ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΜΕΤΡΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ ΚΑΙ ΤΗΣ ΔΙΑΡΚΕΙΑΣ ΚΡΟΥΣΗΣ ΕΙΣΟΔΟΥ ΤΗΣ ΚΟΠΤΙΚΗΣ ΑΚΜΗΣ ΣΤΗ ΦΘΟΡΑ ΕΠΙΚΑΛΥΜΜΕΝΩΝ ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ ΚΑΤΑ ΤΟ ΦΡΑΙΖΑΡΙΣΜΑ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΕΣ ΕΚΠΟΝΗΤΗΣ: ΧΡΙΣΤΟΦΟΡΟΣ ΜΩΡΑΪΤΗΣ Α.Ε.Μ.: 4326 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Κ.-Δ.-Μπουζάκης ΣΥΝΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Διπλ.-Μηχ. Σ.Μακρυμαλλάκης Θεσσαλονίκη, Ιούλιος

2 Αντί προλόγου Με την ολοκλήρωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας, η οποία σηματοδοτεί και την ολοκλήρωση των προπτυχιακών μου σπουδών στο τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσους με βοήθησαν και μου συμπαραστάθηκαν τόσο πρακτικά όσο και ηθικά στην τελική της σύνταξη. Θα ήθελα πρώτιστα να ευχαριστήσω τον κ. Καθηγητή Κ.-Δ. Μπουζάκη τόσο για την ανάθεση της διπλωματικής εργασίας, όσο και για την καθοδήγηση του κατά την διάρκεια της υλοποίησης της. Κατά δεύτερον θα ήθελα να ευχαριστήσω τους Διπλ.-Μηχ. Γ. Κατιρτζόγλου, Σ. Μακρυμαλλάκη και Σ. Γεράρδη για την ανεκτίμητη βοήθεια τους σε όλα τα στάδια αυτής της εργασίας, για την τόσο καθοριστική και πολύτιμη καθοδήγησή τους, όσο και για την υπομονή που επέδειξαν μέχρι την ολοκλήρωση της διπλωματικής μου εργασίας. Θεσσαλονίκη, Ιούλιος 2012 Χριστόφορος Μωραΐτης 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Εισαγωγή.. σελ Στάθμη Γνώσεων. σελ Μέθοδοι παραγωγής λεπτών σκληρών επικαλύψεων με φυσική εναπόθεση ατμών (PVD).... σελ Προσδιορισμός μηχανικών ιδιοτήτων και μηχανισμών κόπωσης των επικαλύψεων μέσω διαφόρων διαδικασιών...σελ Δοκιμασία νανοδιείσδυσης (nanoindentation)...σελ Δοκιμασία νανοσκληρομέτρησης..σελ Δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης (impact test)...σελ Προσδιορισμός παχών στις επιφάνειες επικάλυψης (kallotchen)......σελ α Διαφοροποιήσεις των παχών εξαιτίας της διαδικασίας επικάλυψης.... σελ β Επίδραση του λόγου tr/ tf σελ Μηχανισμοί φθοράς επικαλυμμένων εργαλείων...σελ Αστοχία της επικάλυψης λόγω μηχανικής κόπωσης......σελ Αστοχία της επικάλυψης λόγω κόπωσης του υλικού...σελ Αστοχία της επικάλυψης λόγω διάχυσης και οξείδωσης...σελ Αστοχία της επικάλυψης λόγω ανεπαρκούς συνάφειας...σελ Πειράματα κοπής σε περιφερικό φραιζάρισμα με επικαλυμμένα πλακίδια. σελ.31 3

4 2.5 Προσδιορισμός ακτίνας καμπυλότητας στις κοπτικές ακμές (διάταξη nanofocus)...σελ Διαδικασία μικροκοκκοβολής...σελ.37 3 Κοπή με περιφερικό φραιζάρισμα..σελ Η κινηματική της διαδικασίας φραιζαρίσματος..σελ Προσδιορισμός δυνάμεων κοπής...σελ.46 4 Επίδραση της διαμέτρου εργαλείου και της διάρκειας κρούσης εισόδου της κοπτικής ακμής στη φθορά επικαλυμμένων εργαλείων στο φραιζάρισμα με διάφορες κινηματικές.σελ Γενικά..σελ Δεδομένα πειράματος..σελ Αποτελέσματα και επεξήγηση...σελ.56 5 Συμπεράσματα.....σελ.68 6 Βιβλιογραφία...σελ.69 4

5 Πίνακας συμβόλων και συντομογραφιών Σύμβολ Περιγραφή συμβόλου Μονάδα B : Πλάτος καμπυλότητας της ακμής του εισβολέα nm ccl : Μήκος επαφής αποβλίττου μm Ε : Μέτρο ελαστικότητας GPa F : Δύναμη νάνο-διείσδυσης mn F c : Κύρια δύναμη κοπής dan FEM : Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων F kn : Εφαπτομενική δύναμη κοπής dan F kt : Δύναμη απώθησης dan FR : Ποσοστό αστοχίας επικάλυψης % H : Βάθος διείσδυσης Nm h cp : Πάχος αποβλίττου mm h cu : Απαραμόρφωτο πάχος αποβλίττου mm h p : Εναπομένον βάθος λόγω πλαστικής Nm HM : Σκληρομέταλλο HU : Γενικευμένη σκληρότητα GPa h max : Μέγιστο βάθος διείσδυσης Nm HV : Σκληρότητα κατά Vickers ID : Βάθος διείσδυσης Nm NC : Αριθμός επιτυχημένων κοπών NH : Ονομαστική σκληρότητα κατά Vickers HV NID : Ονομαστικό βάθος διείσδυσης Nm OCT : Συνολικό πάχος επικάλυψης mm OSL : Συνολικό μήκος υπερφόρτισης mm PVD : Φυσική εναπόθεση ατμών GPa Pn : Ορθή πίεση GPa Pt : Εφαπτομενική πίεση mm Ra : Μέση τιμή των αποκλίσεων του προφίλ GPa Rm : Ανώτερο όριο αντοχής σε εφελκυσμό mm Rt : Μέγιστο ύψος μεταξύ κορυφής και κοιλάδας mm RSM : Μέση απόσταση των κορυφών του προφίλ mm SEM : Σαρωτικό Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Seqv : Ισοδύναμη τάση κατά von Mises GPa SM : Όριο θραύσης GPa 5

6 Σύμβολ Περιγραφή συμβόλου Μονάδα SY : Όριο διαρροής GPa T : Πάχος επικάλυψης μm T D : Θερμοκρασία εναπόθεσης o C t F : Πάχος επικάλυψης στην επιφάνεια ελευθερίας μm t h : Ύψος καμπυλότητας της ακμής του εισβολέα nm t R : Πάχος επικάλυψης στην επιφάνεια αποβλίττου μm VB : Φθορά επιφάνειας ελευθερίας mm v c : Ταχύτητα κοπής m/min Α : Γωνία ελευθερίας o α xy : Ακτινικό βάθος κοπής mm α z : Αξονικό βάθος κοπής mm α 0 : Ακτίνα αποτυπώματος mm β i : Βάθος από την επιφάνεια της επικάλυψης nm Γ : Γωνία αποβλίττου o ε eqv : Ισοδύναμη παραμόρφωση κατά von Misses GPa Κ : Γωνία τοποθέτησης o ρ eff : Ενεργή ακτίνα καμπυλότητας μm ω f : Περιστροφή ιδιοσυσκευών συγκράτησης o ω p : Περιστροφή βάσης o : Περιστροφή δίσκων τοποθέτησης o ω s 6

7 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η συνεχώς αυξανόμενη ανάγκη για εύρεση προϊόντων καλύτερης ποιότητας ωθεί τις βιομηχανίες σε συνεχή βελτίωση των ήδη υπαρχόντων τεχνικών παραγωγής ή στην ανάπτυξη νέων, με γνώμονα πάντοτε την αύξηση της παραγωγικότητας και τη μείωση του κόστους παραγωγής. Τα επικαλυμμένα κοπτικά εργαλεία που χρησιμοποιούνται στις βιομηχανίες μορφοποιήσεων είναι συνυφασμένα με αυτές τις έννοιες εξαιτίας του γεγονότος ότι η βελτίωση της ποιότητας τους, η οποία σχετίζεται άμεσα με την αύξηση της διάρκειας ζωής και την επίτευξη μεγαλυτέρων ταχυτήτων κοπής κατά την κατεργασία, οδηγεί τελικά σε αύξηση του ρυθμού παραγωγής. Επομένως, εξαιτίας των αυξημένων απαιτήσεων των μηχανουργικών διαδικασιών δημιουργείται η ανάγκη για συνεχή βελτίωση των επικαλύψεων, οι οποίες χρησιμοποιούνται σαν υλικά επιφανειακής επιβελτίωσης στα κοπτικά εργαλεία και στα στοιχεία μηχανών. Με σκοπό να καλυφθούν οι αντίστοιχες απαιτήσεις έχουν εισαχθεί διάφορες τεχνολογικές εξελίξεις στην περιοχή των επικαλύψεων. Μια από αυτές είναι η Φυσική Εναπόθεση Ατμών (PVD), η οποία αποτελείται κυρίως από την εξάτμιση και την εναπόθεση ιονισμού. Μέσω της PVD διαδικασίας παράγονται επικαλύψεις με πολύ καλή συνάφεια και συνοχή, με μεγάλη σκληρότητα, με αυξημένη αντίσταση στη φθορά, στην οξείδωση και στη χημική προσβολή, όπως επίσης και με πολύ καλές αντιτριβολογικές και μονωτικές ιδιότητες. Οι προαναφερόμενες μηχανικές ιδιότητες των PVD επικαλύψεων καθώς και τα μέτρα ελαστικότητας, πλαστικότητας, όπως και τα όρια διαρροής και θραύσης επηρεάζονται κυρίως από τη χημική σύσταση, τις μεθόδους και το χρόνο παρασκευής, τη μικροδομή, την επιφανειακή προετοιμασία του υποστρώματος κτλ. Προκειμένου να εξακριβωθούν οι ιδιότητες αυτές χρησιμοποιούνται πειραματικές διατάξεις, όπως η δοκιμασία νάνοδιείσδυσης, οι δοκιμασίες εισβολής και χάραξης, η δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης κ.α. Συγκεκριμένα, μέσω της νάνοδιείσδυσης είναι δυνατή η εύρεση των ελαστοπλαστικών ιδιοτήτων των υλικών χρησιμοποιώντας εισβολείς πολύ μεγάλης ακριβείας, οι οποίοι διεισδύουν στο υλικό με πολύ χαμηλό φορτίο. Μια από τις σημαντικότερες απαιτήσεις σε διαδικασίες αξιολόγησης πειραμάτων νάνο-σκληρομέτρησης είναι η ακριβής γνώση της γεωμετρίας ακμής του εισβολέα, αφού ακόμη 7

8 και μια μικρή απόκλιση από την ιδανική γεωμετρία μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τα αποτελέσματα. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο προσδιορισμός της ακριβούς γεωμετρίας ακμής των εισβολέων έχει απασχολήσει κατά καιρούς πολλούς ερευνητές ενώ στη βιβλιογραφία δεν αναφέρεται σαν διαδικασία ο ακριβής προσδιορισμός των αποκλίσεων μορφής, παρά μόνο κατάλληλες διαδικασίες βαθμονόμησης των οργάνων νάνο-σκληρομέτρησης, έτσι ώστε να λαμβάνονται υπόψη οι αποκλίσεις μορφής των εισβολέων από την ιδανική τους γεωμετρία χωρίς ποσοτικοποίηση τους. Για το λόγο αυτό κρίθηκε αναγκαία η ανάπτυξη μίας μεθοδολογίας, που βασίζεται στη συνεχή προσομοίωση της καμπύλης δύναμης-διείσδυσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων με πρωταρχικό σκοπό την εύρεση και ποσοτικοποίηση με ακρίβεια νανομέτρου των αποκλίσεων μορφής της ακμής των εισβολέων, οι οποίες συμβαίνουν κατά τη φάση κατασκευής και είναι αδύνατο να καταγραφούν μέσω ατομικής μικροσκοπίας και τελικό στόχο την εύρεση των πραγματικών ελαστοπλαστικών ιδιοτήτων των υλικών. Οι κατασκευαστές επικαλύψεων, προκειμένου να βελτιώσουν την απόδοση κοπής των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων, πειραματίζονται με διάφορες τεχνολογικές και γεωμετρικές παραμέτρους. Οι παράμετροι που θα διερευνηθούν σε βάθος είναι το πάχος επικάλυψης καθώς και η σκληρότητα του επικαλυμμένου φιλμ. Συγκεκριμένα, θα διευκρινιστούν αναλυτικά-πειραματικά μέσω διαφόρων μεθοδολογιών οι μηχανικές ιδιότητες σε όλο το φιλμ επικάλυψης, θα διερευνηθεί πειραματικά η αντοχή σε κόπωση και η απόδοση κοπής μεγάλης παρτίδας επικαλυμμένων με PVD κοπτικών εργαλείων με διάφορα πάχη και σκληρότητες και θα αναλυθεί μέσω μοντέλων προσομοίωσης FEM, τα οποία λαμβάνουν υπόψη τη διαφορετικότητα των ελαστοπλαστικών ιδιοτήτων σε όλο το φιλμ επικάλυψης, ο διαφορετικός τρόπος αρχικής αστοχίας τους καθώς και η περαιτέρω ανάπτυξη της φθοράς τους. Επιπρόσθετα, θα εξεταστούν στην κοπή επικαλυμμένα κοπτικά εργαλεία με διαφορετικά κατανεμημένα επικαλυμμένα φιλμ στην κοπτική ακμή, τα οποία προκύπτουν μέσω χρησιμοποίησης διαφόρων ιδιοσυσκευών συγκράτησης στο θάλαμο κενού κατά την εναπόθεση. Οι ιδιοσυσκευές αυτές καθιστούν δυνατή την εναπόθεση συμμετρικών ή ασύμμετρων επικαλυμμένων φιλμ στις επιφάνειες ελευθερίας και αποβλίττου. Επίσης, 8

