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

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ FEM-ΥΠΟΣΤΗΡΙΖΟΜΕΝΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΟΥ ΠΑΧΟΥΣ ΑΠΟΒΛΙΤΤΟΥ ΚΑΙ ΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΚΟΠΗΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΕΣ ΚΑΤΑ ΤΟ ΦΡΑΙΖΑΡΙΣΜΑ ΜΕ ΚΥΛΙΣΗ ΟΔΟΝΤΟΣΕΩΝ ΣΤΗΝ ΘΕΡΜΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗ ΤΩΝ ΚΟΠΤΙΚΩΝ ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ ΑΣΤΡΑΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΑΕΜ:5197 ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ : ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΙΟΥΝΙΟΣ 2017

2

3 Πίνακας περιεχομένων 1. Εισαγωγή Στάθμη γνώσεων Μέθοδοι παραγωγής λεπτών σκληρών επικαλύψεων με φυσική π π π π εναπόθεση ατμών Κοπτικά εργαλεία από σκληρομέταλλο και τυποποίησή τους...τ Φθορά κοπτικών εργαλείων Προσομοίωση της διαδικασίας κοπής με τη βοήθεια της μεθόδου των λ λ λ πεπερασμένων στοιχείων Περιφερικό φραιζάρισμα Προσδιορισμός των δυνάμεων κοπής κατά το φραιζάρισμα σε διάφορες γ γ ξ ταχύτητες κοπής και προώσεις Σκοπός εργασίας Υπολογισμός hcu-lcu για φραιζάρισμα σε κυλινδρικό τεμάχιο Περιγραφή διαδικασίας προσομοίωσης με χρήση λογισμικού π τ τ τ τ πεπερασμένων στοιχείων Επίδραση της ταχύτητας κοπής και της πρόωσης στις δυνάμεις κοπής τ τ εργαλείου σκληρομετάλλου κατά το φρεζάρισμα με κύλιση Επίδραση hcu και ταχύτητας κοπής στην θερμοκρασία επικάλυψης σκληρομετάλλου κατά το φραιζάρισμα με κύλιση Βιβλιογραφία... 62

4 1. Εισαγωγή Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις σε προϊόντα και παραγωγικές διαδικασίες συμβάλλουν αποφασιστικά στην εξέλιξη των τεχνολογιών κοπής. Καινοτομίες όπως η εφαρμογή προηγμένων υλικών κοπής μαζί με την ανάγκη για διαδικασίες κατεργασίας πιο φιλικές προς το περιβάλλον, ώθησαν και βοήθησαν στη μείωση του κόστους παραγωγής και στην αποτελεσματικότερη εφαρμογή διαδικασιών υψηλής απόδοσης κοπής. Η τεχνολογία των επικαλύψεων τα τελευταία χρόνια βοήθησε επίσης σημαντικά στην απόδοση κοπής των εργαλείων. Η χρήση τους ως υλικά επιφανειακής επιβελτίωσης των κοπτικών εργαλείων οδήγησε σε μια σημαντική αύξηση της διάρκειας ζωής τους και σε συνδυασμό με την αύξηση της ταχύτητας κοπής μειώθηκε σημαντικά ο χρόνος κατεργασίας. Ταυτόχρονα αυξήθηκε ο ρυθμός παραγωγής. Εξαιτίας όλων των προαναφερθέντων απαιτήσεων και των συνεχιζόμενων εξελίξεων στην παραγωγική διαδικασία, απαιτείται συνεχής έρευνα και βελτίωση των επικαλύψεων με σκοπό την καλύτερη απόδοση κοπής των κοπτικών εργαλείων. Λεπτές σκληρές επικαλύψεις, όπως νιτρίδια ή καρβίδια των μεταβατικών υλικών, αντιπροσωπεύουν σήμερα μια από τις σημαντικότερες δυνατότητες να βελτιωθεί η συμπεριφορά φθοράς των κοπτικών εργαλείων. Οι επικαλύψεις παράγονται, μεταξύ άλλων, είτε με την μέθοδο της Χημικής Εναπόθεσης Ατμών (CVD) είτε με την μέθοδο της Φυσικής Εναπόθεσης Ατμών (PVD), κατά την οποία λαμβάνει χώρα αποδόμηση των στόχων μέσω βομβαρδισμού ή ηλεκτρικών μικροεκκενώσεων και εναπόθεση ιόντων επί των αντικειμένων προς επικάλυψη. Οι βασικότερες και πιο ευρέως διαδεδομένες ομάδες σκληρών επικαλύψεων είναι τέσσερις. Μια από τις δημοφιλέστερες είναι η ομάδα των υλικών επικάλυψης που βασίζεται στο τιτάνιο Ti, όπως TiN, TiC και Ti(C,N). Συχνά η μεταλλική φάση συμπληρώνεται από άλλα μέταλλα, όπως αλουμίνιο Al, χρώμιο Cr, πυρίτιο Si κ.α., ο ρόλος των οποίων είναι να βελτιώσουν τις μηχανικές και άλλες ιδιότητες των μεμβρανών. Παραδείγματα τέτοιων επικαλύψεων είναι το (Ti,AI)N και το (Cr,Al)N. Τα κυριότερα χαρακτηριστικά αυτών των επικαλύψεων είναι η μεγάλη σκληρότητα, η πολύ καλή συνάφεια, η αυξημένη αντίσταση στη φθορά και την οξείδωση, η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και οι καλές αντιτριβολογικές ιδιότητες. Επιπλέον, τα τελευταία χρόνια έχουν κάνει την εμφάνιση τους οι μαλακές επικαλύψεις, οι οποίες εναποτίθενται πάνω από τις σκληρές επικαλύψεις, για να μειώσουν την τριβή και την φθορά κυρίως στα πρώτα στάδιά της. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι το MoS2 και το WC/C. Το τελευταίο, αν και έχει υψηλή σκληρότητα, μπορεί να συμπεριληφθεί σε αυτού του είδους τις επικαλύψεις λόγω της αυτολιπαντικής ιδιότητας κάτω από 1

5 τριβολογικά.φορτία. Εκτός από την εξέλιξη των υλικών, η απόδοση των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων εξαρτάται και από ένα πλήθος τεχνολογικών και γεωμετρικών παραμέτρων. Βασικές παράμετροι κατά τη σχεδίαση των επικαλυμμένων εργαλείων κοπής είναι η ακτίνα καμπυλότητας του υποστρώματος σκληρομετάλλου και ο τρόπος μορφοποίησής της καθώς επίσης το πάχος και η δομή της επικάλυψης. Μια σειρά από μεθοδολογίες που αφορούν την επιφανειακή προετοιμασία του υποστρώματος, πριν την εναπόθεση της επικάλυψης, βελτιώνει σημαντικά τη συνάφεια της επικάλυψης και κατά συνέπεια τη διάρκεια ζωής του επικαλυμμένου κοπτικού εργαλείου. Οι πολυστρωματικές επικαλύψεις έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον, επειδή παρουσιάζουν καλύτερες συναφειακές και αντιτριβολογικές ιδιότητες, με αποτέλεσμα την καλύτερη απόδοση στην κοπή. Τα τελευταία χρόνια, οι κατασκευαστές επικαλύψεων, προκειμένου να βελτιώσουν την απόδοση κοπής των κοπτικών πλακιδίων, πειραματίζονται με νέους βελτιωμένους τρόπους εναπόθεσης των επικαλύψεων. Οποιαδήποτε μεταβολή στη χημική σύσταση, στη μέθοδο και στο χρόνο παρασκευής μπορεί να μεταβάλει σε μεγάλο βαθμό τις μηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων καθώς και την απόδοση τους κατά την κοπή. Οι μηχανικές ιδιότητες των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων προσδιορίζονται με την βοήθεια πειραματικών διατάξεων, όπως η δοκιμασία νανοσκληρομέτρησης, χάραξης και εισβολής. Σημαντική εξέλιξη παρατηρείται στο προσδιορισμό της αντοχής των επικαλύψεων σε επαναλαμβανόμενη κρούση. Ο προσδιορισμός των δυνάμεων κοπής καθώς και ο υπολογισμός της φθοράς των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων πραγματοποιούνται με την βοήθεια πειραμάτων τορναρίσματος και φραιζαρίσματος σε διάφορες ταχύτητες κοπής και προώσεις. Τα αποτελέσματα αξιολογούνται και ταυτόχρονα συγκρίνονται με τα θεωρητικά τα οποία προκύπτουν από υπολογισμούς μέσω μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων. Όλα τα παραπάνω κρίνονται απαραίτητα για την επιλογή του κατάλληλου κοπτικού εργαλείου και συνθηκών κατεργασίας. Η αφαίρεση υλικού είναι μια από τις σημαντικότερες διαδικασίες μορφοποίησης στη βιομηχανία. Τα τελευταία χρόνια, η ανάλυση με την βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων (FEM) έχει γίνει το κύριο εργαλείο για την προσομοίωση της διαδικασίας κοπής υλικών. Μερικά από τα εμπορικά προσομοιωτικά προγράμματα προσφέρουν τη μοντελοποίηση της κοπής. Με τη βοήθεια αυτών των προσομοιωτικών πακέτων μπορεί να γίνει ο υπολογισμός των δυνάμεων κοπής, καθώς επίσης και ο προσδιορισμός του θερμοκρασιακού πεδίου που αναπτύσσεται στο κοπτικό εργαλείο και στο απόβλιττο κατά την διάρκεια της κοπής. Με την βοήθεια των παραπάνω μπορεί να προσδιοριστεί το πεδίο των τάσεων που αναπτύσσεται πάνω στην κοπτική ακμή και να προβλεφθεί η πρώτη

6 αστοχία των επικαλύψεων.σκοπός αυτής της εργασίας είναι να μελετηθεί μέσω προσομοιώσεων πώς επηρεάζονται οι δυνάμεις κοπής και η θερμοκρασίες που αναπτύσονται στο κοπτικό εργαλείο για διαφορετικές προώσεις και ταχύτητες κοπής. 2. Στάθμη γνώσεων 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.

