Трибологические свойства фрез, работающих в условиях сплошного резания

МАШИНОСТРОЕНИЕ /MECHANICAL ENGINEERING

EDN:

Вятский государственный университет,г. Киров, Российская Федерация, н

Vyatka State University,Kirov, Russian Federation,

Применение современного высокопроизводительного и дорогостоящего оборудования для металлообработки, оснащенного системами числового программного и адаптивного управления, особенно в контексте гибких автоматизированных производств и мехатронных систем, обусловливает более строгие требования к качеству и надежности режущих инструментов, а также усложняет условия их эксплуатации. Наблюдается увеличение расхода инструмента на единицу продукции и рост затрат, которые могут достигать 4–7 % от общего бюджета на производство изделий1. Следовательно, улучшение эксплуатационных характеристик режущих инструментов за счет увеличения их стойкости, надежности и производительности становится ключевым фактором, способствующим повышению общей эффективности производственного процесса [1].

На сегодняшний день машиностроение и металлообрабатывающая промышленность стремительно развиваются, внедряются новые технологии и материалы, что требует непрерывного совершенствования режущих инструментов. В условиях повышенной конкуренции и необходимости сокращения времени производства, оптимизация процессов обработки металлов становится неотъемлемой частью стратегий развития предприятий. В связи с этим создание и изучение новых типов покрытий для режущих инструментов, обладающих улучшенной поверхностной износостойкостью, а также высокими физико-механическими свойствами, имеет высокую значимость [2]. Направленное изменение характеристик покрытий путем изменения их состава, структуры и микроструктуры, а также изменение способов и режимов нанесения позволяет улучшить контактные свойства в процессе резания2 [3; 4].

Проектирование новых составов и архитектур поверхностных покрытий невозможно без изучения контактных процессов, возникающих в условиях работы режущего инструмента. Таким образом, целью работы является исследование трибологических характеристик концевых твердосплавных фрез методом экспресс-тестирования при сухом трении скольжения всей периферией режущей части.

При этом необходимо изучить влияние осевой нагрузки на силу трения, возникающую при полном контакте поверхностей режущей части концевых твердосплавных фрез, и на характер степени износа рабочих поверхностей инструментов.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Современные технологии нанесения покрытий, такие как физико-химическое и химическое осаждение из паровой фазы, позволяют создавать покрытия с тонкими и однородными слоями, обладающими высокой твердостью и низким коэффициентом трения. Эти покрытия не только увеличивают износостойкость

^® ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ Том 36, № 2. 2026 инструментов, но и способствуют уменьшению теплового воздействия на обрабатываемый материал, что в свою очередь улучшает качество обработки и снижает вероятность деформаций и дефектов изделий [5]. Кроме того, инновационные материалы для покрытий, такие как нитриды и карбиды металлов, позволяют достичь оптимального баланса между твердостью и вязкостью, что является критически важным для долговечности и эффективности режущих инструментов [6–8].

Все более популярными в современных технологических процессах обработки металлов становятся концевые твердосплавные фрезы с поверхностным покрытием, предназначенные для работы с полным перекрытием [9]. В рассматриваемом виде обработки имеют место крайне сложныe факторы, включая высокие контактные напряжения и температуры, а также активное появление физико-химических процессов. В результате контактные поверхности фрезы подвергаются интенсивному износу от абразивного воздействия материала и адгезионно-усталостным, коррозионно-окислительным, диффузионным воздействиям [10]. Все описанные процессы зависят от параметров поверхностного покрытия и условий обработки, таких как скорость резания, подача и глубина реза. Ключевым фактором в повышении производительности и качества обработки является оптимизация этих параметров, что позволяет эффективно управлять теплонапряжением и механическим воздействием на фрезу [11].

В последнее время значительное внимание уделяется разработке многофункциональных покрытий, способных обеспечивать не только повышенную износостойкость, но и улучшенные антиадгезионные свойства. Это достигается за счет внедрения наноструктурированных слоев и композитных материалов, которые обладают уникальными механическими и термическими характеристиками [12]. Такие покрытия способны значительно продлить срок службы режущих инструментов, снизить потребление энергоресурсов и уменьшить затраты на обслуживание производственного оборудования [13].

Так АО «Электромашиностроительный завод «Лепсе» (г. Киров) активно занимается разработкой и внедрением в производство ограниченного ассортимента металлорежущего инструмента, который представляет собой аналог импортного, ранее применяемого на предприятии. Для оценки свойств концевых твердосплавных фрез с покрытием применяются различные методы экспресс-тестирования [14], позволяющие быстро и эффективно оценить их эксплуатационные характеристики [15–17]. Экспресс-методы позволяют оперативно получить результаты выходных параметров концевых фрез (коэффициент трения, скорость истирания покрытия) а также выявить механизмы износа и деформации поверхностей [18–20].

