2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ Μέθοδοι παραγωγής λεπτών σκληρών επικαλύψεων με φυσική εναπόθεση ατμών

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 όσον αφορά τις διαδικασίες της επικάλυψης. Μια από τις διαδικασίες αυτές είναι η Φυσική Εναπόθεση Ατμών (PVD), κατά την οποία γίνεται αποδόμηση των στόχων μέσω βομβαρδισμού ή ηλεκτρικών μικροεκκενώσεων και εναπόθεση ιόντων επί των προς επικάλυψη αντικειμένων. 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 κατασκευαστές επικαλύψεων, προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση των κοπτικών πλακιδίων, πειραματίζονται με νέους βελτιωμένους τρόπους εναπόθεσης επικαλύψεων, διότι οποιαδήποτε αλλαγή στη μέθοδο, στο χρόνο παρασκευής καθώς και στην χημική σύσταση μπορεί να μεταβάλει ποικιλοτρόπως τις μηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων καθώς και την απόδοση τους κατά την διάρκεια της κοπής. ~ 1 ~

Οι μηχανικές ιδιότητες των PVD επικαλύψεων που αναφέρθηκαν παραπάνω, η καλή συνάφεια και συνοχή καθώς και τα μέτρα ελαστικότητας, πλαστικότητας, όπως και τα όρια διαρροής και θραύσης επηρεάζονται κυρίως από τη χημική σύσταση της επικάλυψης, τις μεθόδους και το χρόνο παρασκευής, τη μικροδομή της επιφάνειας, την χημική σύσταση του υποστρώματος, την επιφανειακή προετοιμασία του υποστρώματος κτλ. Με σκοπό να προσδιοριστούν οι μηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων, χρησιμοποιήθηκαν δοκιμασίες σε μία μεγάλη παρτίδα πλακιδίων των οποίων η κύρια διαφορά των οποίων είναι η διαφορετική χημική σύσταση της επικάλυψης. Οι δοκιμασίες αυτές είναι: Δοκιμασία νανοδιείσδυσης (nanoindentation) Δοκιμασία πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης (impact test) Δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες (θερμό impact test) Έλεγχος συνάφειας μέσω εισβολής Σκληρομέτρηση (Rockwell) και Τραχυμέτρηση Στην παρούσα εργασία, αφού προσδιορίστηκαν οι διάφορες ιδιότητες των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων, ακολούθησε μια σειρά πειραμάτων σε μεγάλο εύρος συνθηκών κοπής για την κατεργασία ανοξείδωτου χάλυβα τύπου AISI 304L με τη μέθοδο του αντίρροπου περιφερικού φρεζαρίσματος, ώστε να μπορούμε να έχουμε μία πλήρη εικόνα των δυνατοτήτων των κοπτικών πλακιδίων όσων αφορά την κατεργασία του συγκεκριμένου αυτού υλικού. Για περεταίρω στοιχεία πέραν από τη φθορά των πλακιδίων, όπως τις τάσεις και τα θερμοκρασιακά πεδία που αναπτύσσονται κατά την κοπή, χρησιμοποιήθηκε και η προσομοίωση της διαδικασίας με τη βοήθεια των πεπερασμένων στοιχείων. ~ 2 ~

2. ΣΤΑΘΜΗ ΓΝΩΣΕΩΝ 2.1. Μέθοδοι παραγωγής λεπτών σκληρών επικαλύψεων με φυσική εναπόθεση ατμών Η δομή και οι ιδιότητες μια επικάλυψης εξαρτώνται κυρίως από την διαδικασία εναπόθεσής της. Οι κυριότερες τεχνολογίες, που χρησιμοποιούνται σήμερα για την παραγωγή επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων, είναι η Χημική Εναπόθεση Ατμών(CVD) και η Φυσική Εναπόθεση Ατμών(PVD). Το κυριότερο χαρακτηριστικό της Χημικής Εναπόθεσης και ταυτόχρονα το μειονέκτημά της είναι η υψηλή θερμοκρασία, που απαιτείται για να εναποτεθεί η επικάλυψη πάνω στο υπόστρωμα η οποία μπορεί να φτάσει ακόμα και τους 1000 ºC. Στην περίπτωση της Φυσικής Εναπόθεσης η απαιτούμενη θερμοκρασία μειώνεται σημαντικά καθώς το εύρος στο οποίο κυμαίνεται είναι από 140 έως 500 º C, με αποτέλεσμα το υπόστρωμα να δέχεται λιγότερη θερμική καταπόνηση και κατά συνέπεια να παρουσιάζει βελτιωμένα χαρακτηριστικά. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, η PVD εναπόθεση να προτιμάται και να βρίσκει μεγαλύτερο πεδίο εφαρμογής έναντι της CVD εναπόθεσης. 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(cbn). Τα υλικά αυτά, χαρακτηρίζονται από μεγάλη σκληρότητα, χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, αυξημένη αντίσταση στη φθορά, στην οξείδωση και 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 ιόντων (ion sputtering) και φαίνονται στο σχήμα 2.1. ~ 3 ~

