Badania stanowiskowe rozpływu ciepła w płytce
advertisement
1460 MECHANIK NR 10/2016 Badania stanowiskowe rozpływu ciepła w płytce skrawającej z powłoką narzędziową Badania stanowiskowe rozpływu ciepła w płytce skrawaInvestigation of heat distribution injącej indexable tool insertnarzędziową with tool coating z powłoką MECHANIK NR …/201… … Investigation of heat distribution in indexable tool insert with tool coating MARTA BOGDAN-CHUDY PIOTR NIESŁONY * MARTA BOGDAN-CHUDY PIOTR NIESŁONY * DOI: 10.17814/mechanik.2016.10.410 W artykule przedstawiono wyniki oceny zmian temperatury peratur w strefie skrawania dla wybranych warunków DOI: 10.17814/mechanik.2016.numer wydania.numer kolejny obróbki [4]. w płytce wieloostrzowej z węglika spiekanego z powłoką TiAlN Badania stanowiskowe prowadzono w temperaturze dla przypadków źródła ciepła stykającego się z powłoką i bezW artykule przedstawiono wyniki oceny zmian temperaBadania20°C. stanowiskowe prowadzono w temperaturze otootoczenia pośrednio z substratem płytki. tury w płytce wieloostrzowej z węglika spiekanego z czenia 20°C. SŁOWA KLUCZOWE: rozpływ ciepła, powłoka narzędziowa, powłoką TiAlN dla przypadków źródła ciepła stykająceochrona go się z ostrza powłoką i bezpośrednio z substratem płytki. SŁOWA KLUCZOWE: rozpływ ciepła, powłoka narzę- The articleochrona presentsostrza results of temperature changes in an indedziowa, xable cemented carbide tool insert coated with TiAlN coating The article presents temperature in in cases where the heatresults source of contact with the changes coating and an indexable cemented directly with substrate plate.carbide tool insert coated with TiAlN coating indistribution, cases where heat tool source contact KEYWORDS: heat toolthe coating, protection with the coating and directly with substrate plate. KEYWORDS: heat distribution, tool coating, tool protecWęgliki spiekane typu WC-Co są jednymi z najczęściej tion stosowanych materiałów na ostrza skrawające, zwłaszcza w operacjach toczenia i frezowania. że ok 80% Węgliki spiekane typu WC-Co sąSzacuje jednymisię, z najczęściej wszystkich płytek skrawających jest wykonanych z pokrystosowanych materiałów na ostrza skrawające w szczególwanego węglika spiekanego [1]. Powszechne zastosowaności w operacjach toczenia i frezowania. Szacuje się, że ok nie korzystnym właściwościom skrawnymz 80%zawdzięczają wszystkich płytek skrawających jest wykonanych ipokrywanego wytrzymałościowym 3]. węglika [2, spiekanego [1]. Powszechne zastoAktualnie na większość ostrzy właściwościom skrawających skrawwykosowanie zawdzięczają korzystnym nym i wytrzymałościowym [2, 3]. nanoszone są powłoki nanych z węglików spiekanych AktualnieNajczęściej na większość ostrzy skrawających ochronne. stosowaną powłoką nawykonanych narzędzia z węglików przeznaczone spiekanych nanoszone są trudnoskrawalnych powłoki ochronne. skrawające do obróbki Najczęściej stosowaną powłoką TiAlN na narzędzia skrawające stopów lotniczych jest powłoka nakładana metodą przeznaczone do obróbki trudnoskrawalnych stopów lotniPVD. Powłoka tego typu wpływa na zwiększenie trwałości czych jest powłoka TiAlN ograniczenie nakładana metodą PVD. Powłoka ostrza, głównie poprzez intensywności wnitego typu wpływa na zwiększenie trwałości głównie kania ciepła do materiału narzędzia [3]. Jejostrza, zastosowanie poprzez ograniczenie intensywności wnikania ciepła do może również przyczyniać się do zmniejszenia tarcia, a