Πειραματικός-αναλυτικός προσδιορισμός ιδιοτήτων κόπωσης και μελέτη της επίδρασης τους επί της φθοράς επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων κατά το φραιζάρισμα

Abstract

Nowadays, coated tools constitute the majority of the tools applied in material removal processes, but their wear mechanisms are not well quantified. Simultaneously, the wear mechanisms of coated tools in cutting vary from application to application. The knowledge of these wear mechanisms in milling is crucial for explaining film failure and adjusting appropriately the cutting conditions. Coated surfaces are often subjected to repetitive impact loads. By that kind of loading their fatigue strength is tested. Fatigue is a main wear mechanism during milling. The impact test has been an accomplished tool for the characterization of the fatigue performance and the adhesion quality of thin hard protective coating layers. Regarding that test, the fatigue properties of the films can be determined. The main purpose of this dissertation was to relate the loading during impact test with the corresponding one during milling. To achieve that target and for investigating the influence of cyclic impact load magnitude and duration on the film fatigue of coated specimens, a new impact tester which facilitates the modulation of the force signal was developed. Using this device, repetitive impact loads with different duration and time profiles were applied on coated cutting inserts. These loads approximately simulate the developed ones in milling when the cutting edge penetrates the workpiece material. In milling, impact loads with variable magnitudes and durations are subjected to coated cutting wedge, which may lead to fatigue failure of the applied film and subsequently intensive tool wear. The cutting performance of coated tools can be significantly affected by the cutting edge entry impact duration. To quantify that parameter coated cemented carbide inserts were applied in up- and down-milling stainless and hardened steel for monitoring the tool wear at repetitive cutting loads of various magnitudes and durations. The variable stress, strain and strain-rate fields developed in the tool during milling affect the film-substrate deformations, and thus the resulting cutting loads and the coating fatigue failure. The fatigue fracture initiation mechanisms in thin hard coatings and their further evolution have also been thoroughly investigated by impact tests. Additionally, appropriate experimental-analytical procedures were conducted to investigate the coatings’ fatigue properties as well as the wear behavior of coated hardmetal tools in milling. By FEM-supported calculations of the cutting process, the mechanical and thermal loadings of the cutting edge were determined and the contribution of stress, strain and strain rate combinations on the cutting performance was explained.

Στη βιομηχανική παραγωγή, βασική επιδίωξη είναι η χρήση ολοένα μεγαλύτερων ταχυτήτων κοπής καθώς και η ελαχιστοποίηση της χρήσης υγρών κοπής που δεν είναι φιλικά με το περιβάλλον. Οι δύο αυτές ενέργειες επιτάσσουν την χρήση επικαλυμμένων εργαλείων με καλύτερη τριβολογική συμπεριφορά και αντοχή στη φθορά. Έχει αποδειχθεί μια έντονη εξάρτηση της συμπεριφοράς των επικαλύψεων από το είδος της φόρτισής τους. Κάτι τέτοιο εξηγείται με την διαφορετική ενεργοποίηση μηχανισμών φθοράς ανάλογα την περίπτωση φόρτισης της επικάλυψης. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας διερευνάται η σύνδεση των κρίσιμων τιμών τάσης, παραμόρφωσης αλλά και της ταχύτητας παραμόρφωσης της επικάλυψης με την απόδοση κατά το φραιζάρισμα. Ως τώρα υπήρχαν ενδείξεις για την επίδρασή της ταχύτητας παραμόρφωσης στη συμπεριφορά φθοράς. Με την εξέλιξη του νέου, πρωτότυπου δοκιμαστηρίου κρούσης με δυνατότητα παραμετροποίησης του σήματος της δύναμης κρούσης, ώστε να προσεγγίζει τα αντίστοιχα που καταπονούν την επικάλυψη κατά το φραιζάρισμα, κατέστη εφικτή μια πρώτη ποσοτικοποίηση της επίδρασης αυτής. Ταυτόχρονα, μέσω αντίστοιχων πειραμάτων φραιζαρίσματος προέκυψαν αποτελέσματα ανάλογα με την κινηματική και το μήκος αποβλίττου. Μέσω πειραμάτων αφαίρεσης υλικού επιδιώκεται η διερεύνηση της επίδρασης της διάρκειας κρούσης κατά την είσοδο της κοπτικής ακμής του εργαλείου στο κατεργαζόμενο τεμάχιο. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να επιτευχθεί η σύνδεση των δύο μεθοδολογιών, πειράματα κρούσης και πειράματα φθοράς, ώστε να αναδειχθεί η επίδραση της ταχύτητας παραμόρφωσης της επικάλυψης στην απόδοσή της κατά την εφαρμογή δυναμικών φορτίσεων με διάφορα χαρακτηριστικά. Για την ποσοτικοποίηση της επίδρασης του χρόνου κρούσης χρησιμοποιήθηκαν κατάλληλοι υπολογισμοί πεπερασμένων στοιχείων, με διάφορα λογισμικά. Από τα αποτελέσματα που προέκυψαν και με κατάλληλες μαθηματικές σχέσεις ποσοτικοποιήθηκε ο χρόνος κρούσης κατά την είσοδο της κοπτικής ακμής. Αυτό, σε συνδυασμό με τη μελέτη των ιδιοτήτων κόπωσης μέσω του νέου δοκιμαστηρίου κρούσης, αποτελεί ένα ολοκληρωμένο πακέτο για την πρόβλεψη της διάρκειας ζωής των επικαλυμμένων εργαλείων κατά το φραιζάρισμα. Τα αποτελέσματα αυτά, θεωρούνται ότι είναι αυτά που εμφανίζονται κατά την κοπή. Με τις μεθοδολογίες που παρουσιάζονται θα φανεί η σύνδεσή τους με τα αντίστοιχα που θα προκύψουν από τα πειράματα κρούσης. Έτσι για πρώτη φορά θα συσχετιστεί η συμπεριφορά κατά τη δοκιμασία κρούσης υπό διάφορες συνθήκες και την αντοχή σε κόπωση με τα δυναμικά φαινόμενα φόρτισης που παρατηρούνται κατά το φραιζάρισμα διαφόρων υλικών.