Особое внимание уделяется исследованию влияния различных режимов обработки на трибологические характеристики инструментов, что включает анализ влияния температуры, давления и скорости резания на развитие износоустойчивости покрытий, а также изучение взаимодействия между микро- и наноуровнями структуры покрытия и обрабатываемого материала. Понимание этих взаимосвязей позволяет создавать более эффективные покрытия, адаптированные под специфические условия эксплуатации и требования к качеству обработки [21].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объекты исследования

В ходе работы были исследованы трибологические свойства поверхностных покрытий концевых твердосплавных фрез (рис. 1), изготовленных предприятием АО «Лепсе» и предназначенных для работы при сплошном резании. Рассматриваемые инструменты имели идентичные геометрические параметры – диаметр режущей части Dc = 5h10 мм с 4 зубьями, общей длиной L = 45 мм и длиной режущей части ap = 14 мм. Это исключало влияние геометрии на результаты испытаний и обеспечивало достоверность полученных данных.

Р и с. 1. Геометрические параметры концевой фрезы

F i g. 1. Geometric parameters of the end milling cutter

Примечание: d – диаметр хвостовика, 5 мм.

Note: d – shank diameter, 5 mm.

Источник: схема для рисунка 1 была взята из технической карты АО «Лепсе».

Source: figure 1 is a scan of the technical map of JSC Lepse.

Материалы и оборудование

Элементарные составы покрытий и основного материала фрез были исследованы на поперечных срезах с использованием сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6510LV. Данный микроскоп позволил получить высокоточные изображения микроструктуры материалов, а также провести качественный и количественный анализ элементного состава методом рентгеновской энергетической дисперсионной спектроскопии.

Определение силы трения F_f происходило на оригинальной лабораторной установке для экспресс-испытаний трибологических характеристик (рис. 2), разработанной в Санкт-Петербургском политехническом университете имени Петра Великого. Данная установка позволила проводить испытания в условиях, максимально приближенных к реальным, относительно быстро и точно определять силы, возникающие при трении пар тел.

Процесс износа при сухом трении поверхностных покрытий концевых фрез проводился согласно схеме, приведенной на рисунке 3 (контртело показано в разрезе для более детального представления контактной области).

Р и с. 2. Испытательная установка для определения силы трения:

1 – ноутбук с ПО; 2 – балочный тензодатчик; 3 – приспособление; 4 – патрон настольного сверлильного станка Bosch PBD 40; 5 – измеритель-регулятор ОВЕН ТРМ202; 6 – грузы

F i g. 2. A test facility for determining the friction force:

1 - laptop with softWare; 2 - beam load cell; 3 - tool; 4 - bench-type drilling unit chuck Bosch PBD 40; 5 – measuring regulator OWEN TRM202; 6 – weights

Источник: фотографии для рисунков 2, 4 сделаны авторами статьи (г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 14.02.2025).

Source: photos for figures 2, 4 were taken by the authors of the article (St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 14.02.2025).

Р и с. 3. Схема трибологического нагружения

F i g. 3. Tribological loading scheme

Источник: рисунок 3 составлен авторами статьи в программе Компас-3D.

Source: figure 3 was made by the authors of the article using the Kompas-3D.

Для оценки степени износа поверхности концевых фрез после испытаний использовался прямой лабораторно-исследовательский микроскоп Axio Scope.A1 (рис. 4). Данный микроскоп оснащен системой цифровой обработки изображений, что позволило проводить анализ поверхности износа и определять признаки повреждений покрытия.

438 Машиностроение

Р и с. 4. Общий вид микроскопа Axio Scope.A1 F i g. 4. General view of the micros Axio Scope.A1

Процедура исследования

Концевые фрезы закреплялись в патрон 4 (рис. 2) настольного сверлильного станка Bosch PBD 40, оснащенного функцией реверсивного вращения. Использование данного станка обеспечивало возможность регулирования скорости вращения и направления вращения инструмента. Далее в приспособление 3 на подшипнике, позволяющем ему совершать вращательное движение, устанавливалось контртело. Оно представляло собой цилиндрическое тело, изготовленное из стали марки 2Х18Н10Т, с предварительно полученным отверстием, точно повторяющим периферию рабочей части исследуемых фрез. Это обеспечивало равномерное распределение нагрузок и контактных напряжений по всей поверхности контакта. После создания контакта рабочего инструмента с поверхностью отверстия осуществлялся поджим контртела в осевом направлении через редуктор при помощи грузов 6 . Вариация нагрузки возможна в диапазоне от 50 до 800 Н, что позволило исследовать трибологические свойства при различных условиях нагружения, характерных для реальных процессов резания. Приспособление 3 было соединено через тягу с балочным тензодатчиком 2 с измерением нагрузки до 200 Н. При работе установки сила трения преобразовалась в механическую деформацию сдвига тензодатчика и, в конечном итоге, в пропорциональный электрический сигнал. Этот сигнал считывался измерителем-регулятором 5 , который обеспечил высокую точность регистрации данных и возможность их последующей обработки. Обработка полученных данных осуществлялась с использованием специально разработанной для ЭВМ программы 1 . Программа выполняла преобразование полученных значений в график зависимости силы трения, F f от времени проведения испытания t , с. Это позволило наглядно представить процесс изменения силы трения в зависимости от параметров испытания и времени.