Σχήμα 2.1: Κύριες μέθοδοι επικάλυψης με φυσική εναπόθεση ατμών. 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 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 ~

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 στο σχήμα 2.2. Με σκοπό την αύξηση της απόδοσης του ιονισμού κοντά στον στόχο έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες τεχνικές. Μια τέτοια τεχνική η οποία είναι ουσιαστικά 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: ~ 5 ~

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. 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, Σχήμα 2.2: Διάταξη εναπόθεσης με βομβαρδισμό ιόντων (H.I.S.). ~ 6 ~

συντελώντας έτσι στο βομβαρδισμό του θετικά πολωμένου υποστρώματος με ιόντα. 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 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. Στο σχήμα 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 ~ 7 ~

Σχήμα 2.3: Ενεργειακή συνεισφορά των ιόντων εναπόθεσης χρησιμοποιώντας διάφορες μεθόδους εναπόθεσης. κοκκοβολής. Μη αγώγιμα υλικά, τα οποία είναι αδύνατο να επικαλυφθούν μέσω μεθόδων συνεχούς ρεύματος DC εξαιτίας της συσσώρευσης του φορτίου στην επιφάνεια των στόχων, επικαλύπτονται με τεχνολογία εναπόθεσης RF. Κατά την εναπόθεση RF, εφαρμόζεται εναλλασσόμενο ρεύμα με εύρος συχνοτήτων από 5 έως 30 MHz και μπορεί να εφαρμοστεί και ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ανάλογα τις ανάγκες. 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. Για την συλλογή όλων των εκπεμπόμενων σωματιδίων απαιτείται κατάλληλη τοποθέτηση του υποστρώματος. ~ 8 ~

2.2. Προσδιορισμός μηχανικών ιδιοτήτων και ιδιοτήτων κόπωσης των επικαλύψεων μέσω διαφόρων δοκιμασιών 2.2.1. 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 το στάδιο της αποφόρτισης. Κατά τη διάρκεια της 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 h p, 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 ) μπορούν να καθοριστούν οι καμπύλες τάσης ελαστοπλαστικής παραμόρφωσης των υλικών. Για τη σωστή αξιολόγηση των αποτελεσμάτων ιδιαίτερη σημασία έχει 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 ~ 9 ~

Σχήμα 2.4: Διαδικασία και τυπικό διάγραμμα νάνο-διείσδυσης μέσω εισβολέων Vickers, Berkovich καθώς και τυπική καμπύλη τάσης παραμόρφωσης. 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. 2.2.2. Δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης (impact test) Το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης (σχήμα 2.5) 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 επαναλαμβανόμενης κρούσης είναι δυνατή η πρόβλεψη της συμπεριφοράς φθοράς των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων κατά την κοπή. Ένα ακόμα ενδιαφέρον πεδίο εφαρμογής του δοκιμαστηρίου ~ 10 ~

επαναλαμβανόμενης κρούσης είναι ο προσδιορισμός της συμπεριφοράς σε ερπυσμό των παχιών επικαλύψεων που παράγονται με θερμικό ψεκασμό. Κατά τη διάρκεια της επαναλαμβανόμενης κρούσης ένας σκληρός σφαιρικός εισβολέας, συνήθως από σκληρομέταλλο, ή κεραμικό υλικό, φορτίζει κρουστικά και περιοδικά την επικάλυψη μαζί με το υπόστρωμά της. Κατά τη δοκιμή διαπιστώνεται ότι δυνάμεις μεγαλύτερες από μία κρίσιμη, οδηγούν σε θραύση της επικάλυψης, μετά από αριθμούς κρούσεων, εξαρτώμενους από το ύψος της αντίστοιχης δύναμης. 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. 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 (impact test at elevated temperatures). Αξιοποιώντας αυτή την μέθοδο, πειράματα επαναλαμβανόμενης κρούσης μπορούν να διεξαχθούν σε θερμοκρασίες μέχρι και 600º C. Απώτερος σκοπός είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς της αστοχίας της επικάλυψης σε αυτές τις θερμοκρασίες οι οποίες είναι παραπλήσιες με τις θερμοκρασίες που αναπτύσσονται κατά τη διαδικασία της κοπής. ~ 11 ~