9 θα αναζητηθεί μέσω πεπερασμένων στοιχείων που περιγράφουν τις ποικίλες γεωμετρίες της κοπτικής ακμής ο μηχανισμός αστοχίας τους και θα διασαφηνιστεί πειραματικά - αναλυτικά ποια είναι η βέλτιστη κατανομή του επικαλυμμένου φιλμ. 9

10 2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ 2.1 Μέθοδοι παραγωγής λεπτών σκληρών επικαλύψεων με φυσική εναπόθεση ατμών Η ανάπτυξη νέων υλικών συνδέεται πάντα με τις απαιτήσεις χαμηλού κόστους κατασκευής εξαρτημάτων. Προκειμένου να ικανοποιηθούν οι παραπάνω απαιτήσεις, υπήρξαν μια σειρά από εξελίξεις στον τομέα της τεχνολογίας των επικαλύψεων. Ιδιαίτερη σημασία για τις εξελίξεις αυτές έχουν οι επικαλύψεις, τα υλικά των εργαλείων και η γεωμετρία τους. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει μια τεράστια ποικιλία από υλικά, δομές και διαδικασίες παραγωγής επικαλύψεων που με προσεκτική επιλογή αυτών μπορεί να επιτευχθεί η καλύτερη δυνατή απόδοσή τους στις κατεργασίες κοπής. Η δομή μια επικάλυψης εξαρτάται κυρίως από την διαδικασία εναπόθεσής της. Οι κυριότερες τεχνολογίες, που χρησιμοποιούνται σήμερα για την παραγωγή επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων, είναι η Χημική Εναπόθεση Ατμών και η Φυσική Εναπόθεση Ατμών. Το κυριότερο χαρακτηριστικό της Χημικής Εναπόθεσης είναι η υψηλή θερμοκρασία, που απαιτείται για να εναποτεθεί η επικάλυψη πάνω στο υπόστρωμα ( ºC). Στην περίπτωση της Φυσικής Εναπόθεσης η απαιτούμενη θερμοκρασία μειώνεται σημαντικά ( ºC), με αποτέλεσμα να βρίσκει μεγαλύτερο πεδίο εφαρμογής. Οι επικαλύψεις που παράγονται με την μέθοδο της Φυσικής Εναπόθεσης Ατμών είναι κεραμικά υλικά, τα οποία αποτελούνται από νιτρίδια, οξείδια, καρβίδια καθώς και από μετασταθή υλικά, όπως το διαμάντι και το κυβικό βοριονιτρίδιο. Χαρακτηρίζονται από μεγάλη σκληρότητα, χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, αυξημένη αντίσταση στη φθορά, στην οξείδωση, στην διάβρωση και έχουν πολύ καλές αντιτριβολογικές ιδιότητες. Έτσι κατά την κατεργασία με αφαίρεση υλικού οι ταχύτητες κοπής καθώς και οι προώσεις που μπορούν να επιτευχθούν με επικαλυμμένα κοπτικά εργαλεία από σκληρομέταλλο είναι πολύ μεγαλύτερες σε σύγκριση με εκείνες των ακάλυπτων εργαλείων και η διάρκεια ζωή τους αυξάνεται σημαντικά. Οι κύριες μέθοδοι επικάλυψης με φυσική εναπόθεση ατμών είναι η εξάτμιση (evaporation) και η εναπόθεση με επίθεση- βομβαρδισμό ιόντων (ion sputtering) και φαίνονται στο σχήμα 2.1. Κατά την έναρξη της διαδικασίας εναπόθεσης το υλικό της επικάλυψης μετατρέπεται σε ατμούς 10

11 είτε μέσω εξάτμισης, είτε μέσω βομβαρδισμού ιόντων. Στην συνέχεια οι ατμοί μεταφέρονται από την πηγή στο υπόστρωμα με ή χωρίς συγκρούσεις μεταξύ ατόμων ή μορίων. Κατά τη μεταφορά ένα μέρος των ατμών μπορεί να ιονιστεί με δημιουργία πλάσματος στο χώρο εναπόθεσης. Στη συνέχεια ακολουθεί η συμπύκνωση των ατμών πάνω στο υπόστρωμα και δημιουργείται η επικάλυψη μέσω σχηματισμού και ανάπτυξης πυρήνων. Ο σχηματισμός και η ανάπτυξη των πυρήνων μπορούν να επηρεαστούν σε μεγάλο βαθμό από το βομβαρδισμό της επικάλυψης με ιόντα, με αποτέλεσμα να έχουμε αλλαγές στη μικροδομή, στη σύνθεση και στις εναπομένουσες τάσεις. Σχήμα 2.1:Κύριες μέθοδοι επικάλυψης με φυσική εναπόθεση ατμών. Στη μέθοδο της εξάτμισης το υλικό του υποστρώματος τοποθετείται σε θάλαμο κενού απευθείας σε οπτική επαφή με το υλικό που πρόκειται να τηχθεί και να επικαλυφθεί. Το υλικό της επικάλυψης θερμαίνεται μέσω ηλεκτρικού τόξου (arc), θερμικής αντίστασης, δέσμης ηλεκτρονίων (electron beam) ή από λέιζερ. Στη συνέχεια το υλικό εξατμίζεται και επικάθεται πάνω στην επιφάνεια του υποστρώματος. Οι μέθοδοι εναπόθεσης, που κάνουν χρήση του ηλεκτρικού τόξου, μπορούν να πραγματοποιηθούν σε χαμηλές θερμοκρασίες της τάξεως των 70ºC. Κατά την εναπόθεση με υψηλό βομβαρδισμό ιόντων (High Ionization Sputtering) οι πλάκες με τα προς επικάλυψη υλικά καθώς και τα υποστρώματα που θα επικαλυφθούν τοποθετούνται σε θάλαμο κενού, όπου επικρατούν συνθήκες πίεσης μεταξύ 10-4 έως 10-7 torr. Οι πλάκες είναι συνδεδεμένες με τον αρνητικό πόλο παροχής τάσης (κάθοδος), ενώ τα υποστρώματα τοποθετούνται απέναντι από το στόχο και αποτελούν την άνοδο. Στο θάλαμο κενού εισάγεται αδρανές αέριο (συνήθως Ar) και 11

12 δημιουργείται ηλεκτρικό τόξο, το οποίο αποτελεί την πηγή προσέλευσης των ιόντων. Η εναπόθεση H.I.S. αυξάνει την διαφορά δυναμικού μέσα στο θάλαμο κενού έτσι ώστε ο βαθμός ιονισμού των ατόμων του αδρανούς αερίου να αυξηθεί πάνω από 50%. Τα ιονισμένα άτομα του αδρανούς αερίου, λόγω της κινητικής ενέργειας που αποκτούν, προσκρούουν στους στόχους μεταδίδοντας την κινητική τους ενέργεια στα προς επικάλυψη άτομα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απομάκρυνση από την επιφάνεια των στόχων των προς επικάλυψη ατόμων και στην εναπόθεση τους στις επιφάνειες των υποστρωμάτων. Οι στόχοι λειτουργούν ως πηγή των προς επικάλυψη υλικών, καθώς και σαν πηγή δευτερογενών ηλεκτρονίων που συντηρούν την ηλεκτρική εκκένωση, η οποία αυξάνεται μέσω της εφαρμοζόμενης τάσης. Μια απλή διάταξη του θαλάμου εναπόθεσης απεικονίζεται στο σχήμα 2.2. Σχήμα 2.2:Διάταξη εναπόθεσης με βομβαρδισμό ιόντων (H.I.S.). Τον τελευταίο χρόνο η εταιρία CEMECON AG. έχει εξελίξει την τεχνολογία εναπόθεσης HPPMS (High-Power Plasma Magnetron Sputtering). Η νέα αυτή τεχνολογία εναπόθεσης επικαλύψεων έρχεται να καλύψει τις ανάγκες της νέας γενιάς κοπτικών εργαλείων για ερευνητικούς καθώς και για εμπορικούς σκοπούς. Με τον βομβαρδισμό ιόντων στο υπόστρωμα σκληρομετάλλου (στόχος) και με συνθήκες περιβάλλοντος παρόμοιες με 12

13 αυτών των εναποθέσεων laser ή ακόμα και διηθητικών εναποθέσεων (filtered deposition), πετυχαίνουμε πολύ καλή πυκνότητα πλάσματος και επομένως αύξηση της συνάφειας της επικαλύψεις. Σύμφωνα με τα δεδομένα παραγωγής για την μέθοδο παραγωγής HPPMS επικαλύψεων, απαιτείται μόνο το 25% έως 35% της ισχύς που χρησιμοποιείται για τις παραδοσιακές μεθόδους επικαλύψεων. Με τα παρόντα δεδομένα η ικανότητα ιονισμού μπορεί να φτάσει από το 15% έως το 70% της επιφάνειας του κοπτικού εργαλείου. Τα αποτελέσματα οπτικού φασματοσκοπίου συνιστούν την χρήση πλάσματος μεταλλικής-κυρίωςσύστασης για να επιτύχουμε την όσο δυνατόν μεγαλύτερη κάλυψη της επιφάνειας του εργαλείου μας. Τα αποτελέσματα αυτής της διαδικασίας μπορούν να ερμηνευτούν μέσω ενός απλού μαθηματικού μοντέλου, όπου μέσω των τιμών κάποιων μεταβλητών μπορούν να προκύψουν οι επιθυμητές ιδιότητες για τα χαρακτηριστικά που θέλουμε να έχει το υλικό του στόχου μας. Επειδή αυτή η μέθοδος είναι ακόμα στην φάση της πειραματικής εξέλιξης, η εισαγωγή της στο τομέα της βιομηχανίας, απαιτεί ακόμα κάποια βήματα έρευνας και εξέλιξης. Αλλά η εξέλιξη και ολοκλήρωση της τεχνολογίας εναπόθεσης επικαλύψεων HPPMS, θα είναι ακόμα ένα βήμα βελτίωσης για την εισαγωγή νέων, πρωτότυπων υλικών στο χώρο της βιομηχανίας μορφοποιήσεων. 2.2 Προσδιορισμός μηχανικών ιδιοτήτων και ιδιοτήτων κόπωσης των επικαλύψεων μέσω διαφόρων δοκιμασιών Δοκιμασία νανοδιείσδυσης (nanoindentation) Η γνώση των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών αποτελεί βασικό ζήτημα σε κάθε τεχνική εφαρμογή. Για το σκοπό αυτό πολλές κατασκευάστριες εταιρίες κατασκευάζουν εξελισσόμενα ειδικά όργανα υψηλής ακρίβειας, τα ονομαζόμενα νανοσκληρόμετρα. Η λειτουργία των νανοσκληρομέτρων βασίζεται στη διείσδυση κάποιου εισβολέα (πυραμίδα Vickers ή Berkovich ή μπάλα σκληρομετάλλου) και συνδυάζεται με συνεχή καταγραφή της πορείας της εφαρμοζόμενης δύναμης συναρτήσει του βάθους διείσδυσης. Το φορτίο μπορεί να κυμαίνεται από 1 mn έως 1000 mn. Στο πάνω μέρος του σχήματος 2.4 φαίνεται ένα σκαρίφημα της δοκιμασίας καθώς και οι εισβολείς Vickers και Berkovich. Η μέτρηση αποτελείται από δύο στάδια, το στάδιο της φόρτισης και της αποφόρτισης. Κατά τη διάρκεια της 13