Было проведено три экспресс-испытания для инструментов при нагружении 200, 300 и 400 Н. Скорость реверсивного вращения образцов во всех испытаниях оставалась постоянной и составляла 500 мин–1. Вращательное движение позволило смоделировать условия реального процесса износа поверхностного процесса при обработке.

Так как тензодатчик обладает начальным коэффициентом передачи силы (2,5 % от рабочего коэффициента передачи по паспорту), то перед началом Mechanical engineering 439

испытаний производилась тарировка стенда при помощи прецизионного динамометра. В таблице 1 приведены соответствия значений измерителя-регулятора от приложенной нагрузки к тензобалке.

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Соответствие значений измерителя-регулятора от приложенной нагрузки к тензодатчику The correspondence of the values of the measuring-regulator from the applied load to the load cell

Приложенная нагрузка, Н / Applied load, N	Показания измерителя-регулятора, Н / Measuring-regulator readings, N
0 10 20 30 40	8 32 56 78 103

Источник: таблица 1 составлена авторами статьи.

Source: the table 1 was compiled by the authors of the article.

На рисунке 5 приведены результаты тарировки стенда, позволившие установить зависимость между нагрузкой и сигналом тензодатчика с учетом его начальных характеристик. Тарировка обеспечила максимальную точность измерений силы трения и исключение систематических погрешностей.

Р и с. 5. Зависимость показания измерителя-регулятора от приложенной нагрузки к тензодатчику

F i g. 5. Dependence of the measuring-regulator reading on the load to applied the load cell

Источник: графики для рисунков 5, 6 составлены авторами статьи в программе Microsoft Excel.

Source: the graphs for figures 5 and 6 were compiled by the authors of the article using Microsoft Excel.

Весь экспериментальный цикл был проведен в условиях комнатной температуры и влажности. Перед каждым испытанием поверхности фрез и контртел были тщательно очищены и обезжирены с использованием этилового спирта, чтобы исключить влияние загрязнений на результаты.

Наиболее важное требование, предъявляемое к рассматриваемым в работе покрытиям – стойкость в условиях изнашивания. Испытания в условиях трения скольжения позволили выявить общие закономерности поведения образцов при внешнем нагружении и сформировать рекомендации по их применению в реальных условиях эксплуатации [22].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Состав поверхностных покрытий фрез был идентичен, поскольку получен при одинаковых режимах и в одной загрузке в вакуумной камере: N – 31,17 %; Al – 29,76 %; Ti - 37,29 %; Co - 0,4 %; W - 1,38 %. Толщина поверхностного покрытия составляет единицы микрон, так как из-под покрытия «просвечивает» инструментальный материал. Процентный состав инструментальных материалов фрез (Co – 9,05 %; W – 90, 95 %) также был идентичен, что исключало вариации в материале основы.

На рисунке 6 изображены графики зависимостей силы трения от времени работы инструмента.

Время работы инструмента, с / Tool operating time, s

Время работы инструмента, с / Tool operating time, s

b)

Р и с. 6. Сила трения при различных осевых нагрузках на концевую фрезу: а) нагрузка 200 Н; b) нагрузка 300 Н

F i g. 6. Friction force at various axial loads on the end milling cutter:

a) load 200 N; b) load 300 N

Р и с. 6. Сила трения при различных осевых нагрузках на концевую фрезу: c) нагрузка 400 Н

F i g. 6. Friction force at various axial loads on the end milling cutter: c) load 400 N

Начальная фаза процесса трения: все три кривые показывают резкий рост силы трения на начальном этапе, что связано с первоначальным контактом фрезы с материалом, формированием рабочей зоны трения и начальным износом. После начального пика силы трения стабилизируются на разных уровнях в зависимости от нагрузки:

– 200 Н: сила трения стабилизируется около 2,5 ± 0,2 Н;

– 300 Н: сила трения стабилизируется на уровне приблизительно 3,5 ± 0,3 Н;

– 400 Н: сила трения достигает еще более высоких значений в 10 ± 1 Н, что указывает на усиленное трение.

На рисунке 7 изображена поверхность фрез после испытаний при разной нагрузке.