Σχήμα 2.5: Δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης. Στη συνέχεια ακολουθεί ένα παράδειγμα που παρουσιάζει τη συμπεριφορά της αστοχίας για την επικάλυψη TINALOX μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης για διάφορες θερμοκρασίες (βλέπε σχήμα 2.6). Ο προσδιορισμός της αστοχίας παρακολουθείται μέσω του ποσοστού αστοχίας της επικάλυψης (FR). Η αύξηση της αντοχής της επικάλυψης είναι προφανής μέχρι η θερμοκρασία να αυξηθεί περίπου στους 150º C. Το κρίσιμο φορτίο, το οποίο αντιστοιχεί σε ποσοστό αστοχίας περίπου ίσο με 3%, αυξάνει από 50 dan, που είναι για τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, σε περισσότερο από 100 dan. Περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας, πάνω από τους 150 º C, οδηγεί σε βαθμιαία μείωση του κρίσιμου φορτίου. Η μείωση αυτή φαίνεται καθαρά στις θερμοκρασίες 300º C, 400ºC και 600º C καθώς το φορτίο μειώνεται μηγραμμικά σε 50, 70 και 60 dan αντίστοιχα. ~ 12 ~

Σχήμα 2.6: Επίδραση της θερμοκρασίας στην αστοχία της επικάλυψης TINALOX κατά την επαναλαμβανόμενη κρούση σε υψηλές θερμοκρασίες καθώς και φωτογραφίες αποτυπωμάτων σε διάφορα φορτία και θερμοκρασίες. Μικροφωτογραφίες των αποτυπωμάτων μετά από 10 6 κρούσεις για ποσοστό αστοχίας FR της επικάλυψης μικρότερο του 3% παρουσιάζονται στο κάτω μέρος του σχήματος. Μετά την έναρξη της αστοχίας της επικάλυψης η αύξηση του ποσοστού αστοχίας της επικάλυψης, για την ίδια πάντοτε αύξηση ~ 13 ~

φορτίου (10 dan), είναι λιγότερο έντονη για την περιοχή των θερμοκρασιών μεταξύ των 100 º C και 200 º C σε σύγκριση με όλες τις υπόλοιπες θερμοκρασίες. Επιπλέον, η επικάλυψη στην ίδια περιοχή θερμοκρασιών μπορεί να αντέξει σε επαναληπτικές κρούσεις για μεγαλύτερη περίοδο μέχρι να έχουμε την πλήρη αστοχία (FR=100%). Μία επιπλέον παραλλαγή της επαναλαμβανόμενης κρούσης, είναι η επαναλαμβανόμενη πλάγια κρούση. Κατά τη δοκιμασία της πλάγιας κρούσης, το δοκίμιο τοποθετείται πλάγια προς τον άξονα της ατράκτου του σφαιρικού εισβολέα, υπό γωνία θ, μέσω κατάλληλης ιδιοσυσκευής όπως φαίνεται στο σχήμα 2.7. Λόγω της γωνίας θ, αναπτύσσονται κατά την κρούση, σημαντικές εφαπτομενικές δυνάμεις επί της επιφάνειας των δοκιμίων, με αποτέλεσμα η επικάλυψη να καταπονείται και να καταπονεί μέσω της διεπιφάνειάς της το υπόστρωμα, με σημαντικές, μεταξύ άλλων, διατμητικές τάσεις. Με αυτό τον τρόπο, σε μικρότερες δυνάμεις σε σχέση με την κάθετη δοκιμασία κρούσης, προκαλούνται ισοδύναμες κατά von misses τάσεις, ικανές να οδηγήσουν στην αστοχία της επικάλυψης. Η διεπιφάνεια των επικαλύψεων περιγράφεται με στοιχεία επαφής. Τα στοιχεία αυτά διαθέτουν τις στιβαρότητες (contact stiffness) CSn και CSt, στην κάθετη και την εφαπτομενική κατεύθυνση προς την επιφάνειά τους αντίστοιχα. Κατά τη λειτουργία των επικαλύψεων, στη Σχήμα 2.7: Αρχή λειτουργίας της κάθετης και πλάγιας κρούσης. ~ 14 ~

