный режущий инструмент с покрытием и упрочненным слоем:
Справ. — Харьков: Антиква, 2003. — 412 с.
4. Ceramique de couple revethe de TiN pour usinage des fontes // Mach. Prod. — 1993. —
N 595.— P. 13.
5. Инструментальная техника на ЭМО-2003 // Комплекс ИТО. Инструмент. — 2004. —
№ 1. — С. 17—21.
6. More A. S., Jiang W., Brown W. D., Malshe A. P. Tool wear and machining performance of cBN—
TiN coated carbide inserts and PCBN compact inserts in turning AISI 4340 hardened steel // J. Ma-
ter. Proc. Technology. — 2006. — N 180. — P. 253—262.
7. Machining Navigator — Новости 2006 г. — Seсo Tools AB, 2006. — 45 p.
8. Turkevich V. Z., Klimenko S. A., Kulik O. G. Termodynamics of the interaction in the CBN-
based tool material—Fe(Ni) system // Transactions. — 1999. — XXVIII, N 2. — P. 8—11.
9. Сверхтвердые материалы. Получение и применение: В 6 т. / Под общ. ред.
Н. В. Новикова. — Т. 5: Обработка материалов лезвийным инструментом / Под ред.
С. А. Клименко. — Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля, ИПЦ “АЛКОН” НАНУ, 2006. — 316 с.
10. Гнесин Г. Г., Фоменко С. Н. Износостойкие покрытия на инструментальных
материалах (Обзор) // Порошк. металлургия. — 1996. — № 9—10. — С. 17—28.
11. Холлек Х. Двойные и тройные карбидные и нитридные системы переходных металлов:
Справ. изд. — М.: Металлургия, 1988. — 319 с.
12. Сверхтвердые материалы. Получение и применение: В 6 т. / Под общ. ред.
Н. В. Новикова. — Т. 2: Структура и свойства СТМ, методы исследования / Под ред.
В. М. Перевертайло. — Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля, ИПЦ “АЛКОН” НАНУ, 2004. —
288 с.
13. Самсонов Г. В., Прядко И. Ф., Прядко Л. Ф. Электронная локализация в твердом теле.
— М.: Наука, 1976. — 338 с.
14. Клименко С. А., Береснев В. М., Копейкина М. Ю., Гриценко В. И. Слоистые вакуумно-
дуговые покрытия Ti—NBN—Al2O3, Nb—NBN—Al2O3 на инструментах, оснащенных
поликристаллическими сверхтвердыми материалами на основе кубического нитрида
бора // Физическая инженерия поверхности. — 2007. — 5, № 1—2. — С. 57—61.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 97
15. Береснев В. М., Копейкина М. Ю., Клименко С. А. Многокомпонентные и многослой-
ные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента // Вопросы атомной науки
и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17). — 2008. — № 1. —
С. 152—158.
Ин-т сверхтвердых материалов Поступила 24.04.08
им. В. Н. Бакуля НАН Украины
Научно-технологический центр
МОН и НАН Украины
|