ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Во время механической обработки результирующая температура оказывает более широкое и критическое влияние на производительность обработки. Во время обработки потребляемая мощность в основном преобразуется в тепло вблизи режущей кромки инструмента. Почти вся работа, выполняемая при пластической деформации, превращается в тепло. Исследователи приложили много усилий для измерения температуры резания во время обработки, поскольку это существенно влияет на срок службы инструмента и общую производительность обработки. Цель работы: исследовать температуру на поверхности раздела стружка–инструмент с учетом влияния параметров резания и типа покрытия инструмента при точении SS304. Температура на границе раздела стружка–инструмент измеряется путем изменения скорости резания и подачи при постоянной глубине резания твердосплавными инструментами без покрытия; с однослойным покрытием TiAlN и многослойным покрытием TiN/TiAlN, нанесёнными методом осаждения паров (PVD). Кроме того, предпринята попытка разработать модель для прогнозирования температуры на границе раздела стружка–инструмент с использованием размерного анализа и моделирования на основе ИНС для лучшего понимания процесса. Методы исследования. Эксперименты проводили при изменении скорости резания (140…260 м/мин) и подачи (0,08…0,2 мм/об), но при сохранении постоянной глубину резания, равной 1 мм. Температуру на границе раздела стружка-инструмент измеряли с использованием принципа термопары для обработки инструмента. Калибровочная установка (Calibration Setup) предназначена для установления взаимосвязи между создаваемой электродвижущей силой (ЭДС) и температурой резания во время обработки. Для прогнозирования температуры на границе раздела стружка–инструмент был проведен статистический размерный анализ и построена модель на основе искусственных нейронных сетей. Тангенциальная сила резания и характеристики стружки, такие как ширина и толщина, также измерялись при различных условиях резания, что является необходимым при моделировании размерного анализа. Результаты и их обсуждение. Твердосплавный инструмент с PVD-покрытием из TiAlN имел более низкую температуру на границе раздела стружка–инструмент, чем инструмент с покрытием из TiN/TiAlN. Было замечено, что температура на границе раздела стружка–инструмент заметно возрастает с увеличением скорости резания, площадью поперечного сечения стружки и удельного давления резания. Однако меньшая сила резания наблюдалась при использовании твердосплавного инструмента с многослойным покрытием TIN/TiAlN, что можно объяснить более низким коэффициентом трения, создаваемым передней поверхностью этого инструмента для стекающей стружки. Вместе с тем наибольшая сила резания наблюдалась при использовании твердосплавного инструмента без покрытия. Было отмечено, что разработанные модели позволяют прогнозировать температуру на границе стружка–инструмент с абсолютной погрешностью 5 %. Однако наименьшая средняя абсолютная погрешность в 0,78 % наблюдалась в модели, построенной с использованием ИНС и, следовательно, может быть надежно использована для прогнозирования температуры интерфейса стружка–инструмент во время точения SS304.

1. Grzesik W. Experimental investigation of the cutting temperature when turning with coated indexable inserts // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 1999. – Vol. 39, iss. 3. – P. 355–369. – DOI: 10.1016/S0890-6955(98)00044-3.

2. Grzesik W. The role of coatings in controlling the cutting process when turning with coated indexable inserts // Journal of Materials Processing Technology. – 1998. – Vol. 79, iss. 1–3. – P. 133–143. – DOI: 10.1016/S0924-0136(97)00491-3.

3. Pal A., Choudhury S.K., Chinchanikar S. Machinability assessment through experimental investigation during hard and soft turning of hardened steel // Procedia Materials Science. – 2014. – Vol. 6. – P. 80–91. – DOI: 10.1016/j.mspro.2014.07.010.

4. Abhang L.B., Hameedullah M. Chip-tool interface temperature prediction model for turning process // International Journal of Engineering Science and Technology. – 2010. – Vol. 2, iss. 4. – P. 382–393.

5. Alvelid B. Cutting temperature thermo-electrical measurements // Annals of CIRP. – 1970. – Vol. 18. – P. 547–554.

6. Chinchanikar S., Choudhury S.K. Evaluation of chip-tool interface temperature: effect of tool coating and cutting parameters during turning hardened AISI 4340 steel // Procedia Materials Science. – 2014. – Vol. 6. – P. 996–1005. – DOI: 10.1016/j.mspro.2014.07.170.