tym materiału narzędzia [3]. Również jej zastosowanie może samym ograniczenia lub zminimalizowania tribologicznych przyczyniać się do zmniejszenia tarcia, a tym samym ograefektów podczastribologicznych obróbki skrawaniem. niczenia zachodzących lub zminimalizowania efektów zachodzących podczas obróbki skrawaniem. Cel i metodyka badań Cel i metodyka badań Celem badań doświadczalnych było określenie zmian temperatury w stałych punktach płytki dla Celem badań doświadczalnych byłowieloostrzowej określenie zmian temperatury w stałych źródła punktach płytki dla przypadków ustalenia ciepła nawieloostrzowej styku z powłoką przypadków ustalenia źródła czyli ciepła na styku zw powłoką TiAlN oraz z jej pominięciem, bezpośrednio kontakTiAlN oraz z jej pominięciem, czyli bezpośrednio w kontakcie z substratem węglikowym. Badania przeprowadzono na cie z substratem węglikowym. Badania przeprowadzono na autorskim stanowisku badawczym umożliwiającym pomiar autorskim stanowisku badawczym umożliwiającym pomiar temperatury za pomocą termopar typu K w tych samych temperatury pomocąpowierzchniach termopar typu K w tych samych punktach na za bocznych płytki. Usytuowapunktach na bocznych powierzchniach płytki. Usytuowanie nie termopar oraz źródła ciepła przedstawiono na rys. 1. termopar oraz źródła ciepła przedstawiono na rys. 1. Do Do testów wykorzystano płytkę skrawającą typu CNMG testów wykorzystano płytkę skrawającą typu CNMG 120412-UP KC5010 firmy Kennametal wykonaną z węglika 120412-UP KC5010 firmy KENNAMETAL wykonaną z węspiekanego typutypu WC-6%Co pokrytego w wprocesie glika spiekanego WC-6%Co pokrytego procesie PVD PVD powłoką powłoką TiAlN TiAlN oo średniej średniej grubości grubości 55 µm µm przeznaczoną przeznaczoną do do obróbki m.in. stopów obróbki między innymitytanu. stopów tytanu. Przejęto, Przejęto, że że źródło źródło ciepła ciepła ma ma stałą stałątemperaturę temperaturę 380°C, 380°C, odpowiadającą średniej temperaturze z zakresu temodpowiadającą średniej temperaturze z zakresu temperatur w strefie skrawania dla wybranych warunków obróbki [4]. * Mgr inż. Marta Bogdan-Chudy ([email protected]), dr hab. inż. Piotr Niesłony prof. PO ([email protected]) – Katedra Technologii * Mgr inż. Marta Bogdan-Chudy dr hab. Maszyn i Automatyzacji Produkcji([email protected]), Politechniki Opolskiej inż. Piotr Niesłony, prof. PO ([email protected]) – Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji Politechniki Opolskiej. Rys. 1. Schemat punktów pomiarowych na płytce skrawającej Rys. 1. Schemat punktów pomiarowych na płytce skrawającej Testy Testy przeprowadzono przeprowadzono dla dla dwóch dwóch przypadków przypadków kontaktu kontaktu źródła ciepła zz płytką. płytką.W Wpierwszym pierwszymprzypadku przypadkuźródło źródło cieźródła ciepła ciepła pła styka się z powłoką TiAlN (rys. 2a), a w drugim – ciepło styka się z powłoką TiAlN (rys. 2a), a w drugim ciepło dodostarczane bezpośrednio substratu płytki starczane jestjest bezpośrednio do do substratu płytki (rys.(rys. 2b) 2b), pomijając barierę termiczną, jaką stanowi powłoka pomijając barierę termiczną jaką stanowi powłoka narzęnarzędziowa. dziowa. a) b) Rys. 2. 