14 φόρτισης εφαρμόζεται σταδιακά δύναμη στον αδαμάντινο εισβολέα και καθώς αυτός διεισδύει στο εξεταζόμενο τεμάχιο γίνεται καταγραφή της μέτρησης του βάθους. Κατά την αποφόρτιση, παραμένει ένα εναπομένον βάθος hp, λόγω πλαστικής παραμόρφωσης, που εξαρτάται από τις ιδιότητες του υλικού, το μέγεθος της εφαρμοζόμενης δύναμης και τη γεωμετρία του εισβολέα. Στο κάτω μέρος του σχήματος παρουσιάζεται μια τυπική καμπύλη φόρτισης αποφόρτισης, όπως προκύπτει από τη διαδικασία της νανοσκληρομέτρησης. Με τη βοήθεια τέτοιων μετρήσεων και με κατάλληλη εφαρμογή μιας FEM υπολογιστικής διαδικασίας ( SSCUBONI : Stress Strain Curves Based On Nano Indentation) μπορούν να καθοριστούν οι καμπύλες τάσης ελαστοπλαστικής παραμόρφωσης των υλικών. Για τη σωστή αξιολόγηση των αποτελεσμάτων ιδιαίτερη σημασία έχει η γνώση της ακριβής γεωμετρίας της αιχμής του εισβολέα διότι μια μικρή απόκλιση από την ιδανική γεωμετρία οδηγεί σε μεγάλα σφάλματα κατά την εκτίμηση των μηχανικών ιδιοτήτων. Για το λόγο αυτό οι κατασκευαστές έχουν δημιουργήσει κατάλληλες διαδικασίες βαθμονόμησης ώστε να λαμβάνεται υπόψη η απόκλιση της πραγματικής μορφής του εισβολέα από την ιδανική. Με τη βοήθεια ενός αλγορίθμου, που βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, προσεγγίζεται με ακρίβεια η πραγματική γεωμετρία των εισβολέων, οδηγώντας έτσι στην εξαγωγή των πραγματικών ελαστοπλαστικών ιδιοτήτων των εξεταζόμενων υλικών Δοκιμασία νανοσκληρομέτρησης Η νανοσκληρομέτρηση είναι μια ακριβής μέθοδος διείσδυσης για την συνεχή καταγραφή της πορείας της εφαρμοζόμενης δύναμης σε συνάρτηση του προκύπτοντος βάθους διείσδυσης. Αυτή η μέτρηση αποτελείται από δυο στάδια, το στάδιο της φόρτιση και το στάδιο της αποφόρτισης. Κατά το στάδιο της φόρτισης, ένα φορτίο διείσδυσης εφαρμοζόμενο στον αδαμάντινο εισβολέα, τον αναγκάζει να εισχωρήσει μέσα στο εξεταζόμενο τεμάχιο. Αυτό το φορτίο εφαρμόζεται σταδιακά ενώ ταυτόχρονα μετράται το βάθος διείσδυσης. Όταν το φορτίο απομακρύνεται (στάδιο αποφόρτισης), εξ αιτίας της πλαστικής παραμόρφωσης του δοκιμίου, προκύπτει ένα εναπομένον βάθος διείσδυσης h P, εξαρτώμενο τόσο από τις 14

15 ιδιότητες του υλικού όσο και από το εφαρμοζόμενο φορτίο και την γεωμετρία του εισβολέα. Σχήμα 2.4: Διαδικασία και τυπικό διάγραμμα νάνο-διείσδυσης μέσω εισβολέων Vickers, Berkovich καθώς και τυπική καμπύλη τάσης παραμόρφωσης. Με την βοήθεια του μέγιστου βάθους διείσδυσης, του εναπομείναντος βάθους και ορισμένων άλλων παραμέτρων σχετικών με την διαδικασία της νανοδιείσδυσης, είναι δυνατόν να προσδιοριστούν προσεγγιστικά το μέτρο ελαστικότητας του υλικού μέσω μιας αναλυτικής μεθόδου αξιολόγησης. Για τον λόγο αυτό γίνεται η υπόθεση ότι η συμπεριφορά ενός ελαστοπλαστικού τεμαχίου μπορεί να αντικατασταθεί από ένα τέλεια ελαστικό σώμα και ένα τέλεια πλαστικό. Αυτός ο συλλογισμός απλοποιεί τη διαδικασία αξιολόγησης των αποτελεσμάτων νανοδιείσδυσης, επιτρέποντας την εφαρμογή αναλυτικής μεθόδου για τον υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητας λεπτών σκληρών επικαλύψεων, χωρίς να επιτρέπει ωστόσο τον προσδιορισμό της πορείας τάσης-ελαστοπλαστικής παραμόρφωσης του υλικού. Για τον λόγο αυτό εξελίχθηκε αλγόριθμος προσδιορισμού των καμπυλών τάσης-παραμόρφωσης. Ο αλγόριθμος αυτός, όπως προαναφέρθει γνωστός σαν αλγόριθμος SSCUBONI, εκτελεί μια συνεχή προσομοίωση της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης με την βοήθεια της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων (FEM), λαμβάνοντας 15

16 υπόψη τα αποτελέσματα των ατελειών της ακμής του διεισδυτή και την ελαστική του παραμόρφωση. Μέσω αυτού του αλγορίθμου είναι η εξαγωγή των ελαστοπλαστικών νόμων τάσης παραμόρφωσης των υλικών. Σχήμα 2.5: Διάταξη νανοσκληρομέτρησης Η ακρίβεια του παραπάνω αλγορίθμου είναι αποδεδειγμένα υψηλή, ωστόσο είναι χρονικά ιδιαίτερα δαπανηρός και ως εκ τούτου, ανάλογα με την εμπειρία του χρήστη και το επιθυμητό επίπεδο ακρίβειας, είναι 16

17 απαραίτητες κάποιες υπολογιστικές ώρες. Για να υπερνικηθεί αυτό το μειονέκτημα, έχει εξελιχθεί ο αλγόριθμος FANOS, ο οποίος βασίζεται στον αλγόριθμο SSCUBONI και ο οποίος είναι σε θέση να αξιολογήσει τα αποτελέσματα της νανοδιείσδυσης, γρήγορα (σε μερικά δευτερόλεπτα και με ακρίβεια). Το λογισμικό που αναπτύχθηκε με βάση των παραπάνω αλγόριθμο, είναι αυτοματοποιημένο και πολύ φιλικό για τον χρήστη. Με την χρήση του λογισμικού FANOS μπορούν να προσδιοριστούν γρήγορα και με ακρίβεια το μέτρο ελαστικότητας, το όριο διαρροής και τα εφαπτομενικά μέτρα πλαστικής παραμόρφωσης διαφόρων υλικών. Στο σχήμα 2.5 βλέπουμε μια τυπική διάταξη νανοσκληρομέτρησης Δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης (impact test) Το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης (σχήμα 2.6) αποτελεί μια κατάλληλη μέθοδο για το χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων κόπωσης των επικαλύψεων. Μέσω του δοκιμαστηρίου αυτού μπορούν να αποσαφηνιστούν οι μηχανισμοί συναφειακής αστοχίας της επικάλυψης. Με τη χρήση του δοκιμαστηρίου κρούσης είναι δυνατή η πρόβλεψη της συμπεριφοράς φθοράς των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων κατά την κοπή. Ένα ακόμα ενδιαφέρον πεδίο εφαρμογής του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης είναι ο προσδιορισμός της συμπεριφοράς σε ερπυσμό των παχιών επικαλύψεων που παράγονται με θερμικό ψεκασμό. Κατά τη διάρκεια της επαναλαμβανόμενης κρούσης μια σφαίρα σκληρομετάλλου διεισδύει περιοδικά στην επικάλυψη με προκαθορισμένο φορτίο. Εξαιτίας της πλαστικής παραμόρφωσης του υποστρώματος, που αναπτύσσεται κατά τη διάρκεια της φόρτισης, η περιοχή επαφής δεν επανέρχεται στην αρχική επίπεδη μορφή της και συνεπώς δημιουργείται ένα κοίλο αποτύπωμα. Η πειραματική διάταξη υποστηρίζεται από τη μονάδα παροχής ισχύος και τη μονάδα ελέγχου, η οποία υπολογίζει τον εναπομένοντα χρόνο για το πέρας του πειράματος ανάλογα με τον προκαθορισμένο αριθμό προσκρούσεων, μετράει τη θερμοκρασία του πηνίου και ρυθμίζει ανάλογα την πίεση του αέρα που εισάγεται για την ψύξη της συσκευής. Η αξιολόγηση των πειραμάτων που διεξάγονται μέσω του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης γίνεται με τη βοήθεια του λογισμικού ΙtecPlus. 17

18 Σχήμα 2.6: Δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης. Τα δεδομένα εισόδου είναι η δύναμη κρούσης, οι μηχανικές ιδιότητες της επικάλυψης και του υποστρώματος, οι αντίστοιχοι συντελεστές Poison, το πάχος της επικάλυψης και η σκληρότητα HRC του υποστρώματος. Τα δεδομένα εξόδου είναι η κατανομή των ισοδύναμων τάσεων κατά von Mises σε όλο το μήκος της ακτίνας αποτυπώματος, τα διαγράμματα Smith και Woehler καθώς και η ακτίνα του αποτυπώματος πριν και μετά την αστοχία. Πρόσφατες βελτιώσεις στη διάταξη του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης καθιστούν εφικτή τη διεξαγωγή πειραμάτων σε υψηλές θερμοκρασίες. Αξιοποιώντας αυτή την μέθοδο, πειράματα επαναλαμβανόμενης κρούσης μπορούν να διεξαχθούν σε θερμοκρασίες μέχρι και 600ºC. Απώτερος σκοπός είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς της αστοχίας της επικάλυψης. Ο προσδιορισμός της αστοχίας παρακολουθείται μέσω του ποσοστού αστοχίας της επικάλυψης (FR). 18

19 2.2.4 Προσδιορισμός παχών στις επιφάνειες επικάλυψης (KALLOTCHEN) Σχήμα 2.7: Γραφική αναπαράσταση της μέτρησης του πάχους της επικάλυψης, με την μέθοδο δημιουργίας κρατήρα Kallotchen Για να μελετηθεί η συμπεριφορά της φθοράς με ακρίβεια έγινε μέτρηση του πραγματικού πάχους της επικάλυψης και στις δύο επιφάνειες, ελευθερίας και αποβλίττου, για τον πληρέστερο προσδιορισμό των γεωμετρικών παραμέτρων κατά τις προσομοιώσεις. Η μέθοδος που ακολουθήθηκε είναι η μέθοδος της κρατήρωσης (KALLOTCHEN) κατά την οποία μία σφαίρα καθορισμένης διαμέτρου ρ=20mm περιστρεφόμενη από ένα κινητήριο κύλινδρο έρχεται σε επαφή με την προς εξέταση 19

20 επιφάνεια. Χρησιμοποιείται διαμαντόσκονη ως μέσο για την αποφλοίωση της επιφάνειας. Ύστερα από την πάροδο προκαθορισμένου χρόνου, επαρκούς για την αποκάλυψη του υποστρώματος σταματάει η περιστροφή. Είναι εμφανείς τρείς περιοχές η εξωτερική απρόσβλητη επιφάνεια της επικάλυψη, η εσωτερική επιφάνεια της επικάλυψης που έχει αποκαλυφθεί και το υπόστρωμα. Μετά η προς εξέταση επιφάνεια μελετάται στο ηλεκτρονικό σαρωτικό μικροσκόπιο Nanofocus, όπου μέσω αυτής της διάταξης ο χειριστής ορίζει μία περιοχή ύψους ανάμεσα στην οποία γίνεται βηματική καταγραφή των περιοχών της επιφάνειας που ορίζονται από την τομή της επιφάνειας με το οριζόντιο επίπεδο. Μέσω κατάλληλου λογισμικού γίνεται η σύνθεση των πληροφοριών και η παρουσίαση τους σαν μια ενιαία τρισδιάστατη επιφάνεια, όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε στο σχήμα 2.7. Η μέτρηση του πάχους (t) της επικάλυψης μέσω μιας ιδεατής τομής (ΑΆ) στο τρισδιάστατο σχήμα είναι κάτι που εύκολα πλέον, με την χρήση του κατάλληλου λογισμικού μπορεί να μετρηθεί. Οι μετρήσεις φανερώνουν ότι το πραγματικό πάχος της επικάλυψης έχει κάποιες αποκλίσεις από το θεωρητικό. Στη συνέχεια επιλέχθηκαν τα πλακίδια που πλησιάζουν την ιδανική περίπτωση όπου το πάχος της επικάλυψης είναι κοντά στα 2 μm και για τις δύο επιφάνειες, ελευθερίας και αποβλίττου, του πλακιδίου και ο λόγος tr/tf ο λόγος δηλαδή του πάχους της επιφάνειας αποβλίττου προς το πάχος της επιφάνειας ελευθερίας είναι ίσος με την μονάδα α Διαφοροποιήσεις των παχών εξαιτίας της διαδικασίας επικάλυψης Κατά την διαδικασία της επικάλυψης προκύπτουν διαφοροποιήσεις στα πάχη των επικαλύψεων στις διάφορες επιφάνειες των πλακιδίων και γενικότερα των προς επικάλυψη τεμαχίων ανάλογα με την τοποθέτηση τους στον θάλαμο των επικαλύψεων σε σχέση με την φορά των μαγνητικών γραμμών. Σύμφωνα με τις μεθόδους επικάλυψης και τις ιδιοσυσκευές συγκράτησης των πλακιδίων που χρησιμοποιεί η εταιρία CemeCon AG. έχουμε τις παραλλαγές που φαίνονται στο σχήμα παρακάτω. Σύμφωνα με τις δύο παραλλαγές των ιδιοσυσκευών συγκράτησης η ροή των ιόντων επάνω στις μαγνητικές γραμμές βρίσκει τα ιόντα να προσπίπτουν επάνω στην επιφάνεια ελευθερίας κάθετα (Λεπτομέρεια Α) και επάνω στην επιφάνεια αποβλίττου κάθετα 20