7. Chinchanikar S., Choudhury S.K., Kulkarni A.P. Investigation of chip-tool interface temperature during turning of hardened AISI 4340 alloy steel using multi-layer coated carbide inserts // Advanced Materials Research. – 2013. – Vol. 701. – P. 354–358. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.701.354.

8. Effects of working parameters on performance characteristics of cutting tools processed through powder metallurgy under turning operation / T. Panneerselvam, T.K. Kandavel, S.A. Sreenivas, S. Karthik, M.M. Andru // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2021. – Vol. 30, iss. 4. – P. 2890–2898. – DOI: 10.1007/s11665-021-05622-6.

9. A numerical model to obtain temperature distribution during hard turning of AISI 52100 steel / P.S. Bapat, P.D. Dhikale, S.M. Shinde, A.P. Kulkarni, S.S. Chinchanikar // Materials Today: Proceedings. – 2015. – Vol. 2, iss. 4–5. – P. 907–914. – DOI: 10.1016/j.matpr.2015.07.150.

10. Dhar N.R., Ahmed M.T., Islam S. An experimental investigation on effect of minimum quantity lubrication in machining AISI 1040 steel // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2007. – Vol. 47, iss. 5. – P. 748–753. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2006.09.017.

11. Anagonye A.U., Stephenson D.A. Modeling cutting temperatures for turning inserts with various tool geometries and materials // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2002. – Vol. 124, iss. 3. – P. 544–552. – DOI: 10.1115/1.1461838.

12. Modern coatings in high performance cutting applications / W. Kalss, A. Reiter, V. Derflinger, C. Gey, J.L. Endrino // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2006. – Vol. 24, iss. 5. – P. 399–404. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2005.11.005.

13. Grzesik W., Nieslony P. Coupled thermo-mechanical FEM-based modelling of the tool-chip contact behaviour for coated cutting tools // International Journal of Machining and Machinability of Materials. – 2012. – Vol. 11, iss. 1. – P. 20–35. – DOI: 10.1504/IJMMM.2012.044920.

14. Jiang F., Yan L., Rong Y. Orthogonal cutting of hardened AISI D2 steel with TiAlN-coated inserts – simulations and experiments // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2013. – Vol. 64. – P. 1555–1563. – DOI: 10.1007/s00170-012-4122-3.

15. Grzesik W., Nieslony P. Prediction of friction and heat flow in machining incorporating thermophysical properties of the coating-chip interface // Wear. – 2004. – Vol. 256, iss. 1–2. – P. 108–117. – DOI: 10.1016/S0043-1648(03)00390-9.

16. Knight W.A., Boothroyd G. Fundamentals of metal machining and machine tools. – CRC Press, 2005. – 602 p. – ISBN 9781138502246.

17. Whitney E.D. Ceramic cutting tools: materials, development and performance. – William Andrew, 2012. – 381 p. – ISBN 9780815516316.

18. Drucker D.C., Ekstein H. A dimensional analysis of metal cutting // Journal of Applied Physics. – 1950. – Vol. 21, no. 2. – P. 104–107. – DOI: 10.1063/1.1699607.

19. Sekulic S. Investigation of tangential forces in metal cutting by dimensional analysis // Periodica Polytechnica Mechanical Engineering. – 1976. – Vol. 20, no. 2. – P. 55–64.

20. Naderpour H., Kheyroddin A., Amiri G.G. Prediction of FRP-confined compressive strength of concrete using artificial neural networks // Composite Structures. – 2010. – Vol. 92, no. 12. – P. 2817–2829. – DOI: 10.1016/j.compstruct.2010.04.008.

21. Kulkarni A.P., Sargade V.G. Characterization and performance of AlTiN, AlTiCrN, TiN/TiAlN PVD coated carbide tools while turning SS 304 // Materials and Manufacturing Processes. – 2015. – Vol. 30, no. 6. – P. 748–755. – DOI: 10.1080/10426914.2014.984217.