2.Schemat Schematkontaktu kontaktu źródła ciepła z powłoką TiAlN (a) oraz Rys. źródła ciepła Q zQpowłoką TiAlN (a) oraz bezbezpośrednio z substratem pośrednio z substratem płytki płytki (b) (b) Obliczone nanapodstawie oraz Obliczone podstawie[5] [5] przewodności przewodności cieplne cieplne 𝝀𝝀λ oraz właściwe 𝒄𝒄c𝒑𝒑p materiału materiału substratu substratudla dlatemperatury temperatury20 20i ciepła właściwe ww tabl. I. Właściwości cieplne powłoki i380°C 380°Cprzedstawiono przedstawiono tabl. I. Właściwości cieplne poTiAlNTiAlN ustalono jedynie dla T=20°C na podstawie [6]. [6]. Nie włoki ustalono jedynie dla T = 20°C na podstawie znaleziono w w literaturze odnośnie Nie znaleziono literaturzeadekwatnych adekwatnych danych danych odnośnie zmian 𝝀𝝀λ oraz oraz 𝒄𝒄c𝒑𝒑p dla dla tej tej powłoki. powłoki. zmian TABLICAI. I.Przewodność Przewodność cieplna i ciepło właściwe maTABLICA cieplna i ciepło właściwe materiału teriału powłoki węglikowego powłoki substratusubstratu węglikowego Materiał Lit.Lit. T, °C T, °C Materiał WCWC-6%Co 6%Co TiAlN TiAlN [5] [6] [5] [6] 2020 380 380 20 20 Ciepło Przewodność Przewodność Ciepło właściwe właściwe cieplna W/m KK J/kg 𝒄𝒄𝒑𝒑c,p, J/ kgK K cieplna 𝝀𝝀,λ,W/m 33,7 33,7 180,1 180,1 39,6 237,7 14 129 39,6 14 237,7 129 Można zauważyć, że TiAlN charakteryzuje się małą warMożnaprzewodności zauważyć, że cieplnej, TiAlN charakteryzuje małą wartotością przeszło dwasię razy mniejszą ścią przewodności cieplnej, przeszło dwa razy mniejszą w w porównaniu do materiału substratu. Dodatkowo wraz porównaniu materiału przewodność substratu. Dodatkowo ze ze wzrostemdo temperatury substratuwraz rośnie. wzrostem temperatury substratu rośnie. Może Może to mieć wpływ naprzewodność transport i wnikanie ciepła do ostrza to mieć wpływ na transport i wnikanie ciepła do ostrza w w zakresie jego wysokich temperatur pracy. zakresie jego wysokich temperatur pracy. Wyniki badań MECHANIK NR 10/2016 1461 Wyniki badań TABLICA II. Zarejestrowane wartości temperatury podczas nagrzania płytki dla czasu t = 260 s Przebieg zmian temperatury podczas nagrzewania płytki skrawającej z powłoką TiAlN dla dwóch przypadków kontaktu źródła ciepła Q z próbką przedstawiono na rys. 3. Charakter zmian temperatury w czasie jest dla obu przypadków podobny. Jednoznacznie od samego początku testu szybciej wnikało ciepło do materiału ostrza, podnosząc wartość temperatury w miejscu pomiaru, dla źródła ciepła Q stykającego się bezpośrednio z substratem (rys. 3). Obszar I Obszar II Styk źródła Q z substratem Styk źródła Q z powłoką Rys. 3. Przebieg zmian temperatury podczas nagrzewania płytki dla dwóch przypadków kontaktu źródła ciepła Q z próbką dla pary termopar T1-T4 W celu oceny intensywności zmian temperatury w ustalonych punktach pomiaru wyliczono gradient temperatury dla kroku czasu 0,5 s. Przykładowe wykresy zmian gradientów temperatury dla Q stykającego się z powłoką TiAlN przedstawiono na rys. 4. Źródło ciepła Q stykające się z: powłoką substratem T1-T4 54,7 °C 60,0 °C T2-T5 52,2 °C 56,1 °C T3-T6 49,1 °C 55,9 °C wyższe temperatury na powierzchni płytki skrawającej uzyskano dla źródła ciepła Q stykającego się z substratem. W tym przypadku strumień ciepła, wnikając do węglika spiekanego, nie musiał przenikać przez powłokę narzędziową i pokonywać obszaru styku TiAlN z WC. Dla Q stykającego się z powłoką strumień musi dwa razy pokonać barierę termiczną związaną z powłoką TiAlN. To spowodowało, że wartości temperatury w punktach pomiaru są średnio o 5° niższe. W większości publikacji [7÷8] ocenie właściwości cieplnych podlega jedynie sama powłoka lub substrat. Jednak dla przypadku związków chemicznych nanoszonych metodami PVD lub CVD, gdzie zachodzi