Σχήμα 2.8: Περιγραφή της αντοχής συνάφειας επικάλυψης, μέσω του λόγου CRS στιβαρότητάς της, σε κάθετη CSn και εφαπτομενική CSt κατεύθυνση προς τη διεπιφάνειά της. γενική περίπτωση της φόρτισής τους με δύναμη πλάγια στην επιφάνειά τους αυτή μπορεί να αναλυθεί σε μια κάθετη και μια εφαπτομενική συνιστώσα. Επειδή η κάθετη φόρτιση κατευθύνεται προς το υπόστρωμα, η στιβαρότητα CSn της διεπιφάνειας είναι υψηλή και σχετίζεται, κυρίως λόγω του μικρού πάχους της επικάλυψης, με αυτήν του υλικού του υποστρώματος. Η στιβαρότητα όμως στην εφαπτομενική κατεύθυνση CSt, εξαρτάται από την ποιότητα της συνάφειας. Εάν και αυτή είναι ίση με τη στιβαρότητα στην κάθετη κατεύθυνση CSn, δηλαδή εάν ο λόγος CSR (contact stiffness ratio) = CSn/CSt είναι ίσος με τη μονάδα, τότε η συνάφεια είναι ιδανική. Συνήθως ο λόγος αυτός ανάλογα με την ποιότητα της συνάφειας έχει τιμές μεταξύ του 0,01 και 0,1. 2.2.3. Έλεγχος συνάφειας μέσω εισβολής και χάραξης Μια εναλλακτική μέθοδος ελέγχου και ποσοτικοποίησης της συνάφειας εκτός της δοκιμασίας της πλάγιας κρούσης, είναι ο έλεγχος της συνάφειας μέσω εισβολής. Η διαδικασία αυτή βασίζεται στη διείσδυση με κωνικό αδαμάντινο εισβολέα τύπου Rockwell C. Στο σχήμα 2.9, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της διαδικασίας σε 2 διαφορετικά κοπτικά πλακίδια με διαφορετικές επικαλύψεις. ~ 15 ~

Σχήμα 2.9: Αποτύπωμα κατά τη δοκιμασία Rockwell C. Τα σχετικά αποτελέσματα σαρώθηκαν με λευκό φώς και παρουσιάζονται σε τρισδιάστατες παραστάσεις στο αριστερό σχήμα. Είναι εμφανές, ότι η επικάλυψη TiN ακολουθεί την παραμόρφωση του υποστρώματος από σκληρομέταλλο λόγω καλής συνάφεια, ακόμη και στην περιφέρεια του αποτυπώματος, όπου καταπονείται με αυξημένες καμπτικές τάσεις. Στην περίπτωση της επικάλυψης TiSiN όμως, λόγω ανεπαρκούς συνάφειας, η στιβάδα αποκολλάται από το υπόστρωμά της, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ρωγμών και την αστοχία της. Η αποκόλληση της στιβάδας γίνεται αντιληπτή και σε απλές μικροφωτογραφίες, όπως αυτές που είναι καταχωρημένες δεξιά στο σχήμα. Η αποκόλληση στην περιοχή της περιφέρειας του κρατήρα επηρεάζει την ανάκλαση του φωτός και τοιουτοτρόπως προκαλεί διαφορετική σκίαση της περιοχής αυτής. Στην παρατήρηση αυτή βασίζεται και η ποιοτική αξιολόγηση της συνάφειας κατά τις κατευθυντήριες οδηγίες του Συλλόγου Γερμανών Μηχανικών VDI 3198/1991 που εμφανίζεται στο σχήμα 2.10. Μη ικανοποιητική συνάφεια μπορεί να οδηγήσει σε μικρορωγμές, διαφορετικής πυκνότητας συγκέντρωσης, ανάλογα με την ποιότητά της. Εάν ~ 16 ~

Σχήμα 2.10: Αξιολόγηση της ποιότητας συνάφειας επικαλύψεων κατά VDI 3198/1991. αποκολλήσεις της στιβάδας εμφανίζονται σε περιορισμένες περιοχές, η συνάφεια μπορεί να χαρακτηρισθεί σαν ικανοποιητική ενώ σαν ανεπαρκής εάν οι δημιουργούμενες αποκολλήσεις είναι σε μεγαλύτερη έκταση γύρω από τον κρατήρα. Για να καταστεί δυνατή η ποσοτική αξιολόγηση της συνάφειας επικαλύψεων, επινοήθηκε η δοκιμή χάραξης, η αρχή της οποίας επεξηγείται στο σχήμα 2.11. Υπάρχουν δυο βασικές παραλλαγές αυτής της δοκιμής: Διαδοχικές χαράξεις με σταθερή δύναμη ανά χάραξη, αυξανόμενη στις επιμέρους διαδρομές, μέχρι την διαπίστωση έναρξης θραύσης ή αποκόλλησης της επικάλυψης. Σταδιακή αύξηση της δύναμης κατά μια διαδρομή χάραξης, μέχρι την αστοχία της επικάλυψης. Και στις δυο παραπάνω παραλλαγές, η αστοχία της επικάλυψης ανιχνεύεται μέσω αισθητήρα μικροθορύβων, που καταγράφει δημιουργούμενους ήχους κατά τη θραύση, ή την αποκόλλησης της επικάλυψης. Η ένταση ~ 17 ~