7 Οι κύριες μέθοδοι επικάλυψης με φυσική εναπόθεση ατμών είναι η εξάτμιση (evaporation) και η εναπόθεση με επίθεση ιόντων (ion sputtering) και φαίνονται στην εικόνα 2.1. Κατά την έναρξη της διαδικασίας εναπόθεσης το υλικό της επικάλυψης μετατρέπεται σε ατμούς 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 Εικόνα 2.1: Κύριες μέθοδοι επικάλυψης με φυσική εναπόθεση ατμών. 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. 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. 4

8 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 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 στην εικόνα 2.2. Μια παραλλαγή της εναπόθεσης με επίθεση ιονισμού είναι με χρήση μαγνητικού πεδίου, (magnetron sputtering deposition) που έχει ως συνέπεια την αύξηση της απόδοσης του ιονισμού κοντά στο στόχο. Το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο είναι παράλληλο με την επιφάνεια της καθόδου, έτσι ώστε να παγιδεύει τα ηλεκτρόνια και να εμποδίζει την κίνηση των πρωτογενών ηλεκτρονίων μακριά από την κάθοδο. Τα παγιδευμένα ηλεκτρόνια, τα οποία συγκρούονται κυρίως με άτομα του αερίου, προωθούνται κατά μήκος του μαγνητικού πεδίου και μειώνονται έτσι οι πιθανότητες να χαθούν στα τοιχώματα του θαλάμου. Ο τρόπος εφαρμογής του μαγνητικού πεδίου της μαγνητικής εναπόθεσης ιονισμού οδηγεί σε δύο παραλλαγές: Μαγνητική εναπόθεση Balanced (Balanced magnetron deposition) Το μαγνητικό πεδίο είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια και το πλάσμα να βρίσκονται σε απόσταση από το υπόστρωμα. Η τεχνική αυτή αναπτύχθηκε για μικροηλεκτρονικές εφαρμογές, όπου ο βομβαρδισμός της αναπτυσσόμενης επικάλυψης με σωματίδια υψηλής ενέργειας πρέπει να αποφευχθεί. 5

9 Μαγνητική εναπόθεση Unbalanced (Unbalanced magnetron deposition) Για να παραχθούν σκληρές επικαλύψεις είναι απαραίτητος ο βομβαρδισμός του αναπτυσσόμενου στρώματος της επικάλυψης με σωματίδια υψηλής ενέργειας. Ένα δευτερεύον πλάσμα δημιουργείται κοντά στο υπόστρωμα σαν πηγή σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Εναλλακτικά χρησιμοποιείται μια συσκευή πηγής ιόντων ή εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία μεταξύ της εσωτερικής και της εξωτερικής διάταξης των μαγνητών της καθόδου, ώστε να επιτρέπεται η επέκταση του πλάσματος στην περιοχή του υποστρώματος, συντελώντας έτσι στο βομβαρδισμό του θετικά πολωμένου υποστρώματος με ιόντα. Εικόνα 2.2: Διάταξη εναπόθεσης με βομβαρδισμό ιόντων (H.I.S.). Κατά την εναπόθεση με υψηλό παλμικό ιονισμό (High Ionization Pulsing) διατηρείται σταθερή η πυρακτωμένη εκκένωση μπροστά από τις πηγές εναπόθεσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μπορούν να εναποτεθούν επικαλύψεις με αναλογία Al/Ti μέχρι και 5. Αυξάνοντας το πλάσμα μέσα στο θάλαμο κενού υπάρχει η δυνατότητα να εναποτεθούν αγώγιμες και μονωτικές επικαλύψεις πρακτικά σε κάθε στοιχειομετρία. Η υλοποίηση του εξαιρετικά πυκνού πλάσματος γίνεται δυνατή μέσω της εφαρμογής παλμικού πλάσματος και μιας ρύθμισης στον θάλαμο κενού,η οποία αυξάνει τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των παλμικών ηλεκτροδίων και συνεπώς την ενέργεια 6

10 των ιόντων. Αυτό συμβάλει στην καθοδήγηση του πυκνού πλάσματος προς το υπόστρωμα. Με την αύξηση του πλάσματος πετυχαίνουμε βαθμιαία μεταβολή της κυβικής B1 δομής στην εξαγωνική με μεγαλύτερη αναλογία σε νιτρίδια αλουμινίου AlN. Με τη μέθοδο αυτή μπορούν να εναποτεθούν επικαλύψεις με υψηλό ποσοστό περιεκτικότητας σε αλουμίνιο (65 67%), οι επονομαζόμενες Supernitrides οι οποίες έχουν αυξημένη αντοχή σε οξείδωση. Στην εικόνα 2.3 απεικονίζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων της πυκνότητας του πλάσματος σε μια περιοχή πολύ κοντά στην επιφάνεια του υποστρώματος, η συλλογή των οποίων έγινε με τη βοήθεια ενός φασματόμετρου επιλεκτικής ενεργειακής μάζας. Η συγκέντρωση των ιόντων καταγράφεται καθ όλη την διάρκεια της εναπόθεσης. Για τις ίδιες συνθήκες φυσικής εναπόθεσης, η εναπόθεση με υψηλό παλμικό ιονισμό (H.I.P.) επιδίδει υψηλότερο ιονισμό κοντά στο υπόστρωμα σε σύγκριση με τις άλλες δύο εναποθέσεις. Η υψηλή συγκέντρωση των ιόντων συμβάλει σημαντικά στο σχηματισμό πολύ πυκνού πλάσματος μπροστά από το προς επικάλυψη εργαλείο, διασφαλίζει μια βελτιωμένη ποιότητα για τις νανοκρυσταλλικές δομές των επικαλύψεων και ταυτόχρονα βελτιστοποιεί τα ποσοστά εναπόθεσης. Με τη βοήθεια της μεθόδου αυτής είναι δυνατόν να επικαλυφθούν υποστρώματα, τα οποία μετά από κάποια κατεργασία έχουν μεγάλη τραχύτητα π.χ. κατεργασία κοκκοβολής. Τον τελευταίο χρόνο η εταιρία CEMECON AG. έχει εξελίξει την τεχνολογία εναπόθεσης με ενίσχυση του πλάσματος (Plasmaboosting). Για την εναπόθεση της επικάλυψης χρησιμοποιείται, ένα μαγνητικό πεδίο με 4 καθοδικά ηλεκτρόδια με επιπρόσθετο ιονισμό μέσω ενίσχυσης πλάσματος. Οι πλάκες με τα προς επικάλυψη υλικά βρίσκονται μέσα σε ένα μείγμα Αργόν/Αζώτου σε μια συνολική τάση καθόδου των 36 KW και σε θερμοκρασία εναπόθεσης 530ºC. Η ροή του αζώτου ελέγχθηκε από μερική μέτρηση της πίεσης και προσαρμόζεται με αποτέλεσμα να έχουμε μια <111> δομή της επικάλυψης. Με τη συγκεκριμένη μέθοδο εναπόθεσης μπορεί να μειωθεί το ποσοστό αλουμινίου των επικαλύψεων και να κυμανθεί ανάμεσα σε 55% για την επικάλυψη TINALOX SN 2 και 65% για την επικάλυψη Hyperlox. Η μείωση του ποσοστού του αλουμινίου αυξάνει την ηλεκτρική αγωγιμότητα της επικάλυψης και ταυτόχρονα ενεργοποιεί τη χρήση της τεχνολογίας συνεχούς ρεύματος για την εναπόθεση της επικάλυψης. Το πλεονέκτημα των επικαλύψεων είναι ότι παρουσιάζουν σημαντικά μειωμένες εσωτερικές τάσεις ενώ παράλληλα επιτρέπουν την εναπόθεση πυκνοδομημένων επικαλύψεων με αυξημένη συνάφεια. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι οι εσωτερικές τάσεις 7

11 των επικαλύψεων Supernitride (SN 2 ), κυμαίνονται από 1.2 ως 1.7 GPa σε σχέση με τις κοινές TiAlN επικαλύψεις που είναι από 3 ως 4 GPa. Η τεχνολογία εναπόθεσης RF χρησιμοποιείται για να επικαλυφθούν μη αγώγιμα υλικά. Τα υλικά αυτά είναι αδύνατο να επικαλυφθούν μέσω μεθόδων συνεχούς ρεύματος DC εξαιτίας της συσσώρευσης του φορτίου στην επιφάνεια των στόχων. Για το λόγο αυτό, εφαρμόζεται εναλλασσόμενο ρεύμα συχνότητας 5 30 MHz. Στην εναπόθεση RF μπορεί να εφαρμοστεί και ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Εικόνα 2.3: Ενεργειακή συνεισφορά των ιόντων εναπόθεσης χρησιμοποιώντας διάφορες μεθόδους εναπόθεσης. Στην εναπόθεση με βομβαρδισμό του στόχου μέσω δέσμης ιόντων (ion beam sputtering) επιτυγχάνεται πολύ καλή συνάφεια, ομαλή εναπόθεση εξαιτίας της πολύς χαμηλής πίεσης και πολύ χαμηλή θερμοκρασία στο υπόστρωμα λόγω του ότι δε βρίσκεται σε επαφή με το πλάσμα. Μια υψηλής ενέργειας δέσμη ιόντων εξάγεται από την πηγή ιόντων κατευθυνόμενη προς το στόχο. Ένα αδρανές ή αντιδραστικό αέριο χρησιμοποιείται ως πηγή της δέσμης ιόντων. Κατάλληλη τοποθέτηση του υποστρώματος οδηγεί στην συλλογή όλων των εκπεμπόμενων σωματιδίων. 8

12 2.2 Κοπτικά εργαλεία από σκληρομέταλλο και τυποποίησή τους Στις αρχές του εικοστού αιώνα άρχισαν να χρησιμοποιούνται στις μηχανουργικές μορφοποιήσεις εργαλεία από ταχυχάλυβα των οποίων η συμπεριφορά φθοράς βελτιωνόταν σημαντικά λόγω της παρουσίας σωματιδίων καρβιδίων του βολφραμίου στη μεταλλική μήτρα τους. Το επόμενο φυσικό βήμα ήταν να δημιουργηθούν κοπτικά εργαλεία από καθαρά καρβίδια του βολφραμίου. Παρότι παρουσιάσθηκαν αντικειμενικές δυσκολίες, λόγω της υψηλής θερμοκρασίας πυροσυσσωμάτωσης (>2000 ο C), η δημιουργία αυτών των εργαλείων ολοκληρώθηκε με φτωχά αποτελέσματα καθώς τα σχετικά εργαλεία αποδείχτηκαν πολύ ψαθυρά σε βιομηχανικές εφαρμογές. Το θεμελιώδες αυτό πρόβλημα λύθηκε λίγα χρόνια αργότερα (1914) όταν ο Κarl Schröter εργαζόμενος στην εταιρία Osram ανακάλυψε ότι το καρβίδιο του βολφραμίου αναμειγμένο με μέταλλα όπως σίδηρος, νικέλιο ή κοβάλτιο σε κάποιο ποσοστό, πυροσυσσωματώνονταν στους 1500 ο C και το τελικό προϊόν είχε χαμηλό πορώδες και υψηλή σκληρότητα. Τα σκληρομέταλλα ως υλικά κοπτικών εργαλείων παρουσιάστηκαν από το Fried Krupp το 1927 κάτω από την ονομασία Widia (wie Diamant) και μέσω συνεχών βελτιώσεων τους απέκτησαν κυρίαρχη θέση σε μηχανουργικές εφαρμογές. Η κύρια διαδικασία παραγωγής σκληρομετάλλων βασίζεται στην κονιομεταλλουργία. Κατά κύριο λόγο σκόνες από καρβίδιο του βολφραμίου (WC) με άλλα καρβίδια όπως τιτανίου (TiC), τανταλίου (TaC) και Νιοβίου (ΝbC) αναμειγνύονται βάση προδιαγραμμένων αναλογίων και αλέθονται. Στη συνέχεια συμπιέζονται παρουσία κοβαλτίου που αποτελεί και το συνδετικό υλικό και ακολουθεί μια πρώτη φάση πυροσυσσωμάτωσης στους 900 o C. Το εξαγόμενο τεμάχιο μορφοποιείται και μια τελική διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης λαμβάνει χώρα σε υψηλή θερμοκρασία ( o C). Η εκλογή της χημικής σύστασης και της κρυσταλλικής δομής των σκληρομετάλλων επιδρά στις ιδιότητες τους. Αύξηση της περιεκτικότητας σε καρβίδια τιτανίου και τανταλίου και αντίστοιχη μείωση του κοβαλτίου συμβάλλουν στην αύξηση της σκληρότητας, στη βελτίωση της αντοχής σε συγκολλήσεις, της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες και σε φθορά λόγω διάχυσης. Αντίθετα, αρνητικά επηρεάζεται η αντοχή σε εναλλασσόμενη καμπτική καταπόνηση και σε εναλλαγές της θερμοκρασίας. Σημαντική παράμετρος αποτελεί το μέγεθος των κόκκων όσον αφορά 9

