Αύξηση της απόδοσης κοπής επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων μέσω βελτιστοποίησης των τεχνολογικών χαρακτηριστικών τους, με τη χρήση πειραματικών διαδικασιών και αναλυτικών μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων

Abstract

The aim of the large industries is the optimization of the cutting tools used in manufacturing processes. In achieving the aforementioned goal, the contribution of thin hard coatings is extremely beneficial. Thus, the application of coatings deposited via Physical (PVD) or Chemical (CVD) vapor deposition has been approved as a very effective method for increasing the fatigue strength and prolonging the coated tool life. However, numerous technological parameters are necessary to be explored in order to enhance the cutting performance. The purpose of this doctorate is to examine the dependence of the cutting performance of coated cutting tools from coatings parameters such as coating structure, coating thickness, residual stresses and adhesion quality. Nano-structured multilayer coatings of diverse thickness were deposited on cemented carbide tools for investigating their cutting performance in milling. Such coatings exhibit an improved wear resistance compared to the mono- layer ones of the same thicknesses and chemical composition. The application of nano-structured coatings revealed the growth of the coated tool life when increasing the PVD film thickness. Hereupon, the coated tool life augmentation is almost proportional to the coating thickness enlargement, compensating for the higher tool cost and improving the milling productivity. In addition PVD TiAlN coatings with different residual stress levels were deposited on cemented carbide inserts for investigating their cutting performance in turning. The achieved results revealed the significant contribution of the film compressive stresses in increasing the coating mechanical properties and adhesion, thus prolonging the coated tool life. However, residual stresses larger than a maximum value deteriorate significantly the film adhesion and increases its brittleness. An important field of research in this dissertation was the study of interface fatigue strength between diamond coating and its substrate which were deposited using chemical vapor deposition (CVD). Based on a dynamic simulation of the conducted inclined impact tests, the interface fatigue strength was quantified in terms of a critical shear failure stress (SFLS) characterizing the NCD coating substrate interface. This metric (SFLS) is affected by temperature, adhesion and the existing residual stresses in the coating and in the substrate. The determined temperature-dependent SFLSs were correlated with the developed shear stresses in the investigated coating– substrate interfaces during milling at various coating wear stages in the cutting edge roundness. Thus, evidences were provided for explaining the wear evolution on coated tools with diamond films which could be characterized as well-adherent before the substrate revelation at the cutting edge roundness. Finally, in this context it is approved that the film structure and the adhesion quality of diamond coatings affect significantly the developed wear mechanisms during milling and their tool life performance.

Ο κύριος στόχος των μεγαλύτερων βιομηχανιών είναι η βελτιστοποίηση των κοπτικών εργαλείων τα οποία χρησιμοποιούνται στις μορφοποιήσεις. Στην επίτευξη του παραπάνω στόχου εξαιρετικά ωφέλιμη είναι η συμβολή των λεπτών σκληρών επικαλύψεων. Έτσι, η εφαρμογή των επικαλύψεων εναποθετημένων μέσω Φυσικής (PVD) και Χημικής (CVD) εναπόθεσης ατμών στα κοπτικά εργαλεία, συμβάλλει σε μείζονα βαθμό στην αύξηση της αντοχής σε κόπωση και στην επιμήκυνση της διάρκειας ζωής τους. Ωστόσο, μια σειρά τεχνολογικών παραμέτρων κρίνεται αναγκαίο να διερευνηθούν προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η απόδοση κοπής. Για τους παραπάνω λόγους, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής μελετήθηκε η εξάρτηση της απόδοσης κοπής επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων από τα χαρακτηριστικά της επικάλυψης, όπως η δομή και το πάχος, από τις εναπομένουσες τάσεις και από την ποιότητα συνάφειας. Αρχικά νανοδομημένες επικαλύψεις με διαφορετικά πάχη επικάλυψης εναποτέθηκαν μέσω φυσικής εναπόθεσης ατμών σε κοπτικά εργαλεία σκληρομετάλλου, με σκοπό τη διερεύνηση της απόδοσης κοπής τους κατά το φραιζάρισμα. Οι συγκεκριμένες επικαλύψεις πολλαπλών διαδοχικών νανο-στρώσεων παρουσιάζουν βελτιωμένη απόδοση κοπής συγκριτικά με τις μονοστρωματικές επικαλύψεις ίδιου πάχους και ίδιας χημικής σύστασης. Η εφαρμογή των παραπάνω επικαλύψεων αποκάλυψαν μια σημαντική βελτίωση της διάρκειας ζωής όταν αυξάνεται το πάχος της επικάλυψης. Έτσι λοιπόν η αύξηση της διάρκειας ζωής του εργαλείου είναι σχεδόν ανάλογη της αύξησης του πάχους, αντισταθμίζοντας με αυτόν τον τρόπο το κόστος κατασκευής τους και βελτιώνοντας την παραγωγικότητα. Επιπλέον PVD TiAlN επικαλύψεις με διαφορετικές τιμές εναπομενουσών τάσεων εναποτέθηκαν σε εργαλεία σκληρομετάλλου με σκοπό την διερεύνηση της απόδοσης κοπής κατά το τορνάρισμα. Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν την σημαντική συνεισφορά των συμπιεστικών εναπομενουσών τάσεων τόσο στην αύξηση των μηχανολογικών ιδιοτήτων και της συνάφειας όσο και στην βελτίωση της διάρκειας ζωής. Αντιθέτως εάν οι εναπομένουσες τάσεις είναι μεγαλύτερες από μια βέλτιστη τιμή, χειροτερεύουν την συνάφεια της επικάλυψης και αυξάνεται η ψαθυρότητα. Σημαντικό πεδίο έρευνας της διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η μελέτη της αντοχής σε κόπωση της διεπιφάνειας μεταξύ αδαμαντοεπικάλυψης και υποστρώματος σκληρομετάλλου που έχουν εναποτεθεί μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών. Με βάση μια δυναμική προσομοίωση της κεκλιμένης επαναλαμβανόμενης κρούσης, ποσοτικοποιήθηκε η αντοχή σε κόπωση της διεπιφάνειας μέσω της κρίσιμης διατμητικής τάσης (SFLS), η οποία χαρακτηρίζει την διεπιφάνεια αδαμαντοεπικάλυψης – υποστρώματος και επηρεάζεται από τη θερμοκρασία, από τις εναπομένουσες τάσεις και από τη συνάφεια. Η υπολογισμένη κρίσιμη διατμητική τάση μπορεί να συγκριθεί άμεσα με τις διατμητικές τάσεις που αναπτύσσονται στην διεπιφάνεια κατά το φραιζάρισμα. Με τη σύγκριση αυτή παρέχονται στοιχεία τα οποία μπορούν να προβλέψουν την εξέλιξη της φθοράς των αδαμαντοεπικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων και μπορούν να χαρακτηριστούν σαν εργαλεία με καλή συνάφεια ή όχι πριν από την αποκάλυψη του υποστρώματος στην καμπυλότητα της κοπτικής ακμής. Τέλος αποδείχθηκε ότι οι διαφορετικές δομές και οι διαφορετικές ποιότητες συνάφειας της αδαμαντοεπικάλυψης επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό τους μηχανισμούς φθοράς που αναπτύσσονται κατά το φραιζάρισμα και εν τέλει την απόδοση κοπής τους.