chemiczna interakcja powłoki z materiałem substratu, istotnego znaczenia może nabierać zjawisko synergii. Wydaje się więc racjonalne podejście naukowe, w którym ocena funkcjonowania takiej powłoki będzie dokonywana w skojarzeniu z materiałem substratu, na którym została naniesiona, wraz z zachowaniem warunków jej wytworzenia. Podsumowanie Przeprowadzone badania stanowiskowe rozpływu ciepła w węglikowej płytce skrawającej z powłoką narzędziową potwierdziły istnienie bariery cieplnej na styku powłoka– –substrat. Zbudowane stanowisko badawcze, o znanej konfiguracji elementów pomiarowych, pozwala na uzyskanie danych eksperymentalnych do wyznaczenia właściwości termofizycznych powłoki narzędziowej. Wstępnie ustalono, że na podstawie tych testów będzie można wyliczyć metodą inżynierii odwrotnej, korzystając z klasycznych zależności termofizycznych, właściwości cieplne powłoki z uwzględnieniem efektu synergetycznego. Dane te pozwolą na lepsze określenie oddziaływań cieplnych w strefie skrawania podczas modelowania tego procesu metodami numerycznymi. LITERATURA Rys. 4. Przykładowa charakterystyka zmian gradientu temperatury dla źródła ciepła stykającego się z powłoką TiAlN Zaobserwowano, że niezależnie od miejsca pomiaru termoparami (T1-T4 czy np. T3-T6) do czasu 110÷117 s gradienty rosły, osiągając maksymalne wartości średnio 0,18°/s. Na rys. 3 oznaczono ten okres jako Obszar I. Następnie nastąpił monotoniczny spadek gradientów do czasu pomiaru 257÷267 s – Obszar II na rys. 3. W tym przypadku skrajną wartością gradientu jest 0,07°/s. W podobny sposób układają się charakterystyki gradientu dla kontaktu Q bezpośrednio z substratem. W celu porównania wartości temperatur w punktach kontrolnych postanowiono dokonać oceny dla czasu odpowiadającego końcowi Obszaru II (t=260 s), gdzie osiągnięto najniższe wartości gradientu. Odpowiednie dane zebrano w tabl. II. Na podstawie wyników zebranych w tabl. II można ocenić, że generalnie 1.Kupczyk M.J. „Inżynieria powierzchni. Powłoki przeciwzużyciowe na ostrza skrawające”. Poznań: Wyd. Polit. Poznańskiej, 2008. 2.Siwak P., Garbiec D., Chwalczuk T. „Badania własności technologicznych płytek skrawających z węglików spiekanych typu WC-6CO wytwarzanych metodą impulsowo-plazmową”. Mechanik. Nr 8–9 (2015): s. 113÷122. 3.Cichosz P. „Narzędzia skrawające”. Warszawa: WNT, 2006. 4.Niesłony P., Grzesik W., Habrat W. “Experimental and simulation investigations of face milling process of Ti-6Al-4V titanium alloy”. Adv. Manuf. Sci. Technol. No. 39 (2015): pp. 39÷52. 5.Niesłony P. „Modelowanie przepływu ciepła i rozkładu temperatury w strefie skrawania dla ostrzy z twardymi powłokami ochronnymi”. Opole: Oficyna Wyd. Politechniki Opolskiej, 2008. 6.Ding X.Z., Samani M.K., Chen G. “Thermal conductivity of PVD TiAlN films using pulsed photothermal reflectance technique”. Applied Physics A: Materials Science and Processing. No. 101 (2010): pp. 573÷577. 7.Garcia-Gonzáles L., Granica-Romo M.G., Hernándes-Torres J., Espinoza-Beltrán F.J. “A study of TiAlN coatings prepared by rf co-sputtering”. Brazilian Journal of Chemical Engineering. Vol. 24, No. 2 (2007): pp. 249÷257. 8.Samani M.K., Ding X.Z., Khosravian N., Amin-Ahmadi B., Yang Yi, Chene G., Neyts E.C., Bogaerts A., Tay B.K. “Thermal conductivity of titanium nitride/titanium aluminum nitride multilayer coatings deposited by lateral rotating cathode arc”. Thin Solid Films. No. 578 (2015): pp. 133÷138. ■