13 τη συμπεριφορά του σκληρομετάλλου στην κοπή. Τα λεπτόκοκκα σκληρομέταλλα παρουσιάζουν βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες σε σύγκριση με τα συμβατικά συντελώντας στη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής του κοπτικού πλακιδίου. Η δεσπόζουσα θέση που κατέχουν τα σκληρομέταλλα ως υλικά κοπτικών εργαλείων σε όλες τις κατεργασίες μορφοποίησης με αφαίρεση υλικού οφείλεται στις εξαιρετικές ιδιότητες τους. Συνοπτικά χαρακτηρίζονται από μεγάλη σκληρότητα και ικανότητα διατηρήσεως της ακόμα και σε υψηλές θερμοκρασίες, υψηλό μέτρο ελαστικότητας (σχεδόν τρεις φορές μεγαλύτερο από τον κοινό χάλυβα) που μεταφράζεται σε μεγάλη ολκιμότητας υλικό, χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής και σχετικό υψηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας σε σχέση με τον χάλυβα. Η δυνατότητα παραγωγής σκληρομετάλλων με διαφορετική αναλογία καρβιδίων και συνδετικού υλικού μέσω των όποιων καλύπτεται ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών έχει προκαλέσει την αδήριτη ανάγκη ταξινόμησης τους στις κατασκευάστριες εταιρίες. Οι τέσσερις κατηγορίες στις οποίες εντάσσονται τα σκληρομέταλλα ως υλικά κοπτικών εργαλείων σύμφωνα με τη διεθνή τυποποίηση ISO και τη γερμανική προδιαγραφή DIN4990 είναι οι P, M, G και K (η G χρησιμοποιείται για κατεργασία πετρωμάτων). Οι ομάδες Ρ, Μ και Κ έχουν ως διακριτικό χρώμα το μπλε, το κίτρινο και το κόκκινο αντίστοιχα. Η κατηγορία P χρησιμοποιείται κυρίως για κατεργασίες χαλύβων και χυτοχαλύβων, η κατηγορία M για κατεργασίες ανοξείδωτων χαλύβων και τέλος η κατηγορία Κ βρίσκει εφαρμογή σε κατεργασίες φαιού και λευκού χυτοσιδήρου, μαλακτικοποιημένων χυτοσιδήρων, βαμμένων χαλύβων, πλαστικών και συνθετικών υλών καθώς και ξύλου. Η κάθε κατηγορία χωρίζεται σε επιμέρους ομάδες, οι οποίες έχουν να κάνουν με τις ιδιότητες και την ποιότητα τους. Όσο αυξάνεται ο αριθμός για την κατηγορία P από 02 σε 40, για την M από 10 σε 40 και την K από 03 σε 40, χειροτερεύει η συμπεριφορά φθοράς και η σκληρότητα, ενώ βελτιώνεται η ολκιμότητά τους. Επιπλέον τα κοπτικά πλακίδια κατασκευασμένα από σκληρομέταλλο έχουν κωδικοποιηθεί κατά ΙSO με βάση τη γεωμετρική τους μορφή. Το σχήμα του πλακιδίου (τρίγωνο Τ, ορθογώνιο L, τετράγωνο S κτλ), η κατασκευαστική γωνία ελευθερίας και αποβλίττου, οι ανοχές κατασκευής, το πάχος, η κατεύθυνση πρόωσης, το μέγεθος, ο τρόπος συγκράτησης κ.ο.κ. συμβολίζονται με ειδικούς αριθμούς και γράμματα. 10

14 Η εκλογή της χημικής σύστασης και της κρυσταλλικής δομής των σκληρομετάλλων επιδρά στις ιδιότητες τους καθώς και την απόδοση τους κατά την κοπή. Για παράδειγμα μια ενδεχόμενη αύξηση της περιεκτικότητας σε καρβίδια τιτανίου και τανταλίου και αντίστοιχη μείωση του κοβαλτίου συμβάλλουν στην αύξηση της σκληρότητας, στη βελτίωση της αντοχής σε συγκολλήσεις, της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες και σε φθορά λόγω διάχυσης. Αντίθετα, αρνητικά επηρεάζεται η αντοχή σε εναλλασσόμενη καμπτική καταπόνηση και σε εναλλαγές της θερμοκρασίας. Η ανάγκη χρησιμοποίησης βέλτιστου συνδυασμού αναλογίας καρβιδίων και συνδετικού υλικού, έχει οδηγήσει τις κατασκευάστριες εταιρίες να δημιουργήσουν διάφορες κατηγορίες σκληρομετάλλων. Σύμφωνα με τη γερμανική προδιαγραφή DIN4990 και τη διεθνή τυποποίηση κατά ISO 813, τα σκληρομέταλλα ως υλικά για κοπτικά εργαλεία κατατάσσονται σε τρείς κύριες ομάδες, που συμβολίζονται με τα γράμματα P, M και K και χρησιμοποιούνται για την κοπή σιδηρούχων υλικών. Για την κατεργασία μη σιδηρούχων και μη μεταλλικών υλικών, για ειδικά κράματα ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες και για σκληρά υλικά, έχουν εξελιχθεί οι ομάδες χρησιμοποίησης Ν, S και H αντίστοιχα. Οι ομάδες Ρ, Μ και Κ έχουν ως διακριτικό χρώμα το μπλε, το κίτρινο και το κόκκινο αντίστοιχα. Η κατηγορία P χρησιμοποιείται κυρίως για κατεργασίες χαλύβων και χυτοχαλύβων, η κατηγορία M για κατεργασίες ανοξείδωτων χαλύβων και τέλος η κατηγορία Κ βρίσκει εφαρμογή σε κατεργασίες φαιού και λευκού χυτοσιδήρου, μαλακτικοποιημένων χυτοσιδήρων, βαμμένων χαλύβων, πλαστικών και συνθετικών υλών και ξύλου. Έτσι μπορεί να γίνει εύκολα η επιλογή του είδους του σκληρομετάλλου που θα χρησιμοποιηθεί στην εκάστοτε κατεργασία έχοντας υπόψη τις ιδιότητες κάθε κατηγορίας. Κάθε κατηγορία έχει μια σειρά από ποιότητες που χαρακτηρίζονται από διψήφιους αριθμούς (αριθμοί ποιότητας). Η κατηγορία Ρ έχει τις ποιότητες 01, 10, 20, 25, 30, 40 και 50, η κατηγορία Μ τις ποιότητες 10, 20, 30 και 40 και η κατηγορία Κ τις ποιότητες 01, 05, 10, 20, 30 και 40. Ελάττωση του αριθμού ποιότητας σημαίνει αύξηση της σκληρότητας και της αντοχής σε φθορά λόγω τριβής του σκληρομετάλλου και μείωση της δυσθραυστότητάς του. Στην εικόνα 2.4 δίνονται οι κατηγορίες και ποιότητες των σκληρομετάλλων με πληροφορίες για τη σύνθεση, τις ιδιότητες και τη χρήση τους. Εκτός από την τυποποίηση αναφορικά με τις χημικές και μηχανικές ιδιότητες των σκληρομετάλλων, τα κοπτικά πλακίδια κωδικοποιούνται κατά ΙSO ανάλογα με τη γεωμετρική τους μορφή. 11

15 Εικόνα 2.4: Κύριες μέθοδοι επικάλυψης με φυσική εναπόθεση ατμών. 2.3 Φθορά κοπτικών εργαλείων Με τον όρο φθορά (wear) περιγράφεται η διαδικασία απομάκρυνσης υλικού από ένα ή και από τα δύο σώματα, τα οποία βρίσκονται σε επαφή και σε σχετική κίνηση μεταξύ τους. Το κοπτικό εργαλείο κατά την κοπή υπόκειται σε υψηλές τάσεις στην περιοχή της κοπτικής ακμής που το καταπονούν ιδιαίτερα. Αυτές οφείλονται στην πλαστική παραμόρφωση του κατεργαζόμενου υλικού στη ζώνη διάτμησης, σε τριβές και 12

16 πλαστική παραμόρφωση του αποβλίττου στη ζώνη επαφής εργαλείου αποβλίττου, καθώς επίσης και σε θραύση του κατεργαζόμενου υλικού για το σχηματισμό νέας επιφάνειας. Επιπρόσθετα, παρατηρείται ανάπτυξη υψηλών και ακανόνιστα κατανεμημένων θερμοκρασιακών πεδίων (της τάξης των 1200 ο C), που παρουσιάζουν επιπλέον υψηλούς ρυθμούς αύξησης της θερμοκρασίας (της τάξης των 10 6 ο C/s) και απότομες βαθμώσεις (μεταβολές από θέση σε θέση κατά μήκος της κοπτικής ακμής). Τα παραπάνω σε συνδυασμό με διάφορες φυσικοχημικές αντιδράσεις μεταξύ των υλικών αποβλίττου και κοπτικού εργαλείου οδηγούν σε επιτάχυνση της εξέλιξης της φθοράς των εργαλείων. Είναι γνωστό ότι η διάρκεια ζωής ενός κοπτικού εργαλείου είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες κατά την κοπή των μετάλλων, επειδή επηρεάζει αποφασιστικά το κόστος κατεργασίας. Είναι συνεπώς σημαντική η γνώση, όσο το δυνατόν ακριβέστερα, της σχέσης μεταξύ της διαρκείας ζωής του κοπτικού και των συνθηκών κοπής όπως: η ταχύτητα κοπής, η πρόωση (f z), τα βάθη κοπής (ακτινικό και αξονικό) κ.ά. Η διάρκεια ζωής αποκτά μεγαλύτερη σημασία με την εμφάνιση στην παραγωγή των ψηφιακά καθοδηγούμενων εργαλειομηχανών, οι οποίες αφ' ενός έχουν μεγάλες δυνατότητες από άποψη ακρίβειας, ισχύος και φάσματος στροφών και προώσεων, αφ' ετέρου έχουν μεγάλο κόστος κτήσεως και λειτουργίας. Πρέπει λοιπόν να εργάζονται με βέλτιστες συνθήκες κοπής και με ελάχιστους νεκρούς χρόνους. Για την επιβράδυνση της εξέλιξης της φθοράς των κοπτικών εργαλείων χρησιμοποιούνται πλέον λεπτά υμενίδια (φιλμ) επικαλύψεων. Οι PVD επικαλύψεις θεωρούνται πλέον δεδομένες για την προστασία των κοπτικών εργαλείων από την φθορά. Σήμερα, η βιομηχανία επικαλύψεων παρέχει πολλές επιλογές και παραλλαγές λεπτών σκληρών επικαλύψεων για την προστασία των εργαλείων. Οι μηχανισμοί που εκτυλίσσονται κατά την κοπή και οδηγούν στην αστοχία του επικαλυμμένου κοπτικού εργαλείου, διακρίνονται σε αυτούς που αφορούν τη φθορά της επικάλυψης και σε αυτούς που διέπουν τη φθορά του υποστρώματός τους. Οι επικαλύψεις προστατεύουν το κοπτικό εργαλείο με διάφορους τρόπους: Εξαιτίας των πολύ ανώτερων μηχανικών ιδιοτήτων τους σε σχέση με τις αντίστοιχες του υποστρώματος, οι μέγιστες αναπτυσσόμενες τάσεις είναι χαμηλότερες του ορίου διαρροής τους Λόγω της πυκνής κρυσταλλοδομής τους 13