Σχήμα 2.11: Αξιολόγηση της συνάφειας μέσω της δοκιμασίας της χάραξης (scratch test). του ήχου καταγράφεται συναρτήσει της δύναμης, ή της διαδρομής χάραξης. Η δύναμη, ή αντίστοιχα η διαδρομή κατά την οποία αρχίζει η θραύση, ή η αποκόλληση της στιβάδας χρησιμοποιείται σαν το χαρακτηριστικό μέγεθος ποσοτικής αξιολόγησης της συνάφειας της επικάλυψης. Μέσω της δοκιμής αυτής, προσδιορίζεται μεν, μια κρίσιμη δύναμη ή διαδρομή, τα μεγέθη όμως αυτά είναι συνδεδεμένα με τις συνθήκες διεξαγωγής του πειράματος και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν γενικής χρήσεις ιδιότητες αντοχής της διεπιφάνειας μεταξύ της επικάλυψης και του υποστρώματός της. Επίσης δεν αποσυμπλέκεται η αντοχή του υλικού της επικάλυψης από την ποιότητα της συνάφειας, μεγέθη που επιδρούν συγχρόνως στο αποτέλεσμα της δοκιμής χάραξης. Αυτά τα προβλήματα παρακάμπτονται μέσω της δοκιμασία της πλάγιας κρούσης, η αρχή λειτουργίας προηγουμένως. ~ 18 ~ της οποίας αναπτύχθηκε

2.3. Προσδιορισμός της γεωμετρίας της κοπτικής ακμής 2.3.1. Λειτουργία της διάταξης nanofocus 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. Η συσκευή (βλέπε σχήμα 2.12) μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν απλό μικροσκόπιο της οποίας το οπτικό αποτέλεσμα παρουσιάζεται στην οθόνη ηλεκτρονικού υπολογιστή με τον οποίο είναι συνδεδεμένη η διάταξη. Για μεγαλύτερη ακρίβεια κινήσεων η τράπεζα του μικροσκοπίου κινείται κατά την διεύθυνση 2 αξόνων Χ, Υ ενώ ο φακός κινείται κατά την διεύθυνση του άξονα Ζ ώστε να γίνεται η εστίαση με την βοήθεια μηχανικής υποστήριξης με έναν μοχλό από τον εκάστοτε χειριστή. Εκτός από την λειτουργία της συσκευής σαν συμβατικό μικροσκόπιο, το nanofocus μπορεί με την χρήση κατάλληλου λογισμικού να παράγει πολλά επιπλέων αποτελέσματα για την επιφάνεια την οποία καταγράφει. 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 Σχήμα 2.12: Συσκευή nanofocus. ~ 19 ~

Σχήμα 2.13: Βασική αρχή της ομοεστιακής μέτρησης. πληροφοριών και η παρουσίαση τους σαν μια ενιαία τρισδιάστατη επιφάνεια. Ο χειριστής 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. Στο Σχήμα 2.13 φαίνεται η βασική αρχή της διάταξης. 2.3.2. Υπολογισμός πάχους επικάλυψης επιφάνειας κοντά στην κοπτική ακμή Το πάχος της επικάλυψης είναι ένα σημαντικό μέγεθος που πρέπει να γνωρίζουμε πριν από κάθε πείραμα με τα κοπτικά πλακίδια. Μια μέθοδος που ακολουθείται κατά κόρων είναι η μέθοδος της κρατήρωσης (KALOTCHEN) κατά την οποία μία σφαίρα καθορισμένης διαμέτρου ρ=20mm περιστρεφόμενη από ένα κινητήριο κύλινδρο έρχεται σε επαφή με την προς εξέταση επιφάνεια. Ως μέσο για την αποφλοίωση της επιφάνειας χρησιμοποιείται διαμαντόσκονη. Η περιστροφή συνεχίζεται καθ όλη την διάρκεια και για αρκετό χρόνο που επαρκεί για την αποκάλυψη του υποστρώματος του πλακιδίου. Μόλις αποκαλυφθεί το υπόστρωμα, η περιστροφή σταματάει. Στη συνέχεια, το πλακίδιο τοποθετείται στη τράπεζα ~ 20 ~