21 (Λεπτομέρεια Β). Κατά την πρώτη περίπτωση όπου η ροή βρίσκει κάθετα την επιφάνεια ελευθερίας προκύπτουν πλακίδια με σαφώς μεγαλύτερο πάχος στην επιφάνεια ελευθερίας από ότι στην επιφάνεια αποβλίττου, ενώ στη δεύτερη περίπτωση αντίστροφα. Σχήμα 2.8: Θάλαμος επικαλύψεων πλακιδίων Πρέπει ωστόσο να σημειωθεί ότι η κατανομή των παχών εξαρτάται και από άλλους παράγοντες. Ως αποβλίττου ορίζεται η περίπτωση που το πάχος της επικάλυψης είναι μεγαλύτερο στην επιφάνεια αποβλίττου και ισχύει tr/tf >1, ως ελευθερίας ορίζεται η περίπτωση όπου το πάχος της επικάλυψης είναι μεγαλύτερο στην επιφάνεια ελευθερίας και ισχύει tr/tf <1, ενώ ορίζεται και η συμμετρική περίπτωση όπου ο λόγος tr/tf =1. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για τις μετρήσεις (ball cratering test) είναι η προαναφερθείσα μέθοδος KALLOTCHEN β Επίδραση του λόγου tr/tf 21

22 Η επίδραση του λόγου tr/tf έχει μελετηθεί και έχει προκύψει ότι υπάρχει μία σαφής βελτίωση της συμπεριφοράς φθοράς για λόγους μεγαλύτερους από τη μονάδα σε σχέση με λόγους μικρότερους από αυτή. Η ιδανική περίπτωση παραμένει ωστόσο η συμμετρική όπου tr/tf =1 και η κατανομή των τάσεων είναι η βέλτιστη. 2.3 Μηχανισμοί φθοράς επικαλυμμένων εργαλείων και αναλυτική προσέγγισή τους Σχήμα 2.9: Γραφική αναπαράσταση της μέτρησης του πάχους της επικάλυψης, Οι τυπικοί μηχανισμοί φθοράς του ακαλύπτου εργαλείου, όπως η απόξεση, μηχανική και θερμική καταπόνηση, οξείδωση, διάχυση κ.τ.λ., εμφανίζονται και στην περίπτωση των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων. Λόγω όμως της πυκνής κρυσταλλοδομής των επικαλύψεων, του λεπτού πάχους και των αυξημένων μηχανικών και θερμομονωτικών ιδιοτήτων τους, οι προηγουμένως αναφερθέντες μηχανισμοί προσεγγίζονται πειραματικοαναλυτικά με διαφορετικές μεθοδολογίες, οι οποίες λαμβάνουν υπόψη τις ιδιότητες των επικαλύψεων, που παρουσιάσθηκαν στις προηγούμενες παραγράφους. Οι μηχανισμοί που οδηγούν στη φθορά των επικαλύψεων 22

23 κοπτικών εργαλείων, αναφέρονται στο σχήμα Η μηχανική υπερφόρτιση, καθώς και η υπέρβαση της τάσης αντοχής σε κόπωση κατά την κοπή, οδηγεί σύντομα σε μικροθραύσεις της επικάλυψης, κυρίως στη μεταβατική περιοχή της κόψης, από την επιφάνεια ελευθερίας προς αυτήν του αποβλίττου. Με την πάροδο του χρόνου κοπής, το φαινόμενο αυτό εξελίσσεται και οδηγεί, σε χαμηλές ταχύτητες κοπής, στην αύξηση της φθοράς της επιφανείας ελευθερίας και αστοχία του εργαλείου, πριν αναπτυχθεί αξιόλογη φθορά επί της επιφανείας αποβλίττου. Σε υψηλότερες ταχύτητες κοπής, δηλ. με την άνοδο της θερμοκρασίας κατά την κοπή, οι επικαλύψεις διατηρούν γενικά την κρυσταλλική δομή τους. Παράλληλα όμως, εκτυλίσσονται μηχανισμοί διάχυσης και οξείδωσης, που ανάλογα με τις θερμοκρασίες, οδηγούν στη διαφοροποίηση της χημικής σύστασης της επικάλυψης, συνήθως στην επιφάνεια αποβλίττου, στην περιοχή εμφάνισης της μέγιστης θερμοκρασίας κοπής, μέχρι το πέρας της επαφής της με το απόβλιττο. Σχήμα 2.10: Κύριοι μηχανισμοί φθοράς επικαλύψεων. Λόγω των προηγουμένων φαινομένων, περιορίζονται τοπικά οι μηχανικές ιδιότητες της επικάλυψης και λόγω απόξεσης επιταχύνεται η φθορά της. Επίσης, η ποιότητα συνάφειας της επικάλυψης, επιδρά αποφασιστικά στην αστοχία της, λόγω αύξησης των μηχανικών τάσεων, συνεπεία της κακής συγκράτησής της από το υπόστρωμα. Τέτοιου είδους μηχανισμοί ξεκινούν 23

24 στην περιοχή της κορυφής της κόψης και ραγδαία εξελίσσονται επί της επιφανείας αποβλίττου. Τέλος, συναφειακές μικροσυγκολλήσεις, λόγω χημικής συγγένειας υλικών τεμαχίων, με στοιχεία επικάλυψης, που μπορεί να δημιουργηθούν σε χαμηλές ταχύτητες κοπής επί της επιφανείας αποβλίττου, λόγω των περιορισμένων μηχανικών ιδιοτήτων τους, καταστρέφονται, παρασύροντας και μικροπεριοχές της επικάλυψης. Τοιουτοτρόπως μειώνεται δραστικά η διάρκεια ζωής των εργαλείων Αστοχία της επικάλυψης λόγω μηχανικής υπερφόρτισης Σε περιπτώσεις λιγότερο ανθεκτικών υποστρωμάτων, συγκριτικά με την επικάλυψη, λόγω της παραμόρφωσης του υποστρώματος κατά την κοπή, μπορούν να δημιουργηθούν μηχανικές υπερφορτίσεις στην επικάλυψη. Τέτοιου είδους φορτίσεις δύναται να προκύψουν επίσης και σε υλικά επικαλύψεων περιορισμένων μηχανικών ιδιοτήτων. Όπως φαίνεται στο σχήμα 2.11, συνέπεια του λιγότερο ανθεκτικού υποστρώματος και των κοπτικών φορτίσεων, δημιουργείται υπερκαταπόνηση της επικάλυψης στη μεταβατική περιοχή της κόψης, από την επιφάνεια ελευθερίας προς την αποβλίττου. Με διαδοχικές μικροθραύσεις, η επικάλυψη καταστρέφεται τοπικά και το υπόστρωμά της, αρχίζει να αποκαλύπτεται. Σαν αποτέλεσμα της αποκάλυψης αυτής, αυξάνει η ακτίνα καμπυλότητας της κόψης, και μειώνονται οι τάσεις στην επικάλυψη, όπως εικονίζεται στο σχήμα Η μείωση των τάσεων υποβάλλεται και από την αύξηση του μήκους επαφής του αποβλίττου ccl με την ομώνυμη επιφάνεια του εργαλείου, καθόσον μεγαλύτερη ποσότητα της θερμότητας κοπής εισρέει στο αποκαλυμμένο υπόστρωμα και τοιουτοτρόπως η θερμοκρασία της κάτω πλευράς του αποβλίττου προσεγγίζει αυτήν της άνω και η κύρτωσή του ελαττώνεται. 24

25 Σχήμα 2.11: Ανάπτυξη τάσεων στην επικάλυψη στην κορυφή της κόψης που οδηγούν στη θραύση της λόγω υπερφόρτισης. Είναι αξιοπρόσεκτο, ότι λόγω της μείωσης των μηχανικών τάσεων της επικάλυψης, παρά την εμφάνιση των πρώτων αστοχιών της, ήδη μετά από κοπή συνολικού μήκους αποβλίττου (ΣΜΑ) 200 μέτρων, το εργαλείο παρουσιάζει μόνο περιορισμένη τοπική φθορά στην κορυφή της κόψης μετά από ΣΜΑ μέτρων. Τα υπολογισμένα πεδία των τάσεων, αναδεικνύουν επίσης την αύξηση της μηχανικής φόρτισης του υποστρώματος, συνεπεία της προόδου της αστοχίας της επικάλυψης. Με την εξέλιξη της φθοράς της επικάλυψης, το υπόστρωμα ανάλογα με τη δημιουργούμενη γεωμετρία της κοπτικής ακμής, μπορεί να φορτισθεί πέρα από τα επιτρεπόμενα όριά του και να προκληθεί ραγδαία αύξηση της φθοράς του εργαλείου. Είναι δυνατό επίσης, κυρίως σε σχετικά χαμηλές ταχύτητες κοπής, όπως σε αυτή του παρόντος παραδείγματος, σε μεγάλο ΣΜΑ, μετά από 15 Km, η ακτίνα καμπυλότητας της κόψης να αυξηθεί και να οδηγήσει σε περιορισμό των τάσεων (βλέπε σχήμα). (Η επίδραση της ακτίνας καμπυλότητας του εργαλείου στο πεδίο των αναπτυσσομένων τάσεων, στην περιοχή της κοπτικής ακμής, θα σχολιασθεί σε επόμενη παράγραφο.) 25

26 Σχήμα 2.12: Εξέλιξη της φθοράς και αύξηση του λόγου συμπίεσης αποβλίττου, με συνεπακόλουθη ελάττωση των τάσεων στον κοπτικό σφήνα κατά το τορνάρισμα. Σχήμα 2.13: Αναπτυσσόμενα πεδία θερμοκρασιών και τάσεων κατά την αύξηση της φθοράς της επικάλυψης στην κορυφή της κόψης. Στο σχήμα 2.13, τα FEM υπολογισμένα θερμοκρασιακά πεδία, αποκαλύπτουν την είσοδο της θερμότητας στο υπόστρωμα από την αποκαλυμμένη περιοχή της κορυφής της κόψης. Αποτέλεσμα του γεγονότος αυτού είναι, ότι μεγαλύτερη περιοχή του υποστρώματος θερμαίνεται, η θερμοκρασία όμως πρακτικά δεν μεταβάλλεται, ενόσω η αποκάλυψη της κόψης περιορίζεται στην περιοχή της κορυφής της και το εργαλείο στο μεγαλύτερο μέρος της επαφής του με το απόβλιττο 26

27 προστατεύεται ακόμη αποτελεσματικά. Με την πρόοδο της αποδόμησης της επικάλυψης αυξάνουν οι τριβές και τα θερμικά φορτία της κόψης, με αποτέλεσμα την ενεργοποίηση μηχανισμών διάχυσης και οξείδωσης που μειώνουν τις μηχανικές ιδιότητές της και έτσι διευκολύνουν τη φθορά της μέσω απόξεσης Αστοχία της επικάλυψης λόγω κόπωσης του υλικού της Η αντοχή σε κόπωση του υλικού της επικάλυψης, επηρεάζει αποφασιστικά τη φθορά του εργαλείου κατά το φραιζάρισμα, λόγω της διακοπτόμενης κοπής και των τοιουτοτρόπως επαναλαμβανόμενων καταπονήσεων του επικαλυμμένου εργαλείου. Για το λόγο αυτό ο έλεγχος αντοχής σε κόπωση της επικάλυψης κατά την κοπή, διεξάγεται κυρίως σε κατεργασία φραιζαρίσματος. Μια τυπική διάταξη, με ψηφιακά καθοδηγούμενη εργαλειομηχανή, για τη διεξαγωγή σχετικών πειραμάτων φθοράς εικονίζεται στο σχήμα Μέσω της ψηφιακής καθοδήγησης, είναι δυνατή η πραγματοποίηση κυκλικών τροχιών, ρυθμιζομένου αριθμού κοπών, διαφορετικών κινηματικών κοπής (ομόρροπο, αντίρροπο φραιζάρισμα) και γεωμετριών αποβλίττων, σύμφωνα με τις ανάγκες του πειράματος. Πιθανές γεωμετρίες ενθέτων κοπτικών εργαλείων, με τις ιδιοσυσκευές συγκράτησής τους, καθώς και οι γεωμετρίες των δημιουργουμένων αποβλίττων κατά το αντίρροπο φραιζάρισμα, παρουσιάζονται στο δεξιό μέρος του σχήματος. Κατά την διεξαγωγή των πειραμάτων επιδιώκεται, μεταξύ άλλων, η διερεύνηση της πρώτης αποκάλυψης του υποστρώματος στη μεταβατική περιοχή της κόψης από την επιφάνεια ελευθερίας προς την του αποβλίττου, μέσω μετρήσεων και καταλλήλων φωτογραφίσεων με τη βοήθεια σαρωτικών ηλεκτρονικών μικροσκοπίων (SEM), ή δέσμης λευκού φωτός (WLS). Το πλάτος της φθοράς της ελευθέρας επιφανείας VB fr του επικαλυμμένου εργαλείου, κατά την πρώτη αποκάλυψη του υποστρώματος στην κορυφή της κόψης προς την επιφάνεια ελευθερίας, υπολογίζεται σύμφωνα με τις σχέσεις, που είναι καταχωρημένες στο σχήμα Συνήθεις τιμές της φθοράς VB fr είναι μεταξύ 30 και 60 μm, σύμφωνα με τη γεωμετρία του κοπτικού σφήνα. Η τιμή αυτή της φθοράς της ελευθέρας επιφανείας θεωρείται σημαντική, καθόσον δημιουργείται μετά από αριθμό κοπών, που αντιστοιχεί στον αριθμό των φορτίσεων κατά τη δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης, για ίδιες μέγιστες τάσεις στο υλικό της επικάλυψης, τόσο κατά την 27