а)                                     Ь)                                     с)

Р и с. 7. Поверхность фрез после испытаний:

• а) нагрузка 200 Н; b) нагрузка 300 Н; c) нагрузка 400 Н

F i g. 7. The surface of the end milling cutters after testing:

• а) load 200 N; b) load 300 N; c) load 400 N

Источник: фотографии для рисунка 7 сделаны авторами статьи при помощи микроскопа Axio Scope.A1.

Source: The photographs for figure 7 were taken by the authors of the article using the microscope Axio Scope.A1.

442                                                             Машиностроение

Нагрузка 200 Н (рис. 7 а): зуб фрезы демонстрирует минимальный износ, сколы присутствуют на грани режущей кромки и распространяются минимально.

Нагрузка 300 Н (рис. 7 b): сколы находятся на всей режущей кромке (сферической части фрезы) фрезы и распространяются дальше, чем в первом опыте. Увеличение нагрузки привело к более интенсивному протеканию процесса износа и повышенному тепловому воздействию, что снизило твердость материала зуба.

Нагрузка 400 Н (рис. 7 c): наблюдаются значительные признаки износа, глубокие трещины и крупные сколы на режущей кромке, при протекании процесса существуют риски поломки инструмента.

ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ графиков зависимости силы трения от времени работы концевых твердосплавных фрез диаметром 5 мм из материала WC-Co с покрытием TiAlN в условиях осевого нагружения позволил выявить тенденцию к снижению силы трения при увеличении времени работы инструмента (рис. 6). В начальные этапы (30–300 секунд) сила трения достигала максимальных значений из-за формирования контактной зоны и абразивного износа при первом соприкосновении фрезы с материалом. Затем сила трения снижалась, вероятно, благодаря эффекту самозаточки или установлению оптимальных условий трения, которые уменьшили сопротивление3.

При увеличении нагрузки сила трения возрастала вследствие повышения давления в контактной зоне, что привело к снижению смазывающей способности и увеличению трения между фрезой и материалом. При нагрузке 200 (рис. 6 а) и 300 Н (рис. 6 b) трение более стабильное, но с ростом нагрузки графики показали неравномерное поведение с очевидным увеличением силы трения. При нагрузке 400 Н (рис. 6 c) заметен резкий скачок силы трения и нехарактерное для других графиков ее снижение.

Критические моменты на графиках, где сила трения резко изменяется, могут указывать на износ инструмента или появление повреждений. Резкие скачки силы трения могут свидетельствовать о критической точке износа, когда поверхностное покрытие начинает терять свои свойства.

Анализ износа зубьев фрез (рис. 7) после испытаний позволил выявить характерные особенности износа инструмента в зависимости от величины приложенной осевой нагрузки. У всех образцов присутствуют сколы частиц металла от режущих кромок. Отколы с режущих кромок могут возникать по нескольким причинам.

Во-первых, высокая механическая нагрузка на режущую кромку вызывает концентрацию напряжений, которая может превышать предел прочности материала инструмента. Эти нагрузки часто усиливаются при прерывистом резании, высоких скоростях подачи или когда инструмент используется в условиях, превышающих его расчетные параметры [23].

Во-вторых, имеет значение тепловое воздействие. При резании выделяется значительное количество тепла, которое может привести к локальному перегреву и последующей деградации материала режущей кромки. При визуальном исследовании образцов термального износа замечено не было, изменение цвета режущих кромок не обнаружено.

С повышением осевой нагрузки от 200 до 400 Н наблюдалось прогрессивное увеличение износа зубьев фрезы. Это указывает на то, что при более высоких нагрузках инструмент подвергается усиленному разрушительному воздействию, сокращая срок его службы. Нагрузка 400 Н является критической, при которой фреза может быстро выйти из строя.

Ограничением исследования является отсутствие фиксации температуры в зоне контакта режущего инструмента и контртела ввиду ограничения прямого доступа к месту измерения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной научный вклад работы заключается в получении впервые систематизированных данных о поведении силы трения и характере износа для данной комбинации инструментального материала и покрытия при указанных режимах осевого нагружения и сплошном периферийном контакте.

Покрытие TiAlN (нитрид титана и алюминия) может быть использовано для уменьшения износа инструмента благодаря своим отличным физико-химическим свойствам. Одним из ключевых преимуществ такого покрытия является его высокая термостойкость. Оно способно выдерживать температуры до 800-900 °C, что позволяет значительно снижать тепловое воздействие на основную массу инструмента. Однако размер и количество отколов на инструменте, покрытом TiAlN, могут служить индикатором некоторых проблем, таких как превышение нагрузок или дефект самого покрытия, например, его неравномерность или недостаточная толщина [24].

Перспективы дальнейших исследований связаны с расширением экспериментальной базы за счет испытаний покрытий различной архитектуры, внедрением контроля температуры в зоне контакта и разработкой математических моделей. Такие модели позволят перейти от эмпирического подбора к теоретическому прогнозированию и научно обоснованному проектированию новых функциональных покрытий режущего инструмента.