Σχήμα 2.14: Δείγματα αποτυπωμάτων με την μέθοδο της κρατήρωσης (KALOTCHEN) μέσω της διάταξης nanofocus συγκράτησης της διάταξης nanofocus, η οποία σαρώνει δισδιάστατα επίπεδα με βηματική καταγραφή των περιοχών της επιφάνειας και με χρήση κατάλληλου λογισμικού γίνεται σύνθεση μίας τρισδιάστατης εικόνας (σχήμα 2.14) που μας επιτρέπει να μετρήσουμε το βάθος του κρατήρα. 2.3.3. Προσδιορισμός ακτίνας καμπυλότητας στις κοπτικές ακμές Μέσω της διάταξης nanofocus είναι δυνατόν να προσδιοριστεί η ακτίνα καμπυλότητας των πλακιδίων στις κοπτικές τους ακμές. Με τη χρήση μιας ιδιοσυσκευής εξασφαλίζεται η σύμπτωση της διχοτόμου του κοπτικού σφήνα με την φορά κίνησης του φακού, κάθετα δηλαδή στο οριζόντιο επίπεδο. Η συσκευή αναπαράγει τις τρισδιάστατες εικόνες (βλέπε σχήμα 2.15) με την μέθοδο που προαναφέρθηκε. Σημαντικό είναι να καθαριστούν τα πλακίδια πριν την τοποθέτησή τους στην συσκευή ώστε να αποφευχθεί οποιαδήποτε Σχήμα 2.15: Σύνθεση τρισδιάστατης επιφάνειας κοπτικής ακμής από την διάταξη Nanofocus ~ 21 ~

Σχήμα 2.16: Παράδειγμα προσέγγισης των παρειών με ευθείες με τη βοήθεια του λογισμικού για τον υπολογισμό της γωνίας β. απόκλιση ή παρερμήνευση της εικόνας που λαμβάνεται. Στη συνέχεια το τρισδιάστατο αποτέλεσμα αναπαριστάται σε δύο διαστάσεις με τη βοήθεια τομών για την μελέτη του προφίλ. Ενδεικτικά στο Σχήμα 2.16 φαίνεται μια χαρακτηριστική τομή. Αρχικά γίνεται έλεγχος για τη γωνία του κοπτικού σφήνα. Οι παρειές προσεγγίζονται με ευθείες με τη Σχήμα 2.17: Προσέγγιση ακτίνας καμπυλότητας με την βοήθεια λογισμικού. ~ 22 ~

Σχήμα 2.18: Παράδειγμα υπολογισμού του μέσου όρου της ακτίνας καμπυλότητας πλακιδίου με τη χρήση της διάταξης Nanofocus. βοήθεια του λογισμικού. Όπως φαίνεται από το σχεδιάγραμμα η γωνία β είναι ίση με το παραπληρωματικό άθροισμα των δύο γωνιών που φαίνονται στο σχεδιάγραμμα: β = 180- (a 0 +a 1 ) γεγονός που υποδηλώνει ότι οι επιφάνειες αναφοράς είναι σωστές. Στη συνέχεια προσεγγίζεται πάλι με τη βοήθεια του λογισμικού η ακτίνα καμπυλότητας όπως φαίνεται Σχήμα 2.17. 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 όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.18. 2.3.4. Τραχυμέτρηση Ακόμα μια σημαντική τιμή των ιδιοτήτων του πλακιδίου είναι η μέτρηση της τραχύτητας της κοπτική ακμής του πριν και μετά την χρήση του. Από τις εικόνες που παίρνουμε με την χρήση της διάταξης nanofocus μπορούμε να υπολογίσουμε και την τραχύτητα της κοπτικής ακμής με την χρήση κατάλληλου λογισμικού. Αποτύπωση της τραχύτητας ενός κοπτικού πλακιδίου φαίνεται στο Σχήμα 2.19. Η τραχύτητα της επιφάνειας ενός κοπτικού εργαλείου παίζει σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη της φθοράς στην κοπτική του ακμή. Όσο μεγαλύτερη τραχύτητα εμφανίζει η επιφάνεια του, τόσο μεγαλώνει ο συντελεστής τριβής, με αποτέλεσμα να μεγαλώνουν και οι δυνάμεις καθώς και οι τάσεις που αναπτύσσονται σε αυτό. Επίσης όσο αυξάνει ο συντελεστής τριβής, έχουμε ~ 23 ~