28 προηγούμενη πειραματική διαδικασία, όσο και κατά την κοπή. Οι μέγιστες τάσεις εν προκειμένω, είναι μεγαλύτερες από την τάση διαρκούς αντοχής της επικάλυψης. Σχήμα 2.14: Πειραματική διάταξη με ψηφιακά καθοδηγούμενη εργαλειομηχανή για την διεξαγωγή πειραμάτων φθοράς κατά το φραιζάρισμα. 28

29 Σχήμα 2.15: Υπολογισμός της φθοράς ελευθέρας επιφανείας VB fr κατά την πρώτη αποκάλυψη του υποστρώματος. Σχήμα 2.16: Αστοχία επικάλυψης λόγω κόπωσης και εξέλιξη φθοράς ελεύθερης επιφάνειας κατά το φραιζάρισμα Αστοχία της επικάλυψης λόγω διάχυσης και οξείδωσης Κατά τη ροή του αποβλίττου, δημιουργούνται υψηλές θερμοκρασίες επί της επιφανείας αποβλίττου, οι οποίες διευκολύνουν μηχανισμούς διάχυσης 29

30 και τοιουτοτρόπως χειροτέρευσης των μηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων. Συγχρόνως, λόγω της ανύψωσης του αποβλίττου κατά το πέρας της επαφής του με την ομώνυμη επιφάνεια του εργαλείου, το υλικό της επικάλυψης στην περιοχή αυτή, έρχεται σε επαφή με την ατμόσφαιρα, στην συνήθη περίπτωση της ξηράς κοπής. Τοιουτοτρόπως, η περιοχή αυτή της επιφανείας του αποβλίττου, υπόκειται σε μηχανισμούς οξείδωσης, που επιδρούν σταδιακά στη χημική σύστασή της και στις μηχανικές ιδιότητές της. Η πορεία της οξείδωσης των επικαλύψεων, όπως και άλλων υλικών, επηρεάζεται από το χρόνο και τη θερμοκρασία έκθεσής τους σε οξειδωτικό περιβάλλον. Στο σχήμα 2.17 παρέχονται πληροφορίες σχετικά με την επίδραση των παραμέτρων αυτών στην πορεία της οξείδωσης και συγκεκριμένα στη συγκέντρωση της μάζας του οξυγόνου σε ορισμένο βάθος από την επιφάνειά της. Τα διαγράμματα στο άνω μέρος του σχήματος δείχνουν ότι στη συγκεκριμένη περίπτωση επικάλυψης, για χρονικές διάρκειες και θερμοκρασίες μικρότερες από περίπου 30 min και 400 oc αντίστοιχα, το οξυγόνο δεν έχει αξιόλογη διείσδυση σε βάθος ενός μm από την επιφάνεια. Στους 800 oc όμως, η διείσδυση του οξυγόνου είναι σημαντική, όπως και οι επιφανειακές διαφοροποιήσεις της χημικής σύστασης της επικάλυψης, όπως προκύπτει από το σχετικό διάγραμμα, στο κάτω αριστερά μέρος του σχήματος. Εν προκειμένω, η ατομική συγκέντρωση του οξυγόνου στην επιφάνεια, ανέρχεται σε περίπου 60%, με πρακτικά μηδενικές τις συγκεντρώσεις του τιτανίου και του αζώτου. Τα αποτελέσματα αυτά υποδηλώνουν και ριζική μεταβολή της χημικής σύστασης και της κρυσταλλοδομής της επικάλυψης, με συνέπεια την σημαντική χειροτέρευση των μηχανικών ιδιοτήτων της Αστοχία της επικάλυψης λόγω ανεπαρκούς συνάφειας Η επίδραση της ανεπαρκούς συνάφειας της επικάλυψης επί της φθοράς του κοπτικού εργαλείου θα επιδειχθεί κατά το φραιζάρισμα με κοπτικά επικαλυμμένα πλακίδια σκληρομετάλλου, διαφορετικής ποιότητας συνάφειας, λόγω των κατεργασιών προετοιμασίας του υποστρώματός τους πριν την εναπόθεση της PVD στιβάδας. Η λείανση ή η στίλβωση της επιφανείας σκληρομετάλλων, σε συνδυασμό με μικροκοκκοβολές, μπορούν να οδηγήσουν σε διαφορετικούς λόγους στιβαρότητας CSR της διεπιφάνειας της επικάλυψης. Η βελτίωση ή χειροτέρευση του λόγου στιβαρότητας διεπιφάνειας CSR, δηλ. η διαφοροποίηση της ποιότητας της 30

31 Σχήμα 2.17: Οξείδωση και μηχανισμοί διάχυσης σε επικαλύψεις σε διαφορετικούς χρόνους και θερμοκρασίες έκθεσης, καθώς και προκύπτουσα διαφοροποίηση της επιφανειακής χημικής σύστασης. συναφείας, οφείλεται σε φαινόμενα που εκτυλίσσονται κατά τις πρώτες επικαθίσεις ιόντων ή ατόμων του υλικού της επικάλυψης επί του υποστρώματος. Στην περίπτωση υποστρωμάτων σκληρομετάλλου, που περιέχουν κυρίως καρβίδια του βολφραμίου (WC), ανάλογα με το βαθμό ιονισμού του πλάσματος, οι απαιτήσεις για τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας του υποστρώματος είναι διαφορετικές. Εν προκειμένω, διακρίνονται οι περιπτώσεις του έως υψηλού και πολύ υψηλού ενεργειακού επιπέδου πλάσματος. Τα ενεργειακά αυτά επίπεδα μπορούν να επιτευχθούν με διαδικασίες ιονισμού HIP (High Ionization Pulsing) και HIS (High Ionization Sputtering) ή HPPMS (High Power Pulsing Magnetron Sputtering) αντίστοιχα. 2.4 Πειράματα κοπής σε περιφερικό φραιζάρισμα με επικαλυμμένα πλακίδια Για να μελετηθεί η συμπεριφορά της φθοράς των επικαλυμμένων εργαλείων σκληροµετάλλου που υποβλήθηκαν σε μικρο-κοκκοβολή, διεξήχθησαν πειράματα φραιζαρίσµατος. Τα πειράματα διεξήχθησαν 31

32 χρησιμοποιώντας ένα κέντρο κατεργασίας τριών αξόνων με ψηφιακή καθοδήγηση. Ένας καθορισμένος αριθµός κοπών τέθηκε, πριν από κάθε επιθεώρηση της κατάστασης φθοράς του κοπτικού πλακιδίου. Σχήμα 2.18: Πρότυπο πλακίδιο Κατά τον έλεγχο της φθοράς τα πλακίδια φωτογραφίζονται από το στερεοσκοπικό μικροσκόπιο. Έπειτα, μέσω κατάλληλου λογισμικού με την βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή μετράται η φθορά που έχει υποστεί η επικάλυψη με βάση μια κλίμακα. Για την δημιουργία αυτής της κλίμακας, χρησιμοποιήθηκε ένα πρότυπο πλακίδιο πάχους 1 mm με ακρίβεια μικρομέτρων όπως φαίνεται και στο σχήμα Με την βοήθεια του λογισμικού εκλέγουμε ένα μήκος που αντιστοιχεί στο πάχος του προτύπου και στην συνέχεια μπορούμε να μετρήσουμε το πλάτος της φθοράς της επικάλυψης του κοπτικού πλακιδίου. Οι μετρήσεις της φθοράς της επικάλυψης γίνονται για προκαθορισμένο αριθμό κοπών όπως έχει αρχικά εκτιμηθεί με την προϋπόθεση όμως το πλάτος ζώνης φθοράς να φτάσει μέχρι τα 0,2mm. Τα αποτελέσματα κάθε μέτρησης μπορούν να εξηγηθούν σχηματικά με την βοήθεια διαγράμματος. 32

33 Σχήμα 2.19: Διάγραμμα φθοράς του πλάτους της επικάλυψης συναρτήσει του αριθμού κοπών. Στο παραπάνω σχήμα παρουσιάζεται ένα διάγραμμα φθοράς του πλάτους της επικάλυψης συναρτήσει του αριθμού κοπών καθώς και φωτογραφίες φθοράς της κοπτικής ακμής των πλακιδίων μετά από διαφορετικό αριθμό κοπών. 2.5 Προσδιορισμός ακτίνας καμπυλότητας στις κοπτικές ακμές (Διάταξη Nanofocus) 33

34 Σχήμα 2.20: Τρισδιάστατο οπτικό μικροσκόπιο λευκού φωτός της εταιρίας ΝanofocusAG και αναπαράσταση της λειτουργίας του. Για τον προσδιορισμό της ακτίνας καμπυλότητας έγιναν μετρήσεις με τρισδιάστατο οπτικό μικροσκόπιο λευκού φωτός στο χώρο του ΕΕΔΜ. Η διάταξη ονομάζεται NanoFocus και η λειτουργία της περιγράφεται παρακάτω και παρουσιάζεται σχηματικά. Ένας φακός υψηλής εστίασης χρησιμοποιείται για την απεικόνιση και την καταγραφή μέσω φωτογραφίας ενός επιπέδου μέσω της αντανάκλασης του φωτός, από μία πηγή διαμέσου φακού, που προσπίπτει στην προς καταγραφή επιφάνεια. Ο χειριστής ορίζει μία περιοχή ύψους ανάμεσα στην οποία γίνεται βηματική καταγραφή των περιοχών της επιφάνειας που ορίζονται από την τομή της επιφάνειας με το οριζόντιο επίπεδο. Μέσω κατάλληλου λογισμικού γίνεται η σύνθεση των πληροφοριών και η παρουσίαση τους σαν μια ενιαία τρισδιάστατη επιφάνεια. Επίσης, μπορεί να ρυθμίσει τόσο την ακρίβεια της διαίρεσης της περιοχής μέτρησης όσο και την ένταση του φωτός που προσπίπτει στην επιφάνεια και χρησιμοποιείται για την μέτρηση. Πριν την διαδικασία της μέτρησης τα πλακίδια καθαρίστηκαν με αλκοόλη ενώ για την τοποθέτηση των πλακιδίων κάτω από το φακό χρησιμοποιήθηκε ιδιοσυσκευή που εξασφάλιζε την σύμπτωση της διχοτόμου του κοπτικού σφήνα με την φορά κίνησης του φακού, κάθετα δηλαδή στο οριζόντιο επίπεδο. Στις φωτογραφίες που ακολουθούν, 34

35 φαίνονται χαρακτηριστικές φωτογραφίες από τα αποτελέσματα που δίνει το υπολογιστικό πακέτο προσομοίωσης. Σχήμα 2.21: Σύνθεση τρισδιάστατης επιφάνειας κοπτικής ακμής από το οπτικό σύστημα μέτρησης της Νanofocus. Στη συνέχεια το τρισδιάστατο αποτέλεσμα αναπαριστάται σε δύο διαστάσεις με τη βοήθεια τομών για την μελέτη του προφίλ. Στο σχήμα 2.22 αναπαρίσταται μια χαρακτηριστική τομή. Αρχικά γίνεται έλεγχος για τη γωνία του κοπτικού σφήνα και οι παρειές προσεγγίζονται με ευθείες με τη βοήθεια του λογισμικού. Συνεπώς γίνεται κατανοητό ότι η γωνία β είναι ίση με το παραπληρωματικό άθροισμα των δύο γωνιών που φαίνονται στο διάγραμμα: β = 180- (a 0 +a 1 ) γεγονός που υποδηλώνει ότι οι επιφάνειες αναφοράς είναι σωστές. 35