17 Λόγω των θερμομονωτικών ιδιοτήτων τους, που προστατεύει το υπόστρωμα από τα μεγάλα ποσά θερμότητας που παράγονται κατά την κοπή. Οι μηχανισμοί φθοράς της επικάλυψης που λαμβάνουν χώρα κατά την εξέλιξη της φθοράς των κοπτικών εργαλείων είναι: Αστοχία λόγω μηχανικής υπερφόρτισης (που μπορεί να οφείλεται είτε στην γεωμετρία του κοπτικού πλακιδίου είτε στην κινηματική και στις συνθήκες κοπής που επιλεχτήκαν). Αστοχία λόγω κόπωσης. Αστοχία λόγω φαινομένων οξείδωσης και διάχυσης Αστοχία λόγω κακής συνάφειας υποστρώματος-επικάλυψης. Αστοχία λόγω αυξημένης ψαθυρότητας της επικάλυψης, παράγοντας που μπορεί να επιδράσει καταλυτικά, ιδιαίτερα σε διακοπτόμενη κοπή (φραιζάρισμα). Αστοχία λόγω συναφειακών μικρο-συγκολλήσεων Έχει αποδειχθεί, μεταξύ άλλων, ότι υπάρχει εξάρτηση της φθοράς του εργαλείου και της επικάλυψης από τις συνθήκες κοπής αλλά και το είδος της κατεργασίας. Ένας πολύ σημαντικός παράγοντας είναι αν η δημιουργία του αποβλίττου είναι συνεχής ή μη συνεχής. Κλασσικό παράδειγμα συνεχούς αποβλίττου είναι το τορνάρισμα ενώ ασυνεχούς το φραιζάρισμα. Οι μηχανικές υπερφορτίσεις αλλά και η υπέρβαση του ορίου αντοχής σε κόπωση κατά την διάρκεια αφαίρεσης υλικού, οδηγούν σε μικρο-θραύσεις της επικάλυψης, κυρίως στη μεταβατική περιοχή από την επιφάνεια ελευθερίας στην αποβλίττου (περιοχή Ι). Η ανάπτυξη αυτού του μηχανισμού αυξάνει τη φθορά στην επιφάνεια ελευθερίας σε χαμηλές ταχύτητες κοπής, χωρίς ταυτόχρονα, να υπάρχει σημαντική φθορά στην επιφάνεια αποβλίττου, και προκαλεί αστοχία του εργαλείου. Επιπλέον, ανάλογα με την θερμοκρασία που αναπτύσσεται και την σύσταση της επικάλυψης, μηχανισμοί οξείδωσης και διάχυσης παρατηρούνται σε υψηλότερες ταχύτητες κοπής, κυρίως στη επιφάνεια αποβλίττου (περιοχή ΙΙ). Λόγω των μηχανισμών αυτών, παρατηρείται μια χειροτέρευση των μηχανικών ιδιοτήτων της επικάλυψης, η οποία επιταχύνει την φθορά λόγω τριβής. Επιπρόσθετα, η ποιότητα της συνάφειας επηρεάζει σημαντικά την φθορά της επικάλυψης, αφού ανεπαρκής σύνδεση της επικάλυψης με το υπόστρωμα αυξάνει τις τάσεις που αναπτύσσονται. 14

18 Εικόνα 2.5: Μηχανισμοί φθοράς που αναπτύσσονται στο εργαλείο κατά τις διεργασίες αφαίρεσης υλικού. Οι μηχανισμοί αυτοί αναπτύσσονται στην περιοχή Ι της κοπτικής ακμής και οδηγούν σε αστοχία της επικάλυψης και απότομη φθορά. Εν τέλει, οι συναφειακές μικροσυγκολλήσεις που οδηγούν σε αποδόμηση της επικάλυψης στις χαμηλές ταχύτητες κοπής, είναι αποτέλεσμα κάποιων κοινών στοιχείων επαφής μεταξύ των υλικών κατεργαζόμενου τεμαχίου και επικάλυψης. Κατά το φραιζάρισμα, κρουστικά φορτία με διαφορετικά μεγέθη και διάρκειες ασκούνται στην κοπτική ακμή του εργαλείου, τα οποία μπορεί να οδηγήσουν σε αστοχία λόγω κόπωσης της επικάλυψης και επιπρόσθετα σε αυξημένη φθορά του εργαλείου. Οι ιδιότητες κόπωσης της επικάλυψης που δημιουργήθηκε με φυσική εναπόθεση ατμών σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος και υψηλότερες, προσδιορίστηκαν μέσω δοκιμών κάθετης κρούσης.οι μηχανισμοί έναρξης της αστοχίας λόγω κόπωσης των επικαλύψεων και η περαιτέρω εξέλιξή τους, έχουν επίσης διερευνηθεί διεξοδικά μέσω δοκιμών κρούσης. Επιπλέον, μέσω αναλυτικής αξιολόγησης της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης και της κάθετης κρούσης, καθορίζονται οι τάσεις αντοχής σε κόπωση της επικάλυψης με τη μορφή διαγραμμάτων Woehler. Κατά τη δοκιμασία της κρούσης, οι συνθήκες φόρτισης της επικάλυψης, και η θερμοκρασία ρυθμίζονται κατάλληλα για να περιγραφούν πλήρως οι συνθήκες που εμφανίζονται κατά το φραιζάρισμα στην περιοχή της κοπτικής ακμής του εργαλείου. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα που απεικονίζει την πρώτη αποκάλυψη του υποστρώματος ενός επικαλυμμένου εργαλείου συναρτήσει του αριθμού των κρούσεων κατά το φραιζάρισμα παρουσιάζεται στην εικόνα 2.6.Η πρώτη αστοχία 15

19 της επικάλυψης, και κατ επέκταση, αποκάλυψη του υποστρώματος, εμφανίζεται περίπου μετά από 4000 κρούσεις, κάτι που φαίνεται και από στοιχειομετρήσεις με ηλεκτρονική μικροσκοπία στις περιοχές Α και Β. Εικόνα 2.6: Εξέλιξη της φθοράς της επικάλυψης για τορνάρισμα και φραιζάρισμα. Στην περιοχή Β, εντοπίστηκαν χημικά στοιχεία, όπως βολφράμιο και κοβάλτιο. Στην περιοχή Α (επιφάνεια αποβλίττου), λόγω των χαμηλών μηχανικών και θερμικών φορτίων που συνδέονται με τις συνθήκες κοπής, δεν παρατηρείται αστοχία της επικάλυψης. Αντίθετα, κατά το τορνάρισμα, με τα ίδια εργαλεία και υλικά, καθότι η διαδικασία είναι συνεχής και δεν υπάρχουν κρουστικά φορτία στην κοπτική ακμή, η φθορά στην επιφάνεια ελευθερίας είναι δραστικά μειωμένη, όπως φαίνεται στο ίδιο σχήμα. Κατά την περίπτωση αυτή, οι μηχανισμοί φθοράς που επικρατούν είναι η μηχανική υπερφόρτιση και απόξεση και όχι η κόπωση. Η διάρκεια ζωής του εργαλείου, στην περίπτωση αυτή εξαρτάται έντονα από την ταχύτητα κοπής, άρα και την θερμοκρασία που αναπτύσσεται, καθότι τα φαινόμενα αποξέσεων που διέπουν τα τελευταία στάδια της κοπής, σχετίζονται με την παράμετρο αυτή. 16

20 Εικόνα 2.7: Προσδοκώμενη πρώτη αστοχία της επικάλυψης κατά το φραιζάρισμα βάσει του διαγράμματος Woehler. Η μείωση των τάσεων στην περιοχή επαφής λόγω του σχηματισμού του αποβλίττου καθώς η επικάλυψη αστοχεί προοδευτικά, βελτιώνει τη ροή θερμότητας στο εργαλείο, αυξάνει την παραμόρφωση του αποβλίττου καθώς και την κοινή περιοχή επαφής εργαλείου-τεμαχίου. Έτσι μειώνονται οι τάσεις τοπικά, κάτι που οδηγεί σε βελτίωση της διάρκειας ζωής του εργαλείου. Η μεγάλη αυτή διαφοροποίηση στην εξέλιξη της φθοράς φανερώνει πόσο επίπονα είναι τα δυναμικά φορτία για την επικάλυψη και πόσο διαφορετική είναι η συμπεριφορά της σε επίπεδο μηχανικών ιδιοτήτων. Επιπλέον, η μέγιστη von Mises τάση που προκύπτει με υπολογισμούς πεπερασμένων στοιχείων, ανέρχεται σε 4.2 GPa περίπου και αναπτύσσεται στην περιοχή μεταξύ της επιφάνειας αποβλίττου και ελευθερίας. Η τιμή αυτή εισάγεται στο σχετικό διάγραμμα Woehler όπως παρουσιάζεται στην εικόνα 2.7. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να προκύψει η πληροφορία ότι για αυτό το μέγεθος της τάσης, η αστοχία της επικάλυψης λόγω κόπωσης αναμένεται μετά από κρούσεις. Ο αριθμός αυτός αντιστοιχεί στον αριθμό των κοπών μέχρι την πρώτη θραύση της επικάλυψης που απεικονίζεται στην εικόνα 2.6. Βάσει όσων αναλύθηκαν παραπάνω, καθίσταται αναγκαία η περαιτέρω διερεύνηση των ιδιοτήτων κόπωσης. Είναι εμφανές ότι με τις υπάρχουσες διατάξεις και μεθοδολογίες δεν μπορεί να προκύψει άμεσα κάποια ποσοτική αξιολόγηση των ιδιοτήτων που προκαλούν τις τόσο μεγάλες διαφοροποιήσεις στην συμπεριφορά των επικαλύψεων ανάλογα την περίπτωση. 17

21 2.4 Προσομοίωση της διαδικασίας κοπής με τη βοήθεια της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Τα τελευταία χρόνια έχουν εξελιχθεί λογισμικά εταιριών που παρέχουν τη δυνατότητα προσομοίωσης της κοπής σε δύο ή σε τρεις διαστάσεις. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το λογισμικό DEFORM, το οποίο χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία για τον προσδιορισμό των κατανομών των δυνάμεων κοπής καθώς και για τον προσδιορισμό του θερμοκρασιακού πεδίου που αναπτύσσεται στο κοπτικό πλακίδιο κατά την κοπή. Το προσομοιωτικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για τα πειράματα είναι τριών διαστάσεων. Αποτελείται από το κατεργαζόμενο κομμάτι, το οποίο μπορεί να παραμορφωθεί, και από το απαραμόρφωτο κοπτικό εργαλείο. Το εργαλείο διεισδύει μέσα στο κομμάτι με σταθερή ταχύτητα και σταθερή πρόωση. Τα δεδομένα που εισάγονται στο μοντέλο είναι η πρόωση, η ταχύτητα κοπής, το πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου hcu και οι ιδιότητες του υλικού κοπής, του υποστρώματος και της επικάλυψης. Το υλικό κοπής που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση είναι το C45 (AISI 1045) το οποίο έχει περίπου ίδιες ιδιότητες με το 42CrMo4V.Οι ιδιότητες του υλικού καθορίζονται από καμπύλες τάσης διαρροής (flow stress), οι οποίες εξαρτώνται από την παραμόρφωση, τον ρυθμό παραμόρφωσης και τη θερμοκρασία. Τυπικές καμπύλες του υλικού C45 για ποικίλες θερμοκρασίες παρουσιάζονται στην εικόνα 2.8.Το μειονέκτημα των καμπύλων τάσης διαρροής των υλικών είναι ότι σε θερμοκρασίες ή ρυθμό παραμόρφωσης για τις οποίες δεν υπάρχει η καμπύλη τάσης διαρροής το προσομοιωτικό πακέτο χρησιμοποιεί προεκβολή το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε λάθος αποτελέσματα. Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει σημαντικά βήματα προόδου στον τομέα αυτό, με αποτέλεσμα τα προσομοιωτικά πακέτα να βελτιώνονται συνεχώς. Σημαντικό ρόλο για την ορθότητα των αποτελεσμάτων παίζει και ο συντελεστής τριβής σε διάτμηση. Για τις προσομοιώσεις της παρούσας διπλωματικής εργασίας ο συντελεστής τριβής shear έχει σταθερή τιμή και δίνεται από την σχέση: τ=mkchip όπου m είναι ο συντελεστής τριβής διάτμησης, τ είναι η διατμητική τάση και Kchip το όριο διατμητικής διαρροής του υλικού του αποβλίττου που είναι κοντά στη διεπιφάνεια εργαλείου αποβλίττου. 18