Σχήμα 2.19: Τραχύτητα κοπτικού πλακιδίου πριν να χρησιμοποιηθεί ανάπτυξη θερμοκρασιών στις επιφάνειες λόγω αύξησης της τριβής, με αποτέλεσμα να θεωρούμε την ύπαρξη τραχύτητας μη επιθυμητή. 2.4. Περιφερικό φρεζάρισμα και φθορά κοπτικών πλακιδίων Το περιφερικό φρεζάρισμα αποτελεί μια από τις κυριότερες μηχανικές κατεργασίες αφαίρεσης υλικού, για την κατασκευή μεγάλου αριθμού διαφόρων εξαρτημάτων. Πολλές εργασίες στο παρελθόν απαιτούσαν εξειδικευμένα άτομα με ιδιαίτερα χαρίσματα και εμπειρία, τώρα όμως με τη ραγδαία εξέλιξη της επιστήμης των ηλεκτρονικών υπολογιστών οι εργασίες αυτές έχουν αυτοματοποιηθεί και βελτιστοποιηθεί σε εξαιρετικά μεγάλο βαθμό με τη χρήση ψηφιακά καθοδηγούμενων μονάδων. Πλέον οι δυνατότητες ψηφιακά καθοδηγούμενων μονάδων κατά το περιφερικό φρεζάρισμα είναι πάρα πολλές και η ακρίβεια που μπορεί να επιτευχθεί είναι της τάξεως μερικών μικρομέτρων. Το γεγονός ότι η κατεργασία γίνεται αυτόματα μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή που βρίσκεται ενσωματωμένος στο σύστημα, όχι μόνο καθιστά την εργασία πιο εύκολη και πιο άνετη, αλλά επιπλέον εξασφαλίζει στο χρήστη τη δυνατότητα της μελέτης και του προγραμματισμού πολύπλοκων κατεργασιών που δεν θα μπορούσαν να διεξαχθούν σε μια συμβατική εργαλειομηχανή. Ένα κύριο χαρακτηριστικό των κέντρων κατεργασίας είναι η κίνηση που μπορούν να κάνουν τα διάφορα μέλη τους. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας θα επικεντρωθούμε μόνο σε τριαξονικά κέντρα κατεργασίας η κινηματική των οποίων εμφανίζεται στο σχήμα 2.20. Η τράπεζα της φρέζας μπορεί και κινείτε ~ 24 ~

Σχήμα 2.20: Κινηματική τριαξονικού κέντρου κατεργασίας. κατά τη διεύθυνση δύο αξόνων του Χ και του Υ. Το εργαλείο εκτός από την περιστροφική κίνηση που εκτελεί, έχει και την δυνατότητα να κινείτε κατά την διεύθυνση του κάθετου άξονα Ζ. Οι κίνηση της φρέζας σε όλες τις διευθύνσεις γίνεται μέσω πεπιεσμένου αέρα που παρέχεται στο σύστημα μέσω ενός συμπιεστή. Για να παρέχεται μόνο ξηρός αέρας στο σύστημα της φρέζας, υπάρχει και ένας αφυγραντήρας συνδεμένος σε σειρά με τον συμπιεστή. Το περιφερικό φρεζάρισμα με τη σχετική κίνηση προώσεως του τεμαχίου ως προς την περιστροφική κίνηση του εργαλείου διακρίνεται σε δύο κατηγορίες, το ομόρροπο και το αντίρροπο. Το πάχος του αποβλίττου δεν διατηρείται σταθερό αλλά επηρεάζεται από την επιλογή της κινηματικής. Έτσι μεταβάλλεται από μηδενικό σε μέγιστο κατά το αντίρροπο φρεζάρισμα 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. Η κινηματική του φρεζαρίσματος που χρησιμοποιήθηκε σε αυτά τα πειράματα παρουσιάζεται στο σχήμα 2.21. Η αξιολόγηση των εξεταζόμενων επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων ~ 25 ~

Σχήμα 2.21: Κινηματική του φρεζαρίσματος. γίνεται βάσει του αριθμού των κοπών που επιτυγχάνει το καθένα μέχρι κάποιο προκαθορισμένο κριτήριο φθοράς. Η διαδικασία της μέτρησης περιλαμβάνει την λήψη φωτογραφιών, τόσο της επιφάνειας αποβλίττου, όσο και της επιφάνειας ελευθερίας του αποβλίττου. Η λήψη γίνεται με ενσωματωμένη κάμερα σε οπτικό μικροσκόπιο σε συγκεκριμένη μεγέθυνση. Η αξιολόγηση της φθοράς γίνεται με επεξεργασία των φωτογραφιών με κατάλληλο λογισμικό. 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= Fz= L fz (1) z h(φ ) sin(φ ) * sin(κ) (2) 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. ~ 26 ~

3. ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ ΚΑΙ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΚΟΠΤΙΚΗΣ ΑΚΜΗΣ Για την ορθή αξιολόγηση των πειραμάτων θεωρήθηκε πρέπον να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά στοιχεία των κοπτικών πλακιδίων, όσον αφορά τις μηχανικές τους ιδιότητες αλλά και τη γεωμετρία τους. Αρχικά, προσδιορίστηκε η πλήρης γεωμετρία της κοπτικής ακμής των κοπτικών πλακιδίων μέσω της διάταξης nanofocus όπως φαίνεται στο σχήμα 3.1. Τα κοπτικά πλακίδια εμφάνιζαν μία ιδιαιτερότητα καθώς εκτός από την κλασική ακτίνα καμπυλότητας που μετρήθηκε ότι είναι 8 μm, υπήρχε και πλαγιότμηση (chamfer) μήκους 85μm ανάμεσα στην επιφάνεια αποβλίττου και την επιφάνεια ελευθερίας. Η πλαγιότμηση είναι ένα κατασκευαστικό τέχνασμα ώστε να αυξηθεί η αντοχή της κόψης του κοπτικού πλακιδίου. Στη συνέχεια μετρήθηκε το πάχος της επικάλυψης σε όλα τα πλακίδια με τη μέθοδο της κρατήρωσης (KALOTCHEN). Το αποτέλεσμα φαίνεται στο σχήμα 3.2. Από τις μετρήσεις φαίνεται ότι το πάχος της επικάλυψης είναι περίπου 3 μm και δεν διαφέρει σημαντικά από πλακίδιο σε πλακίδιο ώστε να επηρεάζεται η απόδοσή τους. Τέλος, όσων αφορά τη γεωμετρία του πλακιδίου, μετρήθηκε η τραχύτητα τους και τα αποτελέσματα φαίνονται στο σχήμα 3.3. Σχήμα 3.1: Μέτρηση γεωμετρία της κοπτικής ακμής μέσω της διάταξης nanofocus. ~ 27 ~

Σχήμα 3.2: Μέτρηση του πάχους της επικάλυψης αδαμαντόσκονης και διάμετρο σφαίρας 20mm. με χρήση Όσον αφορά τις μηχανικές ιδιότητες των κοπτικών πλακιδίων πρώτα έγιναν πειράματα για να προσδιοριστεί η συνάφεια την επικάλυψης με το υπόστρωμα αυτών με τη μέθοδο Rockwell C. Καλύτερη συνάφεια από τα υπόλοιπα φαίνεται να έχουν τα διστρωματικά κοπτικά πλακίδια TiSiN7%TiAlN και TiSiN14%-TiAlN, ενώ την χειρότερη συνάφεια παρουσιάζουν τα κοπτικά πλακίδια με επικάλυψη TiAlSiN και TiAlN. Σε γενικές γραμμές όμως, τα κοπτικά πλακίδια παρουσιάζουν καλή συνάφεια όπως φαίνεται στο σχήμα 3.4. Ένας επιπλέον έλεγχος της συνάφειας της επικάλυψης των κοπτικών πλακιδίων με τον οποίο πήραμε πιο ολοκληρωμένα αποτελέσματα έγινε μέσω του πειράματος της πλάγιας δοκιμασίας της κρούσης (inclined impact test) τα Σχήμα 3.3: Μέση τιμή (Rt) και ελάχιστη τιμή (Ra) της τραχύτητας των κοπτικών πλακιδίων. ~ 28 ~

Σχήμα 3.4: Έλεγχος συνάφειας των κοπτικών πλακιδίων με την μέθοδο Rockwell C. αποτελέσματα του οποίου παρουσιάζονται στο σχήμα 3.5. Τα αποτελέσματα αυτά συμπίπτουν με τα αποτελέσματα που εξήχθησαν από το πείραμα Rockwell C. Το τελικό πείραμα που πραγματοποιήθηκε για να διερευνηθούν οι μηχανικές ιδιότητες των κοπτικών πλακιδίων είναι το πείραμα της Σχήμα 3.5: Αποτελέσματα της διαδικασίας της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης. ~ 29 ~

Σχήμα 3.6: Αποτελέσματα πλακίδια. πειράματος νανοδιείσδυσης Σχήμα 3.7: Καμπύλες τάσης παραμόρφωσης επικαλύψεων των κοπτικών πλακιδίων. ~ 30 ~ των στα κοπτικά διαφορετικών

νανοδιείσδυσης, με τη βοήθεια του οποίου εξάγονται καμπύλες τάσης παραμόρφωσης των κοπτικών πλακιδίων. Τα αποτελέσματα από το πείραμα της νανοδιείσδυσης παρουσιάζεται στο σχήμα 3.6 ενώ οι καμπύλες τάσης παραμόρφωσης παρουσιάζονται στο σχήμα 3.7. ~ 31 ~