36 Σχήμα 2.22: Παράδειγμα προσέγγισης των παρειών με ευθείες με τη βοήθεια του λογισμικού για τον υπολογισμό της γωνίας β. Στη συνέχεια προσεγγίζεται πάλι με τη βοήθεια του λογισμικού η ακτίνα καμπυλότητας όπως φαίνεται σχήμα Γίνονται μετρήσεις για διαφορετικές τομές και συλλέγεται ένα αριθμός χαρακτηριστικών τιμών για τις ακτίνες καμπυλότητας κάθε πλακιδίου κι έπειτα βγαίνει ένας μέσος όρος για την ακτίνα καμπυλότητας του πλακιδίου. Επίσης με το τρισδιάστατο οπτικό μικροσκόπιο λευκού φωτός μπορούμε να μετρήσουμε την τραχύτητα της κοπτικής ακμής του πλακιδίου πριν αλλά και μετά την χρησιμοποίηση του. Από τις εικόνες που παίρνουμε μέσω του οπτικού μικροσκοπίου και κάνοντας χρήση του κατάλληλου λογισμικού, λαμβάνοντας υπόψη το μέσο ύψος τραχύτητας (Ra), το μέγιστο ύψος τραχύτητας (Rt), καθώς και την μέση τιμή διαφοράς ύψου ς μεταξύ των πέντε υψηλότερων κορυφών και των πέντε χαμηλότερων εσοχών εντός του ενεργού μήκους μέτρησης (Rz) υπολογίζουμε την τραχύτητα της κοπτικής ακμής. Η αποτύπωση της τραχύτητας ενός κοπτικού πλακιδίου φαίνεται στο σχήμα

37 Σχήμα 2.23: Προσέγγιση ακτίνας καμπυλότητας με την βοήθεια λογισμικού. Σχήμα 2.24: Τραχύτητα κοπτικού πλακιδίου 2.6 Διαδικασία μικροκοκκοβολής Η επεξεργασία μετά την φυσική εναπόθεση ατμών των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων με μικρο-κοκκοβολή εφαρμόζεται στη βιομηχανία, ως μια αποτελεσματική μέθοδος για τη βελτίωση της απόδοσης τους. 37

38 Σχήμα 2.25: Μηχανή NP10 της WIWOX GmbH Surface Systems. Αυτή η διαδικασία προκαλεί παραμένουσες θλιπτικές τάσεις στη δομή των επικαλύψεων, οδηγώντας έτσι στην αύξηση της επιφανειακής σκληρότητας της επικάλυψης και την βελτίωση των μηχανικών τους ιδιοτήτων. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε υγρή μικρο-κοκκοβολή από μια μηχανή NP10 της WIWOX GmbH Surface Systems όπου φαίνεται στο σχήμα Τα επικαλυμμένα με φυσική εναπόθεση ατμών (PVD) εργαλεία σκληρομετάλλου με TiAlN, επεξεργάστηκαν μέσω υγρής κοκκοβολής με τραχείς κόκκους Al 2 O 3, με διάμετρο περίπου 10 και 100 μm. Κατά την διάρκεια της διαδικασίας, το νερό μαζί με κόκκους Al 2 O 3 καθοδηγείται στο ακροφύσιο ανατίναξης, όπου ο εισερχόμενος αέρας επιταχύνει το μείγμα και δημιουργεί την εκτόξευση νερού. Στο σχήμα 2.26 παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας της εφαρμοζόμενης διαδικασίας της υγρής κοκκοβολής. 38

39 Σχήμα 2.26: Αρχή λειτουργίας της υγρής κοκκοβολής. Ανάλογα με την μέση διάμετρο κόκκουal 2 O 3 και τις συνθήκες της διαδικασίας, η εκτόξευση του νερού μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την τελική γεωμετρία της κοπτικής ακμής και τις μηχανικές ιδιότητες της επικάλυψης. Επίσης, η διάρκεια της κοκκοβολής που εφαρμόστηκε ήταν 4sec. Στο σχήμα 2.27 εξηγείται σχηματικά το αποτέλεσμα της ξηρής μικροκοκκοβολής με κόκκους Al 2 O 3 με μέση διάμετρο περίπου 10 μm και από δέκα φορές μεγαλύτερους κόκκους σε διάμετρο (100 μm), καθώς επίσης, για την ακεραιότητα των επικαλύψεων των εργαλείων. Η μεγαλύτερη Rt τραχύτητα αναπτύσσεται κατά την εφαρμογή μικρών κόκκων, μπορεί να εξηγηθεί από επαναλαμβανόμενες μικρο-αποξέσεις στην επιφάνεια των επικαλύψεων από τη μεγάλη συγκέντρωση των σωματιδίων, όπως σχηματικά φαίνεται στο σχήμα αυτό. Με τον τρόπο αυτό, οι επικαλύψεις που έχουν υποβληθεί σε μικροκοκκοβολή από κόκκους με μέση διάμετρο περίπου 10 μm, αναμένεται να έχουν μεγαλύτερη τραχύτητα σε σχέση με τις μικροκοκκοβολημένες επικαλύψεις 39

40 των μεγαλύτερων σε διάμετρο κόκκων, σύμφωνα πάντα, υπό τους ίδιους όρους. Σχήμα 2.27: Σχηματική αναπαράσταση αποτελεσμάτων μικροκοκκοβολής Σχετικά στην περίπτωση της υγρής μικροκοκκοβολής αναπτύσονται μηχανισμοί, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.27(δεξιά). Πολυάριθμοι λειαντικοί κόκκοι καθοδηγούνται από τα σταγονίδια νερού σε υψηλή πυκνότητα σε μικρές περιοχές των επενδεδυμένων εργαλείων στην επιφάνεια τους. Αυτοί μπορούν να προκαλέσουν πιο έντονη απομάκρυνση στο υλικό της επικάλυψης μέσω μικροσυσσωμάτων, για το ίδιο χρονικό διάστημα που έχει υποβληθεί το πείραμα σε σχέση με τη μικροκοκκοβολή από χονδροειδείς και λιγότερα σε αριθμό κόκκων ανά σταγόνα νερού. Από τη μία πλευρά, αυτό συμβαίνει, δεδομένου ότι οι πολυάριθμοι μικροί κόκκοι σέρνονται ευκολότερα από το νερό που κυλάει κατά μήκος της επιφάνειας της επίστρωσεις, έτσι επιδείνωνεται εντατικά η τραχύτητα της επιφάνειας. Από την άλλη πλευρά, οι χονδροειδείς κόκκοι επηρεάζονται λιγότερο από τη ροή του νερού και κυρίως συμβάλλουν στην παραμόρφωση του υλικού της επικάλυψης. Έτσι, τα επικαλυμμένα πλακίδια που έχουν υποβληθεί σε υγρή μικροκοκκοβολή με λεπτούς Al 2 O 3 κόκκους αναμένεται να έχουν υψηλότερες τραχύτητες, σε σύγκριση με τις αντίστοιχες, μικροκοκκοβολή 40

41 με βάση χονδροειδές κόκκους υπό τους ίδιους όρους πάντα. Έτσι και έχουμε τα παρακάτω αποτελέσματα που βλέπουμε στο σχήμα Σχήμα 2.28: Μετρήσεις τραχύτητας σε επικαλύψεις που έχουν μετεπεξεργαστεί με υγρή και ξηρή μικροκοκκοβολή σε διάφορες πιέσεις. 41

42 3. ΚΟΠΗ ΜΕ ΠΕΡΙΦΕΡΙΚΟ ΦΡΑΙΖΑΡΙΣΜΑ 3.1 Η κινηματική της διαδικασίας φραιζαρίσματος Τα πειράματα της κοπής έγιναν στο κέντρο κατεργασίας του ΕΕΔΜ (εικόνα 3.1). Τα προς κατεργασία τεμάχια ήταν από υλικό: 42CrMo4V και AISI P20 (IMPAX). Tα ένθετα πλακίδια κοπής αφού κατηγοριοποιήθηκαν σύμφωνα με την πραγματική τους γεωμετρία, επιλέχθηκαν αντιπροσωπευτικά πλακίδια από κάθε κατηγορία και χρησιμοποιήθηκαν στην κοπή. Εικόνα 3.1: Ψηφιακό κέντρο κατεργασίας Για την καλύτερη μελέτη της συμπεριφοράς των πλακιδίων έγιναν πειράματα σε διάφορες ταχύτητες κοπής. Παρακάτω παρατίθενται διάφορες τυποποιημένες γεωμετρικές μορφές κοπτικών πλακιδίων στο παρακάτω σχήμα 3.2: 42

43 Σχήμα 3.1: Γράφημα απαραμόρφωτου πάχους αποβλίττου Σχήμα 3.2: Γεωμετρία και διαστάσεις κοπτικών πλακιδίων Το περιφερικό φραιζάρισμα με τη σχετική κίνηση προώσεως του τεμαχίου ως προς την περιστροφική κίνηση του εργαλείου διακρίνεται σε δύο κατηγορίες, το ομόρροπο και το αντίρροπο, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.3. Το πάχος του αποβλίττου δε διατηρείται σταθερό αλλά επηρεάζεται από την επιλογή της κινηματικής. Έτσι μεταβάλλεται από μηδενικό σε μέγιστο κατά το αντίρροπο φραιζάρισμα και από μέγιστο σε μηδενικό κατά το ομόρροπο. 43

44 Συνεπώς, στην πρώτη περίπτωση, η δύναμη κοπής αυξάνεται σταδιακά από μηδέν στη μέγιστη τιμή της, άρα είναι ομαλότερη η καταπόνηση της κοπτικής ακμής ενώ η τελική επιφάνεια του κατεργαζόμενου τεμαχίου είναι καλύτερης ποιότητας. Στην παρούσα εργασία επιλέχθηκε το αντίρροπο φραιζάρισμα ως μέσο αξιολόγησης των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων. Σχήμα 3.3: Η κινηματική της διαδικασίας φραιζαρίσματος. Το κάθε πλακίδιο μετά από συγκεκριμένο αριθμό κοπών φωτογραφίζεται από στερεοσκοπικό μικροσκόπιο τύπου 2000-C της εταιρίας Ζeiss το οποίο βρίσκεται επίσης στο εργαστήριο (βλ.εικόνα 3.4). Σχήμα 3.4: Στερεοσκοπικό μικροσκόπιο εργαστηρίου 44

45 Η αξιολόγηση των εξεταζόμενων επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων γίνεται βάσει του αριθμού των κοπών που επιτυγχάνει το καθένα μέχρι κάποιο προκαθορισμένο κριτήριο φθοράς. Ο αριθμός κοπών AS, ο οποίος αντιστοιχεί στον αριθμό των στροφών n που έχει εκτελέσει το εργαλείο, ορίζεται ως ο λόγος του μήκους κατεργασίας L προς την πρόωση f z επί τον αριθμό δοντιών z: L AS = f z z Σε περίπτωση που για την κατεργασία χρησιμοποιείται ένα τεμάχιο κυκλικής διατομής και γίνεται για ένα ορισμένο τόξο κύκλου, τότε το μήκος κατεργασίας δίνεται από τη σχέση: ( R r -α ) L = ϕ + όπου φ: η γωνία του τόξου κύκλου (rad) R: η ακτίνα του κατεργαζόμενου τεμαχίου (mm) r: η ακτίνα της ιδιοσυσκευής συγκράτησης (mm) αxy: το ακτινικό βάθος κοπής (mm). Στην περίπτωση του φραιζαρίσματος η πρόωση ορίζεται από τη σχέση: h( ϕ' ) fz = sin( ϕ' ) sin( κ ) όπου φ : η γωνία εμπλοκής του εργαλείου στο τεμάχιο κατεργασίας h(φ ): το πάχος του απαραμόρφωτου αποβλίττου ανάλογο της γωνίας φ (mm) κ: η γωνία τοποθέτησης του εργαλείου. Τέλος, στο τορνάρισμα η αξιολόγηση των εξεταζόμενων πλακιδίων γίνεται βάσει του συνολικού μήκους κοπής που επιτυγχάνει το κάθε εξεταζόμενο πλακίδιο μέχρι κάποιο προκαθορισμένο κριτήριο φθοράς. Το μήκος αυτό LVB ορίζεται από τη σχέση: LVB xy = c v k fv όπου fv: η ταχύτητα πρόωσης του εργαλείου (m/min) v: η ταχύτητα κοπής (m/min) c, k: συντελεστές που εξαρτώνται από το συνδυασμό εργαλείου, υλικού κατεργαζόμενου τεμαχίου και υγρού κοπής 45

46 3.2 Προσδιορισμός δυνάμεων κοπής Η μέτρηση των συνιστωσών της δύναμης κοπής είναι διαδικασία εξαιρετικής σπουδαιότητας, καθόσον παρέχει πληροφορίες για τις επιδράσεις πληθώρας μεγεθών επί του μηχανισμού της κοπής. Οι δυναμομετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με την βοήθεια ενός δυναμομέτρου πιεζοκρυστάλλων τριών κατευθύνσεων της εταιρίας KISTLER (το οποίο φαίνεται στο σχήμα 3.5). Σχήμα 3.5: Δυναμόμετρο και διευθύνσεις αξόνων Τα δοκίμια για τις δυναμομετρήσεις κοπήκαν στις διαστάσεις του δυναμόμετρου από τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν αργότερα στα πειράματα κοπής (βλέπε σχήμα 3.6). Σχήμα 3.6: Δοκίμιο κατεργασίας δυναμομέτρησης 46