22 Εικόνα 2.8: Καμπύλες τάσης διαρροής για το υλικό C45 σε διάφορες θερμοκρασίες. Λανθασμένη επιλογή του συγκεκριμένου συντελεστή οδηγεί σε λανθασμένο υπολογισμό των δυνάμεων κοπής. Πειράματα προσδιορισμού του συντελεστή διάτμησης έγιναν σε παλαιότερες εργασίες και παρουσιάζονται στην εικόνα 2.9. Οι συνθήκες κοπής που χρησιμοποιήθηκαν σε όλες τις προσομοιώσεις ήταν ίδιες το μόνα δεδομένα που άλαζαν ήταν η πρόωση και η ταχύτητα κοπής. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυξάνοντας τον συντελεστή διάτμησης παρατηρείται αύξηση των δυνάμεων κοπής. Από τα πειραματικά αποτελέσματα που παρουσιάζονται στο δεξί μέρος του σχήματος για την τιμή m=0.6 έχουμε την μικρότερη απόκλιση. Η τιμή αυτή χρησιμοποιήθηκε και για τις προσομοιώσεις της παρούσας εργασίας. Τέλος, το πρόγραμμα δίνει την δυνατότητα περιγραφής με πεπερασμένα στοιχεία και της γεωμετρίας του απαραμόρφωτου κοπτικού εργαλείου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον υπολογισμό του θερμοκρασιακού πεδίου που αναπτύσσεται μέσα στο κοπτικό πλακίδιο καθώς και των συνολικών δυνάμεων κοπής. Επίσης, μπορεί να γίνει ανάλυση αυτών των δυνάμεων σε κάθε κόμβο έτσι ώστε να προσδιορισθεί η κατανομή των δυνάμεων στη μεταβατική περιοχή (ακτίνα καμπυλότητας) και στην επιφάνεια επαφής του αποβλίττου. Ένα παράδειγμα κατανομής δυνάμεων κοπής για ταχύτητα ίση με 200 m/min και πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου ίσο με 0.12 mm παρουσιάζεται στην εικόνα Τα σημεία των καμπύλων αντιστοιχούν στους 19

23 κόμβους όπου αναλύονται οι δυνάμεις κοπής. Παρατηρείται ότι η μέγιστη φόρτιση εμφανίζεται στους κόμβους που Εικόνα 2.9: Προσδιορισμός συντελεστή διάτμησης. αντιστοιχούν στην ακτίνα καμπυλότητας των κοπτικών πλακιδίων που είναι περίπου 9 μm. Στη συνέχεια η τιμή των κύριων δυνάμεων μειώνεται μέχρι να μηδενιστεί.η συνολική απόσταση αντιστοιχεί στο μήκος επαφής του αποβλίττου. Ο προσδιορισμός της εντατικής κατάστασης των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων, κατά τη διάρκεια της κοπής με τη βοήθεια της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων (FEM), παρέχει τη δυνατότητα να διερευνηθεί θεωρητικά η απόδοση κοπής των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων. Στην εικόνα 2.11 παρουσιάζεται η κινηματική της κοπής κατά τη διαδικασία αφαίρεσης υλικού. Κατά την κοπή, η δύναμη απώθησης Fκt είναι πολύ μικρή σε σχέση με την κύρια δύναμη κοπής Fc και τη δύναμη πρόωσης Fκn και θεωρείται αμελητέα για τον προσδιορισμό των ισοδύναμων τάσεων von Mises που αναπτύσσονται μέσα στο κοπτικό εργαλείο κατά τη διάρκεια της κοπής. Έτσι η επικαλυμμένη κοπτική ακμή μπορεί να περιγραφεί επαρκώς από ένα μοντέλο 20

24 επίπεδης παραμόρφωσης όπως φαίνεται στην εικόνα 2.11.Το μέγεθος του μοντέλου είναι το αναγκαίο δυνατό ώστε οι οριακές συνθήκες να μην επηρεάζουν τα εξαγόμενα αποτελέσματα. Οι κατανομές των δυνάμεων κοπής κατανέμονται στη μεταβατική περιοχή και στην επιφάνεια αποβλίττου σύμφωνα με τα αποτελέσματα των δυνάμεων που διεξήχθησαν από το DEFORM. Εικόνα 2.10: Κατανομή δυνάμεων κοπής. Εικόνα 2.11: FEM μοντελοποίηση της κοπτικής ακμής με τη βοήθεια της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. 21

25 Εφαρμόζονται στην περιοχή της ακτίνας καμπυλότητας και σε όλο το μήκος επαφής αποβλίττου ccl με τη μορφή ορθών (Pn) και εφαπτομενικών (Pt) πιέσεων που δρουν σε κάθε στοιχείο επί του μήκους επαφής αποβλίττου, όπως φαίνεται στην εικόνα Το μοντέλο είναι πλήρως παραμετρικό, ώστε να λαμβάνει υπόψη όλα τα γεωμετρικά μεγέθη του κοπτικού εργαλείου, τα διάφορα στρώματα της επικάλυψης, καθώς και τα τεχνολογικά δεδομένα της κοπής. 2.5 Περιφερικό φραιζάρισμα Το περιφερικό φραιζάρισμα με τη σχετική κίνηση προώσεως του τεμαχίου ως προς την περιστροφική κίνηση του εργαλείου διακρίνεται σε δύο κατηγορίες, το ομόρροπο και τον αντίρροπο, όπως φαίνεται στην εικόνα 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. 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 παρουσιάζονται και οι δύο διαδικασίες κοπής. Εικόνα 2.12: Η κινηματική της διαδικασίας φραιζαρίσματος. Η αξιολόγηση των εξεταζόμενων επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων γίνεται βάσει του αριθμού των κοπών που επιτυγχάνει το καθένα μέχρι κάποιο προκαθορισμένο 22

26 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 fz επί τον αριθμό δοντιών z: AS = L 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: L = φ (R + r a xy ) 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: f z = h(φ ) 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. 23

27 2.6 Προσδιορισμός των δυνάμεων κοπής κατά το φραιζάρισμα σε διάφορες ταχύτητες κοπής και προώσεις Η προσομοίωση μέσω πεπερασμένων στοιχείων του φραιζαρίσματος προϋποθέτει τη γνώση τεχνολογικών παραμέτρων που σχετίζονται ή με τη γεωμετρία του κοπτικού εργαλείου ή με τη διαδικασία της κοπής. Από τις παραμέτρους αυτές κάποιες είναι ήδη γνωστές από την κινηματική της κοπής και από τη γεωμετρία του κοπτικού πλακιδίου, όπως το πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου (hcu), το βάθος κοπής (az), το πάχος της επικάλυψης (t), η γωνία ελευθερίας του κοπτικού πλακιδίου (γ), η ακτίνα καμπυλότητας της κοπτική ακμής (ρeff). Οι υπόλοιπες παράμετροι, οι οποίες είναι οι δυνάμεις κοπής (Fc, Fκn, Fκt) και το μήκος επαφής του αποβλίττου πάνω στο κοπτικό πλακίδιο (ccl) πρέπει να προσδιοριστούν πειραματικά. Για να χρησιμοποιηθούν οι δυνάμεις κοπής στο προσομοιωτικό μοντέλο αναλύονται αρχικά στο σύστημα συντεταγμένων της κόψης και στη συνέχεια ανάγονται στο πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου. Στην εικόνα 2.13 παρουσιάζονται τα συστήματα συντεταγμένων του δυναμόμετρου και της κόψης. Η σχετική θέση μεταξύ των δύο συστημάτων περιγράφεται με την χρήση των 4x4 ομογενών μητρώων μετασχηματισμού και των παραμέτρων Denavit-Hartenberg. Στη συγκεκριμένη περίπτωση οι παράμετροι είναι οι γωνίες κ, λ, και φ. Οι γωνίες κ (γωνία τοποθέτησης) και λ (γωνία κλίσης) είναι γνωστές από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μανέλας που χρησιμοποιείται για τα πειράματα φραιζαρίσματος. Εικόνα 2.13: Συστήματα συντεταγμένων δυναμόμετρου και κοπτικού πλακιδίου κατά την κοπή φραιζαρίσματος. 24

28 Η γωνία φ είναι η γωνία περιστροφής του κοπτικού εργαλείου και μεταβάλλεται από 0º ως 360º. Χρησιμοποιώντας τα ομογενή μητρώα μετασχηματισμού, η μεταφορά των δυνάμεων κοπής από το δυναμόμετρο στην κόψη δίνεται από την σχέση: F kn [ F c ] = A(x, λ) Α(y, θ) Α(z, φ) [ F kt F x F y F z ] όπου Α(x, λ) είναι το μητρώο περιστροφής γύρω από τον άξονα x κατά τη γωνία λ, Α(y, θ), το μητρώο περιστροφής γύρω από τον άξονα y κατά τη γωνία θ, όπου θ=90 κ, και Α(z,φ), το μητρώο περιστροφής γύρω από τον άξονα z κατά τη γωνία φ. Τα μητρώα αυτά έχουν τη μορφή: 1 x, 0 cos sin 0 sin cos cos y, 0 sin sin cos cos sin z, sin cos Κάνοντας τους πολλαπλασιασμούς μεταξύ των μητρώων οι τελικές σχέσεις που προκύπτουν για τον προσδιορισμό των δυνάμεων κοπής είναι: F κn = F xcosθcosφ F ysinφcosθ F zsinθ 25