47 Κατά την διαδικασία της δυναμομέτρησης οι πιεζοκρύσταλλοι φορτίζονται κατά την κοπή σε τρεις κατευθύνσεις, τα δημιουργούμενα ηλεκτρικά φορτία ενισχύονται και μετατρέπονται σε ηλεκτρικές τάσεις, ενώ στην συνέχεια το αναλογικό σήμα ψηφιοποιείται μέσω μετατροπέα και επεξεργάζεται μέσω Η/Υ όπως φαίνεται παραστατικά στο σχήμα 3.7. Σχήμα 3.7: Διατάξεις δυναμομέτρησης Τα πειράματα των δυναμομετρήσεων πραγματοποιήθηκαν σε διάφορες συνθήκες για να εξεταστεί η επίδραση της ταχύτητας κοπής, του ακτινικού βάθους κοπής καθώς και της πρόωσης. Πιο συγκεκριμένα για ταχύτητες κοπής m/min, σε διαφορετικές προώσεις mm,σε διαφορετικά ακτινικά βάθη κοπής 1-6 mm. Ένα τυπικό σήμα δυναμομέτρησης φαίνεται στο σχήμα 3.8. Η δύναμη αυξάνεται μέχρι μια οριακή τιμή ακολουθώντας την αύξηση της διατομής του αποβλίττου. Η διακύμανση της δύναμης μετά την οριακή αυτή τιμή οφείλεται στην ελεύθερη ταλάντωση επαναφοράς από τη θέση στατικής ισορροπίας των πιεζοκρυστάλλων του δυναμομέτρου. 47

48 Σχήμα 3.8: Τυπική καταγραφή συνιστωσών δυνάμεων κοπής Στην συνέχεια η μέγιστη τιμή αυτού του σήματος και για τις τρεις κατευθύνσεις μετατρέπεται μέσω των αντίστοιχων μητρώων μετασχηματισμού στο σύστημα συντεταγμένων του κοπτικού εργαλείου στην κυρία δύναμη κοπής Fc καθώς και στην εφαπτομενική Fkn (βλέπε σχήμα 3.9 και 3.10). Σχήμα 3.9: Μετασχηματισμός δυνάμεων 48

49 Σχήμα 3.10: Μετασχηματισμός δυνάμεων Προκειμένου να καταστεί δυνατή η μαθηματική περιγραφή των συνιστωσών της δύναμης κοπής, τα προαναφερθέντα πειραματικά αποτελέσματα μέτρησης της ανηγμένης μέσης τιμής των συνιστωσών F i της δύναμης κοπής στο πλάτος του αποβλίττου b επιλύονται βάσει των αναλυτικών τύπων που παρουσιάζονται στο σχήμα

50 Σχήμα 3.11: Μαθηματικό μοντέλο επίλυσης συνιστωσών κοπής Οι συντελεστές Κ i1,1 και 1-mi για το κατεργαζόμενο υλικό IMPAX που χρησιμοποιήθηκε είναι : Υλικό K c1,1 1-mc IMPAX Αριθμητικό παράδειγμα υπολογισμού συνιστώσας δύναμης κοπής Fc και έλεγχος επάρκειας ισχύος ατράκτου εργαλειομηχανής Έστω περίπτωση κατεργασίας με: εργαλειοδέτη διαμέτρου 21mm (δίπτερος εργαλειοδέτης, εμπλοκή δίχως επικάλυψη κόψεων) ταχύτητα κοπής v = 180 m/s (S=3030rpmμέση ενεργός ακτίνα 9.5 mm) ταχύτητα πρόωσης ακτινικό βάθος κοπής F v =1856 m/min ήfz =0.55 mm/στροφή/κόψη 5mm 50

51 αξονικό βάθος κοπής 0.5 mm Οι παραπάνω συνθήκες κοπής οδηγούν σε απόβλιττο με τα εξής γεωμτερικά χαρακτηριστικά: πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου πλάτος απαραμόρφωτου αποβλίττου b = 2.48 mm h cu = mm Με εφαρμογή της σχετικής σχέσης του σχήματος 4.23 για τον υπολογισμό της δύναμης κοπής Fc για τον χάλυβα IMPAXπροκύπτει ότι: K c1,1 = mc = 1,06685 Fc = 811.8N Η ισχύς της μηχανής υπολογίζεται από τη σχέση P = Mxω όπου Μ είναι η απαιτούμενη ροπή της μηχανής και ω η γωνιακή ταχύτητα του άξονά της. Από την Fcκαι με μέση ενεργό ακτίνα 9.5 mm προκύπτει ότι Μ = 7.7 Nm Από τις στροφές της μηχανής υπολογίζεται η ω = 2πS/60= rad/s Επομένως, η απαιτούμενη ισχύς της κύριας ατράκτου της μηχανής προκύπτει ίση με P = W. Για εγκατεστημένη ισχύ της φραιζομηχανής 15kW, υπάρχει πλήρης επάρκεια ισχύος και οι συνθήκες κατεργασίας είναι αποδεκτές. 51

52 4. Επίδραση της διαμέτρου εργαλείου και της διάρκειας κρούσης εισόδου της κοπτικής ακμής στη φθορά επικαλυμμένων εργαλείων στο φραιζάρισμα με διάφορες κινηματικές 4.1 Γενικά Σε κατεργασίες φραιζαρίσματος με επικαλυμμένα πλακίδια, οι μηχανισμοί εξέλιξης της φθοράς μπορεί να διαφέρουν ανάλογα, μεταξύ άλλων, την ταχύτητα κοπής, την κινηματική του εργαλείου κ.α., καθιστώντας έτσι δύσκολα τη βελτιστοποίηση των συνθηκών κατεργασίας. Η έρευνα των σχετικών φαινομένων φθοράς είναι ζωτικής σημασίας για την εξήγηση της αστοχίας της επικάλυψης αλλά και για την προσαρμογή κατάλληλων συνθηκών κοπής. Για τη διερεύνηση της επίδρασης του ρυθμού παραμόρφωσης στην αντίδραση της επιφάνειας και την αστοχία κόπωσης της επικάλυψης για επικαλυμμένα πλακίδια που υπόκεινται σε επαναλαμβανόμενα κυκλικά κρουστικά φορτία, αναπτύχθηκε ένα νέο δοκιμαστήριο κρούσης, που διευκολύνει τη διαμόρφωση της κρουστικής δύναμης λαμβάνοντας υπόψη τη μορφή του σήματός της. Η συμπεριφορά της επιφάνειας εξαρτάται, μεταξύ άλλων, από τις ιδιότητες παραμόρφωσης αλλά και ρυθμού παραμόρφωσης του υποστρώματος και της επικάλυψης. Επαναλαμβανόμενα κρουστικά φορτία με μεταβλητή διάρκεια, ασκούνται στην επικαλυμμένη κοπτική ακμή, ανάλογα με τις εφαρμοζόμενες κινηματικές και τις συνθήκες κοπής. Η διάρκεια ζωής του εργαλείου υπό σταθερές συνθήκες κοπής μπορεί να συσχετισθεί με τη συμπεριφορά κόπωσης που εξαρτάται από το ρυθμό παραμόρφωσης της επικάλυψης. Κατά αυτόν τον τρόπο, η απόδοση κοπής επικαλυμμένων πλακιδίων σε διάφορες συνθήκες κοπής μπορεί να εξηγηθεί, λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα από το δοκιμαστήριο κρούσης σε ποικιλοτρόπως διαμορφούμενες επαναλαμβανόμενες δυνάμεις. 4.2 Δεδομένα πειράματος Η γεωμετρία των εργαλείων της φραίζας καθώς και του ένθετου πλακιδίου στα περιγραφόμενα πειράματα παρουσιάζεται στο σχήμα 4.1. Τα εργαλεία αυτά χρησιμοποιούνται ευρέως σε αυτόματα καθοδηγούμενες κατεργασίες φραιζαρίσματος καλουπιών χύτευσης. Στα πειράματα που διενεργήθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν εργαλεία με εξωτερική διάμετρο 21, 40 και 63 mm με τη δυνατότητα να δεχθούν έως τέσσερα επικαλυμμένα ένθετα κοπτικά πλακίδια. Τα ένθετα πλακίδια σκληρομετάλλου για αύξηση της αντοχής 52

53 τους στη φθορά είχαν επικαλυφθεί με επικάλυψη σύστασης TiAlN και πάχους περίπου 3 μm. Η πλάγια διαμόρφωση της κοπτικής ακμής διαστάσεων περίπου 280 μm και η ακτίνα καμπυλότητας των 20 μm αντίστοιχα συμβάλλουν στην αύξηση της στιβαρότητας της κόψης ιδίως ενάντια σε δυναμικά φορτία. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε αποτελεσματική αποφυγή μικρο-σπασιμάτων της κοπτικής ακμής, ειδικά όταν ο σχηματισμός του αποβλίττου δεν είναι σταθερός, όπως για παράδειγμα στην είσοδο της κοπτικής ακμής στο κατεργαζόμενο τεμάχιο κατά τη διάρκεια αντίρροπου φραιζαρίσματος. Σχήμα 4.1: Τα εργαλεία φραίζας και η γεωμετρία της κοπτικής ακμής του ένθετου πλακιδίου. Οι μηχανικές ιδιότητες των εφαρμοζόμενων υλικών, επικάλυψης και υποστρώματος, ανιχνεύθηκαν με νανο-διεισδύσεις και υπολογισμούς μέσω ενός αλγορίθμου με πεπερασμένα στοιχεία, διευκολύνοντας τον προσδιορισμό των σχετικών καμπυλών τάσεων-παραμορφώσεων. Οι ελαστο-πλαστικές ιδιότητες της επικάλυψης και του υποστρώματος αλλά και τα χαρακτηριστικά του κατεργαζόμενου τεμαχίου παρουσιάζονται λεπτομερώς στο σχήμα 4.2. Πειράματα φραιζαρίσματος διενεργήθηκαν με τη βοήθεια ενός κέντρου κατεργασίας με ψηφιακή καθοδήγηση σε τρεις άξονες. 53

54 Το κατεργαζόμενο υλικό που επιλέχθηκε ήταν ένας τροποποιημένος χάλυβας εργαλείων υψηλών θερμοκρασιών AISI P20, τον οποίο χαρακτηρίζει ο χαμηλός συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας συγκρινόμενος με άλλους σκληρυμένους χάλυβες, όπως για παράδειγμα τον 42CrMo4. Το χαρακτηριστικό αυτό επηρεάζει τη δημιουργία του αποβλίττου κατά το φραιζάρισμα, καθώς λόγω της συγκριτικά μεγαλύτερης μετάδοσης θερμότητας προς το εργαλείο, η θερμοκρασία κοπής στην επικίνδυνη περιοχή της κοπτικής ακμής στη μεταβατική περιοχή μεταξύ των επιφανειών ελευθερίας και αποβλίττου αυξάνει. Με αυτόν τον τρόπο το υλικό της επικάλυψης είναι σε θέση να αντισταθεί αποτελεσματικά σε μεγαλύτερα φορτία κοπής, ακόμα και στην εκκίνηση αντίρροπου φραιζαρίσματος όπου οι θερμοκρασίες κοπής είναι χαμηλότερες συγκρινόμενες με την κινηματική του ομόρροπου, λόγω της βελτίωσης της αντοχής της επικάλυψης. Σχήμα 4.2: Ιδιότητες υλικών της επικάλυψης, του υποστρώματος και του κατεργαζόμενου τεμαχίου. 54

55 Τέλος, για τον προσδιορισμό της επίδρασης του ρυθμού παραμόρφωσης στην συμπεριφορά της επικάλυψης και την θραύση λόγω κόπωσης των εργαλείων έγιναν πειράματα σε νέο δοκιμαστήριο κρούσης το οποίο επιτρέπει τη ρύθμιση της δύναμης λαμβάνοντας υπόψη και τη μορφή του σήματός της. Σχήμα 4.3: Δοκιμαστήριο κρούσης. Στο σχήμα 4.3 φαίνεται η διάταξη του νέου δοκιμαστηρίου κρούσης. Αποτελείται από μια στιβαρή βάση, έναν γραμμικό οδηγό και ένα βωμό ρυθμιζόμενο κατά τη διεύθυνση Χ και Υ για τον έλεγχο της θέσης του δοκιμίου σε σχέση με τον διεγέρτη. Ένας ενισχυτής σήματος χρησιμοποιείται για την μέτρηση του φορτίου κρούσης. Για την παραγωγή του φορτίου της κρούσης χρησιμοποιείται ένας πιεζοηλεκτρικός διεγέρτης με μέγιστη μετατόπιση της τάξης των 180 μm και δυνατότητα παραγωγής φορτίου ως και 4500 Ν. Μια προγραμματιζόμενη μονάδα ελέγχου καθιστά δυνατή τη ρύθμιση της μετατόπισης του άκρου του διεγέρτη συναρτήσει του χρόνου για διάφορα σήματα δύναμης. Η σφαίρα σκληρομετάλλου, κινείται προς το πλακίδιο μέχρι να ακουμπήσει σε αυτό. Έπειτα, η δύναμη κρούσης μπορεί να ρυθμιστεί μεταβάλλοντας τη μετατόπιση του διεγέρτη. 55