29 F c = F x(sinφcosλ + cosφsinθsinλ) + F y(cosφcosλ sinφsinθsinλ) + F zcosθsinλ F κt = F x(cosφsinθcosλ sinφsinλ) F y(sinφcosλsinθ + cosφsinλ) + F zcosθcosλ Όπως έχει ήδη αναφερθεί, οι δυνάμεις κοπής αυξάνουν σταδιακά όπως και το πάχος του απαραμόρφωτου αποβλίττου. Η μέγιστη καταπόνηση που δέχεται το επικαλυμμένο κοπτικό εργαλείο εμφανίζεται όταν οι δυνάμεις κοπής έχουν τη μέγιστη τιμή.οι παραπάνω εξισώσεις μεταφέρθηκαν σε λογισμικό excel το οποίο σαν είσοδο έχει τις τιμές δύναμης στους τρείς άξονες οι οποίες υπολογίζονται από το πρόγραμμα προσομοίωσης DEFORM-3D στο τέλος της επίλυσης του προβλήματος μαζί με άλλες παραμέτρους όπως θερμοκρασία κ.α. Από το excel αυτό έχουμε σαν έξοδο τα διαγράμματα για τις δυνάμεις F kn, F c και F kt από τα οποία μπορούμε να βγάλουμε συμπεράσματα για το πότε εμφανίζονται οι μέγιστες δυνάμεις άρα και τάσεις στο κοπτικό εργαλείο. Κατά το αντίρροπο φραιζάρισμα αυτό συμβαίνει στο τέλος της κοπής εκεί δηλαδή που έχουμε το μέγιστο πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου ενώ αντίθετα στο ομόρροπο η μέγιστη δύναμη κοπής εμφανίζεται στη αρχή εκεί όπου εμφανίζεται και το μέγιστο πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου.η ταχύτητα κοπής παίζει και αυτή σημαντικό ρόλο στην μέγιστη δύναμη κοπής όσο αυξάνεται η ταχύτητα μειώνεται η δύναμη κοπής. Το αντίθετο συμβαίνει με την πρόωση δηλαδή όσο αυξάνεται αυτή αυξάνεται μαζί της και η δύναμη κοπης. Πολλές προσομοιώσεις για διαφορετικές ταχύτητες και προώσεις αλλά και για αντίρροπο και ομόρροπο φρεζάρισμα καταστρώθηκαν και εκτελέστηκαν τα αποτελέσματα των οποίων αφορούν την εξέλιξη των δυνάμεων κοπής αλλά και την εξέλιξη των θερμοκρασιών που αναπτύσσονται στο κοπτικό παρουσιάζονται σε επόμενο κεφάλαιο. 3. Σκοπός εργασίας Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να γίνει θεωρητική διερεύνηση για το πως επηρεάζει το μέγιστο πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου αλλά και η ταχύτητα κοπής τις δυνάμεις και τις θερμοκρασίες που αναπτήσσονται στην επικάλυψη εργαλείου κατά το φραιζάρισμα με κύλιση τόσο κατά το αντίρροπο αλλά και το ομόρροπο φραιζάρισμα, το υλικό της επικάλυψης ήταν σκληρομέταλλο ενώ του τεμαχίου AISI1045. Για την εύρεση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκε λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων και πιο συγκεκριμένα το DEFORM-3D. 26

30 4. Υπολογισμός hcu-lcu για φραιζάρισμα σε κυλινδρικό τεμάχιο. Σε αυτό το σημείο θέλουμε να βρούμε την σχέση που συνδέει το μέγιστο πάχος του απαραμόρφωτου αποβλίττου αλλά και το μήκος του απαραμόρφωτου αποβλίττου με την πρόωση ανά περιστροφή.οι τύποι που αποδυκνείωνται παρακάτω ισχύουν για κυλινδρικά τεμάχια.στα πειράματα που έγιναν το εργαλείο είχε τοποθετήμενο πάνω του ένα κοπτικό δόντι έτσι η πρόωση ανά περιστροφή ήταν ίση με την πρόωση ανα δόντι. Στις παρακάτω εικόνες 4.1 και 4.2 φαίνονται τα σημεία που εμφανίζετε το μέγιστο πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου ( hcu ) όσο και το μήκος του ( lcu ), τα απόβλιττα είναι δύο και τριών παριών αντίστοιχα αλλά τα lcu και hcu είναι τα ίδια και εμφανίζονται στα ίδια σημεια. εμφανίζονται στα ίδια σημεία. Εικόνα 4.1: Θέση μέγιστου πάχους απαραμόρφωτου αποβλίττου 27

31 Εικόνα 4.2: Μήκος απαραμόρφωτου αποβλίττου. Τώρα θα αναλύσουμε τον τρόπο με τον οποίο θα υπολογίσουμε τα μεγέθη hcu και lcu. Πρώτα όμως να γίνει μια επεξήγηση του παρακάτω σχήματος που μας δείχνει την εμπλοκή του τεμαχίου με το εργαλείο και τα σημεία που θα μας βοηθήσουν να κάνουμε τους υπολογισμούς που είναι απαραίτητοι για να βρούμε τα hcu και lcu. 28

32 Το Κ είναι το σημείο που βρήσκεται το κέντρο του εργαλείου οταν το κοπτικο έχει εισχωρήσει στο τεμάχιο σε ακτινικό βάθος κοπής h. Το Α είναι η θέση του κέντρου του εργαλείου αφού έχει μετατοπιστεί κατα απόσταση ίση με την πρόωση F (πρόωση ανά δόντι). Το Λ είναι το σημείο τομής του κύκλου με κέντρο Κ και ακτίνα r και του κύκλου με κέντρο Α και ακτίνα r, είναι στην ουσία το σημείο όπου το δόντι έρχετε σε επαφή με το τεμάχιο (κατά το αντίρροπο φρεζάρισμα) η χάνει την επαφή (ομόρροπο φρεζάρισμα). Το Π είναι το σημείο στο οποίο το δόντι χάνει την επαφή με το τεμάχιο κατά την πρώτη διάνυξη του αυλακιού (βοηθητικό αυλάκι). Το Μ είναι το σημείο τομής του κύκλου με κέντρο το Α και ακτινα r ο οποίος αναπαριστά το εργαλείο όταν έχει μετακινηθεί κατά απόσταση ίση με την πρόωση ανά δοντι και του τεμαχίου.είναι το τελευταίο σημείο όπου βρήσκονται σε επαφή κοπτικό και τεμάχιο κατα το αντίρροπο φρεζάρισμα και το πρώτο κατά το ομορροπο. Το σημείο Η ανήκει στην ευθεία ΚΠ και στον κύκλο με κέντρο Α και ακτίνα r, το σημείο αυτό μας βοηθάει στον υπολογισμό του πάχους μέγιστου απαραμόρφωτου αποβλίττου που είναι η απόσταση των σημείων Π και Η. Η εύρεση αυτών τών σημείων είναι αρκετή για να υπολογιστούν με μεγάλη ακρίβεια το μέγιστο πάχος απαραμόρφωτου αποβλιττου όσο και το μήκος του.παρακάτω παρουσιάζετε η αλληλουχια τών μαθηματικών πράξεων που απαιτούνται. Οι παράμετροι που πρέπει να δοθούν για να υπολογιστεί το hcu και το lcu είναι οι εξείς: R: ακτίνα τεμαχίου r: ακτίνα εργαλείου h: ακτινικό βάθος κοπής F: πρόωση ανά δόντι 29

33 30 Παρακάτω περιγράφονται τα βήματα υπολογισμού του hcu και lcu. Η πρόωση -F- για μια πλήρη περιστροφή είναι ίση με: h r R F h r R F Οι καρτεσιανές συντεταγμένες του σημείου -Α- θα είναι. cos h r R X A sin ) ( h r R Y A Για να βρώ τις συντεραγμένες του σήμειου -Π- θα λύσω το σύστημα R Y X r Y h r R X Οι συντεταγμένες του σημείου -Κ- είναι. h r R X και 0 Y Προκύπτει από την λύση ότι. h r R h h r h R r R R X X R Y Για να βρώ τις συντεταγμένες του σήμειου -Μ- με το κέντρο του εργαλείου να βρήσκεται στο σημείο -Α-, έχουμε το εξής σύστημα R Y X r Y Y X X A A

34 Προκύπτει ότι. X M 4 1 X A X 2 A 4 8 X X 4 Y 4 R Y 2 A 8 A 2 YA A 1 A Y R 2 2 M X M Όπου X R Y για απλούστευση των υπολογισμών A A r Όμοιος για να βρώ τις συντεταγμένες του σημείου -Λ- θα λύσω το σύστημα X R r h Y r X X Y Y r A A Για να βρώ τις συντεταγμένες του σημείου ευθείας -ΚΠ- είναι. -Η-. Ο συντελεστής διεύθυνσης της M X Y X Τώρα αφού ξέρω τον συντελεστή διεύθυνσης Μ ΚΠ και τα σημεία -Κ- και -Π- μπορώ να βρώ την εξίσωση της ευθείας -ΚΠ- η οποία θα είναι. Y M X με M X Επομένως τώρα ξέρω την εξίσωση της ευθείας -ΚΠ- και επιπροσθέτως θα θεωρήσω ότι το σημείο -Η- βρήσκεται πάνω στην ευθεία αυτή και είναι το σημείο τομής αυτής με τον κύκλο με κέντρο X, Y και ακτίνας r.στην ουσία αυτός ο κύκλος αναπαριστά την θέση του εργαλείου κοπής μετά απο μετατόπιση που ισούτε με την πρόωση -F-. Τελικά από την λύση του παρακάτω συστήματος θα βρω τις συντεταγμένες Y που χρειάζομαι. X και Y M X 31

35 2 2 2 X X Y Y r Τέλος έχουμε ότι χρειαζόμαστε για να υπολογίσουμε το hcu το οποίο είναι στην ουσία η απόσταση των σημείων -Π- και -Η-. 2 Άρα Hcu X X Y Y 2 Για τον υπολογισμό του lcu χρειαζόμαστε τα εξής, τους συντελεστές διεύθυνσης των ευθειών -ΛΑ- και -ΜΑ- οι οποίοι είναι. Y Y M, X X M Y X Y X Θέλουμε την γωνία που σχηματίζουν αυτές οι δύο ευθείες που είναι. M M tan 1 M M Άρα έχουμε lcu r όπου το - - είναι σε ακτίνια. Ο παραπάνω τρόπος υπολογισμού του μέγιστου πάχους απαραμόρφωτου αποβλίττου και του μήκους για κυλινδρικά τεμάχια έχει πολύ καλά αποτελέσματα με το σφάλμα για το hcu να μην είναι μεγαλύτερο από 1% ανεξαρτήτων τον δεδομένων εισόδου όπως ακτίνες εργαλείου, τεμαχίου η και προώσεως. Το υπολογισμένο μήκος απαραμόρφωτου αποβλίττου είναι ακριβώς ίδιο με το πραγματικό αφού δεν έχει γίνει κάποια προσέγγιση για αυτό. 5. Περιγραφή διαδικασίας προσομοίωσης με χρήση λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων Το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκε για τις προσομοιώσεις είναι το πακέτο DEFORM-3D το οποίο είναι κατάλληλο για κατεργασίες με αφαίρεση υλικού.αυτό το λογισμικό βασίζεται στη μέθοδο Lagrange πεπλεγμένου σχήματος,δηλαδή το πλέγμα πεπερασμένων στοιχείων δημιουργείται στο κατεργαζόμεμο τεμάχιο και ακολουθεί την παραμόρφωσή του. Για να φτάσουμε όμως να πραγματοποιήσουμε την προσομοίωση πρέπει πρώτα να σχεδιάσουμε τις κατάλληλες γεωμετρίες τις οποίες θα τις εισάγουμε στο λογισμίκο 32

36 DEFORM-3D,οι γεωμετρίες αυτές σχεδιάστκαν σε λογισμικό CAD και πιο συγκεκριμένα στο Inventor. Εικόνα 5.1: Γεωμετρία τεμαχίου. Στις τρείς πρώτες εικόνες 5.1,5.2,5.3 βλέπουμε αντίστοιχα τις γεωμετρίες του αυλακιού του τεμαχίου, του κοπτικού δοντιού για την ακρίβεια χρησιμοποιούμε μέρος του δοντιού για εξηκονόμηση χρόνου χωρίς βέβαια αυτο να επηρεάζει την ακρίβεια των υπολογισμών. Εικόνα 5.2: Γεωμετρία εργαλείου. 33

37 Και στην τρίτη εικονα φένετε η θέση που έχουν όταν εισαχθούν στο λογισμικό προσομοίωσης.αυτο που μας ενδιαφέρει πολύ κατά την σχεδίαση του μοντέλου είναι η θέση στην οποία γίνετε η επαφή του κοπτικού δοντιού και του αυλακιού του τεμαχίου αφού αυτή είναι που καθορίζει το μέγιστο πάχος και μήκος αποβλίττου που θα παραχθεί.η θέση αυτή υπολογίστηκε με την βοήθεια λογισμικού Excel στο οποίο καταστρώθηκαν οι κατάλληλες εξισώσεις που απαιτούνται για την ευρεσή της. Εικόνα 5.3: Εμπλοκή τεμαχίου με εργαλείο. Εικόνα 5.4: Τεμάχιο ομόρροπου φραιζαρίσματος. 34

38 Οι πρώτες τρείς εικόνες όπως γίνετε κατανοητό είναι από την προσομοίωση αντίρροπου φραιζαρίσματος με κύλιση δύο παρειών, για το ομόρροπο φρεζάρισμα Εικόνα 5.5: Εργαλείο ομόρροπου φραιζαρίσματος. Εικόνα 5.6: Εμπλοκή τεμαχίου και εργαλείου κατά το ομόρροπο φραιζάρισμα. 35

39 δύο παρειών εργαζόμαστε αντίστοιχα τα μόνα πράγματα που αλλάζουν είναι η θέση τοποθέτησης του κοπτικού και η εύρεση της γωνίας τοποθέτησής του που διαφέρει από αυτή του αντίρροπου,παρατίθενται εικόνες 5.4, 5.5, 5.6 για το ομόρροπο όμοιες με αυτές για το αντίρροπο.με ακριβώς την ίδια μεθοδολογία κατασκευάστηκαν και τα Εικόνες 5.7, 5.8, 5.9: Αντίρροπο φραιζάρισμα τριών παρειών. 36

40 σχέδια για τις προσομοιώσεις για απόβλιττα τρειών παρειών για αντίρροπο και ομόρροπο φραιζάρισμα.παρακάτω παρατίθονται εικόνες 5.7, 5.8, 5.9 για το αντίρροπο φραιζάρισμα με κύλιση. Αφού γίνει η σχεδίαση σε περιβάλλον CAD ακολουθεί η προσομοίωση τα βήματα της οποίας αναγράφονται παρακάτω. Είσοδος γεωμετρίας στο λογισμικό, κοπτικού και αυλακιού. Κατάλληλη δημιουργία πλέγματος πεπερασμένων στοιχείων. Επιλογή υλικών τεμαχίου,υποστρώματος και επικάληψης. Οριακές συνθήκες για το κοπτικό εργαλείο και το τεμάχιο αντίστοιχα όπως βαθμοί ελευθερίας,επιφάνειες εναλλαγής θερμότητας τριβή και συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας. Κινηματική της κατεργασίας. Εικόνες 5.10, 5.11 : Εξέλιξη αντίρροπου φραιζαρίσματος δύο παρειών. ξξκλ 37

41 Εικόνα 5.12: Τελικό στάδειο κατεργασίας αντίρροπου φραιζαρίσματος με κύλιση 2 παρειών. Παρακάτω φένετε η εξέλιση της διαδικασίας προσομοίωσης για όλες τις ξεχωριστές περιπτώσεις που εξετάσαμε. Στις εικόνες 5.13, 5.14, 5.15 που προέρχονται απευθείας από το λογισμικό DEFORM φένετε επίσης και η μορφή του πλέγματος των πεπερασμένων Εικόνα 5.13: Εξέλιξη κατεργασίας και μορφή πλέγματος πεπερασμένων στοιχείων. 38

42 στοιχείων σε όλη την διάρκεια της επίλυσης.μπορεί να γίνει αντιλειπτή και η πολύ πυκνή περιοχή του πλέγματος ( 10 φορές περισσότερα στοιχεία σε σύγκριση με τις άλλες περιοχές) η οποία ακολουθεί σε ολή την διάρκεια της προσομοίωσης το κοπτικό εργαλείο.αυτό συμβαίνει γιατί σε αυτή την περιοχή παρατηρούνται οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες και δυνάμεις και θέλουμε να έχουμε πολύ καλή ακρίβεια στους υπολογισμούς τους οποίους θα πραγματοποιήσει το πρόγραμμα.όσο περισσότερα στοιχεία στο πλέγμα τόσο μεγαλύτερη η ακρίβεια.σε όλες τις προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκε ο μέγιστος δυνατός αριθμός στοιχείων πλέγματος για να έχουμε όσον τον δυνατών καλύτερα αποτελέσματα. Η παραπάνω εργασία πρέπει να γίνει ξεχωριστά για κάθε διαφορετικη προσομοίωση με ρύθμιση κάθε φορά των κατάλληλων παραμέτρων όπως της ταχύτητας του αριθμού των στοιχείων του πλέγματος κ.α. Εικόνα 5.14 : Περεταίρω εξέλιξη της διαδικασίας και μορφή του πλέγματος. 39

43 Εικόνα 5.15: Τελικό στάδειο κατεργασείας και μορφή πλέγματος. Εικόνα 5.16: Αντίρροπο φραιζάρισμα με κύλιση τριών παρειών. Αφού επιλυθούν τα μοντέλα μπορούμε να δούμε τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων όσον αναφορά τις δυνάμεις που αναπτύσονται, τις θερμοκρασίες τις παραμορφώσεις που έχει υποστεί το τεμάχιο τις τάσεις και πολλές άλλες επιλογές και να τα συγκρίνουμε με τα αποτελέσματα των πειραμάτων που έχουν γίνει.έτσι μπορούμε να έχουμε πολύ χρήσιμα δεδομένα που αφορούν την πορεία εξέλιξης της διαδικασίας φθοράς του κοπτικού. 40

44 Εικόνα 5.17: Πλέγμα πεπερασμένων στοιχείων κατά την παραμόρφωση, Σε αυτές τις εικόνες 5.16, 5.18 μπορούμε να δούμε μια πολύ καλή αποικώνιση του πλέγματος των πεπερασμένων στοιχείων κατά την παραμόρφωση του αποβλίττου τρειών παρειών. Εικονα 5.18: Πλέγμα πεπερασμένων στοιχείων κατά την παραμόρφωση. 41

45 Εικόνα 5.19 Εξέλιξη διαδικασίας ομόρροπου φραιαρίσματος δύο παρειών. Εικόνα 5.20: Εξέλιση διαδικασίας ομόρροπου φραιζαρίσματος τριών παρειών. Εικόνα 5.21: Είσοδος κοπτικού κατά το ομόρροπο φραιζάρισμα τριών παρειών. 42

46 Εικόνα 5.22: Εξέλιση διαδιακασίας κοπής κατά το ομόρροπο φραιζάρισμα. Εικόνα 5.23: Τελικό στάδειο κατεργασίας ομόρροπου φραιζαρίσματος με κύλιση. 43

47 6. Επίδραση της ταχύτητας κοπής και της πρόωσης στις δυνάμεις κοπής εργαλείου σκληρομετάλλου κατά το φραιζάρισμα με κύλιση. Προκειμένω να διερευνηθεί η επίδραση της ταχύτητας κοπής στην απόδοση κοπής των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων διεξήχθησαν προσομοιώσεις αντίρροπου φραιζαρίσματος. Στην εικόνα 6.1 παρουσιάζεται το σύστημα εργαλείου κατεργαζόμενου τεμαχίου ενώ παρουσιάζεται και μια τρισδιάστατη απεικόνιση της διάταξης του εργαλείου εικόνα 6.2,κοπτικού και της ιδιοσκευής συγκράτισης, μόνο ένα μέρος του κοπτικού ήταν αναγκαίο για τον προγραμματισμο της προσομοίωσης αλλά έπρεπε να είναι γνωστές όλες οι διαστάσεις τις διάταξης γιατί από αυτές εξαρτώνται η ταχύτητα κοπής αλλά και η πρόωση. Το υλικό του τεμαχίου είναι 42CrMo4V (AISI 1045) ενώ αυτό του εργαλείου επικάλυψη σκληρομετάλλου TialN. Οι ταχύτητες για τις οποίες έγιναν προσομοιώσεις είναι 120 m/s και 200 m/s ενώ οι διαφορετικές προώσεις που χρησιμοποιήθηκαν ήταν αυτές για τις οποίες είχαμε μέγιστο πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου hcu=0.12 και hcu=0.2, αυτές υπολογίστηκαν από το πρόγραμμα που καταστρώθηκε στο excel όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο. Εικόνα 6.1: Σύστημα εργαλείου κατεργαζόμενου τεμαχίου. 44

48 Εικόνα 6.2: Τρισδιάστατη απεικόνιση διάταξης εργαλείου κοπής. Αντίρροπο φραιζάρισμα με κύλιση Hcu0.12, V=120 m/s Στα παρακάτω διαγράμματα φαίνεται οι εξέλιξη των δυνάμεων κοπής όπως φαίνεται και άλλωστε ήταν αναμενόμενο οι μέγιστη δύναμη παρατηρείτε προς το τέλος της κοπής εκεί δηλαδή όπου εμφανίζεται το μέγιστο πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου. Οι κυρίαρχοι μηχανισμοί που επιδρούν άμεσα στη εξέλιξη της φθοράς των εργαλείων οδοντοκοπών με κύλιση, σχετίζονται με την παρεμπόδιση της ροής των αποβλίττων των δύο και τριών παρειών, καθώς και με την συνολική γεωμετρία του αποβλίττου. Λόγω των εξελισσόμενων μηχανισμών φθοράς κατά τη παρεμπόδιση της ροής των αποβλίττων, υπερφορτίζονται οι κοπτικές ακμές και η επιφάνεια αποβλίττου.γίνετε αντιληπτό επίσης από τις μέγιστες δυνάμεις για το απόβλιττο τριών παρειών ότι 45

49 παρόλο που αυτό είχε στην ουσία διπλάσια διατομή από ότι των δύο παρειών οι δυνάμεις αυξήθηκαν κατά περίπου 2,4 φορές σε σχέση με το απόβλιττο δύο παρειών. Επιπλέον οι δύναμη Fkt από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης φαίνεται να είναι αμελητέα σε σχέση με τις άλλες δύο Fc και Fkn. Μετά τα διαγράμματα υπάρχει πίνακας με τις μέγιστες δυνάμεις που εμφανίζονται σε αυτή την προσομοίωση. Εικόνα 6.4: Πορεία μεταβολής της κύριας δύναμης κοπής Fc για απόβλιττο δύο κα τριών παρειών για hcu=0.12 και v=120 m/s αντίρροπου φραιζαρίσματος με κύλιση. Εικόνα 6.5: Πορεία μεταβολής της δύναμης Fkn για απόβλιττο δύο και τριών παρειών για hcu=0.12 και v=120 m/s αντίρροπου φραιζαρίσματος με κύλιση. 46