56 Τα σήματα της δύναμης και της μετατόπισης με τη χρήση ενισχυτή, καταλήγουν σε έναν μετασχηματιστή αναλογικού σε ψηφιακό σήμα και στη συνέχεια σε έναν Η/Υ για περαιτέρω επεξεργασία. Μέσω αυτής της πειραματικής διάταξης, η αστοχία των επικαλύψεων λόγω κόπωσης με διαφορετικές μορφές σήματος, συχνότητες και μεγέθη δύναται να διερευνηθεί. 4.3 Αποτελέσματα και επεξήγηση Για τη διερεύνηση της επίδρασης στην συμπεριφορά φθοράς του εργαλείου των συνθηκών εισόδου κοπτικών επικαλυμμένων εργαλείων στο κατεργαζόμενο τεμάχιο, διεξήχθησαν πειράματα κρούσεων με ειδικά διαμορφωμένη μορφή σήματος της δύναμης σε επικαλυμμένα πλακίδια. Τα πειράματα αυτά αποδεικνύουν την επίδραση της συνολικής διάρκειας του σήματος κρούσης καθώς και της διάρκειας ανάπτυξής της στην περίπτωση σταθερού εύρους δύναμης κρούσης. Η επίδραση της διάρκειας της δύναμης κρούσης στην κρίσιμη τιμή της, η οποία προκαλεί μία αστοχία της επικάλυψης βάθους (CFD) κατά μέγιστο 0.5 μm, μετά από ένα εκατομμύριο κρούσεις, παρουσιάζεται στο σχήμα 4.4. Οι εφαρμοζόμενες διάρκειες σήματος της δύναμης τριγωνικής μορφής ήταν 10, 20 και 35 ms με σταθερή ανάπτυξη σήματος στα 5 ms. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, το κρίσιμο εύρος της δύναμης κρούσης (CIFA) παραμένει πρακτικά αμετάβλητο περίπου στα 120 με 130 dan σε σχέση με τη συνολική διάρκεια της δύναμης κρούσης. Από την άλλη πλευρά, η διάρκεια ανάπτυξης του σήματος της δύναμης που εφαρμόζεται (κρούση εισόδου) επηρεάζει σημαντικά την συμπεριφορά κόπωσης της επικάλυψης, όπως εκτίθεται στο σχήμα 4.5. Μία αύξηση της διάρκειας κρούσης εισόδου από 5 σε 15 ms και με σταθερή συνολική διάρκεια δύναμης στα 20 ms έχει ως αποτέλεσμα μία σημαντική άνοδο της κρίσιμης δύναμης κρούσης από 90 μέχρι 190 dan αντίστοιχα. Για διάρκειες σημάτων εισόδου δύναμης μικρότερες του 1 ms, αναπτύσσεται μία απότομη μείωση της κρίσιμης δύναμης κρούσης. Οι συνθήκες επαφής στην είσοδο του εργαλείου στο τεμάχιο κατεργασίας κατά το φραιζάρισμα είναι ζωτικής σημασίας για την φθορά του εργαλείου. Το φορτίο κρούσης στην κοπτική ακμή κατά την είσοδο του εργαλείου στο τεμάχιο εξαρτάται από τη γωνία ελευθερίας κατά την είσοδο, αφού αυτή η γωνία συσχετίζεται με διαφορετικές επιφάνειες επαφής εργαλείου- 56

57 αποβλίττου, διαφορετική κάθετη τομή αποβλίττου συνεπάγεται άλλη ανάπτυξη δυνάμεων κοπής συναρτήσει της περιστροφής του εργαλείου, για το ίδιο μέγιστο πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου. Για την περιγραφή αυτών των εξαρτήσεων, η επαφή μεταξύ εργαλείου και υλικού κατεργασίας προσομοιώθηκε με τη βοήθεια τεχνικών στερεών μοντέλων. Σχετικά αποτελέσματα παρατίθενται στο σχήμα 4.6.Τα σχέδια στο σχήμα αυτό επιδεικνύουν την επαφή του κοπτικού εργαλείου με το τεμάχιο, σε διάφορα στάδια σχηματισμού του αποβλίττου συναρτήσει του χρόνου κοπής για την είσοδο του εργαλείου στις περιπτώσεις ομόρροπου και αντίρροπου φραιζαρίσματος. Επίσης παρουσιάζονται οι σχετικές τομές των αποβλίττων πάνω στην κοπτική ακμή. Σχήμα 4.4: Επίδραση της συνολικής διάρκειας του σήματος κρούσης στην κρίσιμη δύναμη κρούσης Μέσω αυτής της προσομοίωσης, είναι δυνατή η ποσοτικοποίηση διάφορων παραμέτρων της κατεργασίας, όπως για παράδειγμα η κάθετη επιφάνεια 57

58 επαφής του αποβλίττου συναρτήσει του χρόνου κοπής. Στα διαγράμματα του σχήματος 4.7 παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα για κάθε ένα εργαλείο. Ανάλογα με τη διάμετρο του εργαλείου, ο χρόνος δημιουργίας του αποβλίττου ανέρχεται περίπου σε 10 ms. Δεδομένου ότι η διατομή του αποβλίττου είναι περίπου ανάλογη της δύναμης που αναπτύσσεται κατά την κοπή, ο χρόνος δημιουργίας του αποβλίττου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της αντίστασης σε κόπωση της επικάλυψης που εφαρμόζεται. Σχήμα 4.5: Επίδραση της διάρκειας ανάπτυξης του σήματος στην κρίσιμη δύναμη κρούσης. Στο σχήμα 4.8 παρουσιάζεται η διάρκεια εισόδου της κρούσης συναρτήσει της διαμέτρου του εργαλείου. Στην περίπτωση του ομόρροπου φραιζαρίσματος η διάρκεια εισόδου της κρούσης μειώνεται για τις διαμέτρους των 40 και 63 mm. Σε αντίθεση, κατά τη διάρκεια αντίρροπου 58

59 φραιζαρίσματος μία αύξηση της αντίστοιχης διάρκειας εισόδου κρούσης παρατηρείται καθώς αυξάνει η διάμετρος του εργαλείου από 21 σε 63 mm. Η διάμετρος του εργαλείου επηρεάζει ποικιλοτρόπως την εξέλιξη της φθοράς στα εργαλεία. Όπως μπορεί να παρατηρηθεί στο πάνω διάγραμμα του σχήματος 4.9, στην περίπτωση του ομόρροπου φραιζαρίσματος η επιτευχθείσα διάρκεια ζωής του εργαλείου μέχρι την εξέλιξη φθοράς στην επιφάνεια ελευθερίας πλάτους 0.15 mm ανέρχεται σε κοπές για τις διαμέτρους των 40 και 63 mm. Το εργαλείο με τη μικρότερη διάμετρο των 21 mm εμφανίζει μία σημαντικά μεγαλύτερη διάρκεια ζωής περίπου κοπών. Άλλωστε, το εργαλείου αυτό παρουσιάζει παρόμοια συμπεριφορά και στο αντίρροπο φραιζάρισμα αφού είναι σε πλήρες ακτινικό βάθος και στις δύο περιπτώσεις βλ. σχήμα

60 Σχήμα 4.6: Προσομοίωση της επαφής εργαλείου-τεμαχίου κατά την είσοδο του εργαλείου στο τεμάχιο Ωστόσο, και τα δύο άλλα εργαλεία με διαμέτρους 40 και 63 mm πέτυχαν για την περίπτωση του αντίρροπου φραιζαρίσματος διάρκειες ζωής των και κοπών αντίστοιχα σε αντίθεση με το ομόρροπο φραιζάρισμα. 60

61 Σχήμα 4.7: Διατομή αποβλίττου συναρτήσει του χρόνου κοπής για διάφορες διαμέτρους εργαλείων. 61

62 Σχήμα 4.8: Διάρκεια εισόδου συναρτήσει της διαμέτρου του εργαλείου σε ομόρροπο και αντίρροπο φραιζάρισμα. Στο σχήμα 4.9 συνοψίζονται τα παραπάνω αποτελέσματα. Το πάνω διάγραμμα παρουσιάζει των αριθμό κοπών μέχρι την ανάπτυξη πλάτους ζώνης φθοράς 0.15 mm (κριτήριο φθοράς αστοχίας εργαλείου) και στο κάτω διάγραμμα τη σωρευτική διάρκεια ζωής εργαλείου σε λεπτά μέχρι την αστοχία της επικάλυψης σύμφωνα με το παραπάνω κριτήριο φθοράς συναρτήσει της εξωτερικής διαμέτρου του εργαλείου. Η διάρκεια ζωής του εργαλείου υπολογίζεται με βάση τον τύπο: Τ VB 0.15 = l cu AS v Η εφαρμογή εργαλείων με διαμέτρους 40 και 63 mm οδηγούν, στην περίπτωση αντίρροπου φραιζαρίσματος, σε βελτιωμένες διάρκειες ζωής. Η συνολικά μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και για τις δύο κινηματικές παρουσιάστηκε με τη μικρότερη διάμετρο εργαλείου. Το σχήμα 4.10 παρουσιάζει τη σωρευτική διάρκεια ζωής των εργαλείων με τις αντίστοιχες διάρκειες εισόδου κρούσης της κοπτικής ακμής. Στην περίπτωση του ομόρροπου φραιζαρίσματος η ελάττωση της διαμέτρου του εργαλείου οδηγεί σε υψηλότερες διάρκειες κρούσης εισόδου της κοπτικής ακμής και επομένως σε βελτιωμένες διάρκειες ζωής. Το τελευταίο 62

63 συμβαίνει λόγω του αυξημένου εύρους της κρίσιμης δύναμης κρούσης, το οποίο οδηγεί σε βελτιωμένη συμπεριφορά κόπωσης. Αντιθέτως, στο αντίρροπο φραιζάρισμα μικρότερες διάμετροι εργαλείου αντιστοιχούν σε μικρότερες διάρκειες εισόδου κρούσης της κοπτικής ακμής. Παρ όλα αυτά, αυτές οι διάρκειες υπερβαίνουν την κρίσιμη τιμή των 5 ms, η οποία οδηγεί σε βελτιωμένη συμπεριφορά κόπωσης. Σχήμα 4.9: Ανάπτυξη φθοράς συναρτήσει του αριθμού κοπών για διάφορες διαμέτρους εργαλείων σε ομόρροπο και αντίρροπο φραιζάρισμα. Χαμηλές διάρκειες εισόδου κρούσης αντιστοιχούν σε συγκριτικά μειωμένα εύρη κρίσιμης δύναμης κρούσης δηλαδή σε μικρότερη αντοχή κόπωσης. Αντιθέτως, διάρκειες εισόδου μεγαλύτερες των 10 ms οδηγούν σε κορεσμό της βελτίωσης της αντοχής σε κόπωση. 63

64 Για διάρκειες εισόδου κρούσης μεγαλύτερες των 10 ms η διάρκεια ζωής του εργαλείου συσχετίζεται με το μέγιστο σωρευτικό μήκος αποβλίττων, το οποίο μπορεί να επιτευχθεί μέχρι το πλάτος ζώνης φθοράς των 0.15 mm και το οποίο, σε σταθερή ταχύτητα κοπής και πρόωσης, είναι πρακτικά ανεπηρέαστο από τις κινηματικές συνθήκες και τις συνθήκες κοπής (βλ. σχήμα4.12). Σχήμα 4.10: Αριθμός κοπών μέχρι το πλάτος ζώνης φθοράς των 0.15 mm και επιτευχθείσα διάρκεια ζωής εργαλείου T 0.15 συναρτήσει της εξωτερικής διαμέτρου εργαλείου σε ομόρροπο και αντίρροπο φραιζάρισμα. 64

65 Σχήμα 4.11: Σχηματική παράσταση κοπής με εργαλειοδέτη 21mm σε πλήρες ακτινικό βάθος κοπής, ομόρροπο και αντίρροπο. Η διάρκεια ζωής επικαλυμμένων εργαλείων στο φραιζάρισμα για διάφορες κινηματικές, συνθήκες κοπής και ταχύτητες κοπής μπορεί να προσδιοριστεί, λαμβάνοντας υπόψη τη διάρκεια εισόδου κρούσης της κοπτικής ακμής. Σχήμα 4.12: Αριθμός κοπών μέχρι το πλάτος ζώνης φθοράς των 0.15 mm και επιτευχθείσα διάρκεια ζωής εργαλείου T 0.15 συναρτήσει της διάρκειας κρούσης εισόδου σε ομόρροπο και αντίρροπο φραιζάρισμα. 65