50 Παρακάτω παρατήθετε πίνακας με τις μέγιστες δυνάμεις που παρατηρήθηκαν κατά την προσομοίωση. Fx Fc Fy Fkn Fz Fkt 2παρειών παρειών Αντίρροπο φραιζάρισμα με κύλιση Hcu0.2,V=120 m/s Τα αποτελέσματα σε αυτήν την προσομοίωση είναι παρόμοια με αυτά της προηγούμενης όσον αφορά τις διαφορές σε δύο και τρείς παρειές,δηλαδή και πάλι εδώ υπάρχει μια αύξηση των δυνάμεων κοπής για απόβλιττο τριών παρειών πέραν του διπλασιασμού, εδώ περίπου 2,3 φορές μεγαλύτερη, αυτό όπως και πριν οφείλεται στην μεγαλύτερη παρεμπόδιση της ρόης αποβλίττου τριών παρειών από ότι αυτό των δύο, στο τέλος και πάλι παρουσιάζετε πίνακας με τις μέγιστες δυνάμεις που εμφανίζονται. Εικόνα 6.6: Πορεία μεταβολής της κύριας δύναμης κοπής Fc κατά το αντίρροπο φραιζάρισμα με κύλιση για hcu=0.2 και v=120 m/s δύο και τριών παρειών. 47

51 Εικόνα 6.7: Πορεία μεταβολής της δύναμγς Fkn κατά το αντίρροπο φραιζάρισμα για hcu=0.2 και v=120 m/s για απόβλιττα δύο και τριών παρειών. Μέγιστες δυνάμεις κατά την προσομοίωση. Fx Fc Fy Fkn Fz Fkt 2παρειές παρειές Ομόρροπο φραιζάρισμα με κύλιση Hcu0.12, V=120m/s Σε αυτή την προσομοίωση εξετάζετε το ομόρροπο φραιζάρισμα με κύλιση δύο και τριών παρειών, οι δυνάμεις πρακτικά διπλασιάζονται για απόβλιττο τριών παρειών και οι μέγιστες δυνάμεις σε σχέση με το αντίρροπο φραιζάρισμα με κύλιση με hcu=0.12mm και V=120m/s είναι μεγαλύτερες κατά 200N. Αυτό που αλλάζει είναι ο χρόνος στον οποίο εμφανίζεται η μέγιστη δύναμη αλλά και η μεταβολή της δύναμης γενικά, η μέγιστη δύναμη εδώ εμφανίζεται στην αρχή της κοπής στο σημείο με το μέγιστο πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου.αυτή η μεγέθυνση της δύναμης κοπής σε σχέση με το αντίρροπο φραιζάρισμα με κύλιση οφείλεται στην απότομη κρουστική είσοδο των κρίσιμων περιοχών των κόψεων, στη αρχή του σχηματισμού του αποβλίττου, αυτό οδηγεί στη ανάπτυξη υψηλών ταχυτήτων παραμόρφωσης στο κατεργαζόμενο υλικό.η υψηλή ταχύτητα παραμόρφωσης αυξάνει τις τάσεις στην 48

52 επικάλυψη, περιορίζοντας την κοπτική απόδοση.έτσι η φθορά των επικαλυμμένων εργαλείων στο ομόρροπο φραιζάρισμα με κύλιση, εξελίσσεται ταχύτερα σε σύγκριση με το αντίρροπο. Εικόνα 6.8: Πορεία μεταβολής της κύριας δύναμης κοπής κατά το ομόρροπο φραιζάρισμα δύο και τριών παρειών για hcu=0.12 και v=120 m/s. Εικόνα 6.9: Πορεία μεταβολής της δύναμης Fkn κατά το ομόρροπο φραιζάρισμα με κύλιση δύο και τριών παρειών για hcu=0.12 και v=120 m/s. 49

53 Πίνακας μέγιστων δυνάμεων κατά το ομόρροπο φραιζάρισμα με κύλιση. Fx Fc Fy Fkn Fz Fkt 2παρειές παρειές Αντίρροπο φραιζάρισμα με κύλιση Hcu0.12, V=200 m/s Σε αυτή την προσομοίωση που έγινε για μεγαλύτερη ταχύτητα από ότι οι προηγούμενες τα αποτελέσματα είναι και πάλι παρόμοια όσων αναφορά τις μέγιστες δυνάμεις μεταξύ δύο και τριών παρειών αλλά και η εξέλιση της μεταβολής των δυνάμεων αυτό που αλλάζει είναι οι μέγιστη δύναμη κοπής η οποία μειώνετε. Εικόνα 6.10: Πορεία μεταβολής της δύναμης Fc κατά το αντίρροπο φραιζάρισμα με κύλιση δύο και τριών παρειών για hcu=0.12 και v=200 m/s. 50

54 Εικόνα 6.11: Πορεία μεταβολής της Fkn κατά το αντίρροπο φραιζάρισμα με κύλιση δύο και τριών παρειών για hcu=0.12 και v=200 m/s. Μέγιστες δυνάμεις κατά το αντίρροπο φραιζάρισμα για V=200 m/s. Fx Fc Fy Fkn Fz Fkt 2παρειών παρειών Σύγκριση αντίρροπου φραιζαρίσματος με κύλιση, Hcu0.12 για ταχύτητες V=120 m/s και V=200 m/s για απόβλιττο δύο παρειών. Στο σημείο αυτό θα γίνει σύγκριση για διαφορετικές ταχύτητες αλλά ίδιες προώσεις σε αντίρροπο φρεζάρισμα, γρήγορα γίνετε αντιληπτό από τα διαγράμματα ότι η κύρια δύναμη κοπής μειώνετε με την αύξηση της ταχύτητας κοπής από τα 120 m/s στα 200 m/s, αυτό είναι συνέπεια της άνοδος της θερμοκρασίας της κοπής οδηγεί σε γρήγορους ρυθμούς ανακρυστάλλωσης και σε περιορισμό της επίδρασης της ενδοτράχυνσης του υλικού, επί της δύναμης κοπής η οποία τοιουτοτρόπως παρουσιάζει πτωτική πορεία μεταβολής. Αυτό δεν επηρεάζει την αντοχή της 51

55 επικάλυψης σκληρομετάλλου TialN λόγο της πολύ χαμηλής θερμικής αγωγιμότητάς της. Εικόνα 6.12: Σύγκριση κύριας δύναμης κοπής για απόβλιττο δύο παρειών και hcu=0.12 για ταχύτητες v=120 m/s και v=200 m/s. Εικόνα 6.12: Σύγκριση δύναμης Fkn για απόβλιττο δύο παρειών και Hcu=0.12 για ταχύτητες κοπής v=120 m/s και v=200 m/s. 52

56 Πίνακας μέγιστων δυνάμεων για V=120 m/s και V=200 m/s για hcu0.12 αποβλίττου δύο παρειών. Fx Fc Fy Fkn Fz Fkt V= V= Σύγκριση αντίρροπου φραιζαρίσματος με κύλιση Hcu0.12 για ταχύτητες V=120 m/s και V=200 m/s για απόβλιττο τριών παρειών. Όμοια αποτελέσματα μπορούν να παρατηρηθούν και σε αυτή την προσομοίωση η μόνη διαφορά με πριν είναι ότι εδώ έχουμε απόβλιττο τριών παρειών και όχι δυο όπως στην προηγούμενη.οι μέγιστες δυνάμεις φένονται στον πίνακα αμέσως μετά τα διαγράμματα. Εικόνα 6.13: Σύγκριση κύριας δύναμης κοπής κατά το αντίρροπο φραιζάρισμα με κύλιση για απόβλιττο τριών παρειών με hcu=0.12 και ταχύτητες κοπής v=120 m/s και v=200 m/s. 53

57 Εικόνα 6.14 Σύγκριση δύναμης Fkn κατά το αντίρροπο φραιζάρισμα με κύλιση για απόβλιττο τριών παρειών με hcu=0.12 και ταχύτητες κοπής v=120 m/s και v=200 m/s. Μέγιστες δυνάμεις για απόβλιττο τρειών παρειών για τις ταχύτητες V=120 m/s και V=200 m/s. Fx Fc Fy Fkn Fz Fkt V= V= Σύγκριση αντίρροπου φραιζαρίσματος με κύλιση hcu0.12 και hcu 0.2 για απόβλιττο δύο και τριών παρειών. Στο σημείο αυτό θα σχολιασθεί στο πως επιδρά το απαραμόρφωτο πάχος αποβλίττου στις δυνάμεις κοπής. Μέσω ανύψωσης της πρόωσης, μεγαλώνουν οι διατομές των αποβλίττων, τα μήκη τους, και πιθανός ο αριθμός των οδοντοστηλών που συγχρόνως εμπλέκονται στην κοπή. Είναι επομένος αναμενόμενο να αυξηθεί και η δύναμη κοπής κατά την κατεργασία του φραιζαρίσματος. Πρέπει αν ειπωθεί πως το απαραμόρφωτο πάχος αποβλίττου είναι άμεσα συνδεδεμένο με την πρόωση, για να πετύχουμε αυτά τα πάχη αποβλίττου οι προώσεις που προκύπτουν από τις εξισώσεις που παρουσιάστηκαν σε προηγούμενο κεφάλαιο είναι 301 mm/min και

58 mm/min αντίστοιχα.τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων παρουσιάζονται παρακάτω. Εικόνα 6.15: Επίδραση του απαραμόρφωτου πάχους αποβλίττου στην κύρια δύναμη κοπής για αντίρροπο φραίζαρισμα με κύλιση δύο παρειών για v=120 m/s. Εικόνα 6.16: Επίδραση του απαραμόρφωτου πάχους αποβλίττου στην κύρια δύναμη κοπής για αντίρροπο φραιζάριμα με κύλιση τριών παρειών για v=120 m/s. 55

59 7. Επίδραση hcu και ταχύτητας κοπής στην θερμοκρασία επικάλυψης σκληρομετάλλου κατά το φραιζάρισμα με κύλιση. Για κάθε μια από τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν εξάχθηκαν τα αποτελέσματα που αφορούν τις θερμοκρασίες που αναπτήσονται, όπως αναφέραμαι οι παράμετροι τις οποίες μεταβάλαμε ήταν το απαραμόρφωτο πάχος αποβλίττου αρχικά και μετά η ταχύτητα κοπής.επιπλέον μελετήθηκαν και οι διαφορές που υπάρχουν μεταξύ αντίρροπου και ομόρροπου φραιζαρίσματος με κύλιση. Αρχικά όμως θα δούμε την κατανομή θερμοκρασίας πάνω στο εργαλείο κατά την διάρκεια της προσομοίωσης. Εικόνα 7.1: Κατανομή θερμοκρασιακού πεδίου στην επιφάνεια αποβλίττου. Γίνετε αντιληπτό από τις εικόνες 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 πως η μέγιστη θερμοκρασία που αναπτύσσεται στην επιφάνεια αποβλίττου είναι πλησίον της ακτίνα καμπυλότητας που έχει το εργαλείο, επιπλεόν οι θερμοκρασία που αναπτύσσεται 56

60 Εικόνα 7.2: Κατανομή θερμοκρασιών στην κεφαλή και στις παρειές. Εικόνα 7.3: Εξέλιση της κατανομής της θερμοκρασίας επί της επιφάνειας αποβλίττου. 57