Проектирование покрытий металлорежущего инструмента на атомарном уровне

Цель работы – снизить инструментальные затраты за счет сокращения времени на проектирование покрытий  на  твердосплавном  отечественном  металлорежущем  инструменте  путем  применения  атомарно-силового подхода. Объектом исследования являются покрытия на твердом сплаве группы карбидов вольфрама, например: покрытия карбидом титана ТiC, нитридом титана ТiN, титаном Ti или нитридом сложносоставного покрытия смеси титана, хрома и алюминия (Ti,Cr,Al)N. Для выбора наиболее рациональных покрытий применен метод расчета функционалов межатомных систем с использованием функциональной плотности одиночных атомов. Наиболее простой мерой, позволяющей снизить расходы на проектирование металлорежущего инструмента для изготовления деталей, выполненных из труднообрабатываемых материалов, является разработка покрытий для данного вида инструментов. Рассмотрены различные схемы расположения атомов в материале покрытия по отношению к твердосплавному материалу ВК8. Рассчитанные величины энергии взаимодействия атомов материала покрытия между собой и с материалом твердого сплава составили от 3,04 до 3,5 Дж/м2. Установлена взаимосвязь результатов расчета с эксплуатационным параметром металлорежущего инструмента по коэффициенту трещиностойкости К1с (МПа.√м). Главным результатом проведенных исследований является то, что расчетным методом определена величина адгезии для атомов материала покрытий, указанных выше, с атомами карбида вольфрама и кобальта, уложенных в разные масштабные конфигурации. Это позволяет классифицировать покрытия с позиций обеспечения максимальных эксплуатационных свойств инструментального материала. Предполагается, что чем выше величина адгезии, тем лучше эксплуатационные свойства. Это подтверждено экспериментально и по значениям коэффициента трещиностойкости К1с. Таким образом, выбраны наиболее рациональные варианты покрытий под заданные условия эксплуатации металлорежущего инструмента, что позволяет сократить затраты на проектирование инструмента и обеспечивает возможность прогнозирования эксплуатационных свойств инструмента на этапе его проектирования.

1. Мокрицкий Б.Я., Заводинский В.Г., Гаркуша О.А. Исследование адгезионных слоев Ti, и TiN (Ti,Cr,Al)N, последовательно осаждаемых на поверхность твердого сплава WC92–Co8 // Computational Nanotechnology. 2023. T. 10. № 2. С. 53–59. https://doi.org/10.33693/2313-223X-2023-10-2-53-59. END: BOLLQP.

2. Wang Yan Alexander, Carter E.A. Orbital-free kinetic-energy density functional theory // Theoretical Methods in Condensed Phase Chemistry / eds. S.D. Schwartz. Dordrecht: Springer, 2002. Vol. 5. Р. 117–184. https://doi.org/10.1007/0-306-46949-9_5.

3. Chen Huajie, Zhou Aihui. Orbital-free density functional theory for molecular structure calculations // Numerical Mathematics Theory Methods and Applications. 2008. Vol. 1. Iss. 1. Р. 1–28.

4. Zhou Baojing, Ligneres V.L., Carter E.A. Improving the orbital-free density functional theory description of covalent materials // The Journal of Chemical Physics. 2005. Vol. 122. Iss. 4. Р. 044103–044113. https://doi.org/10.1063/1.1834563.

5. Заводинский В.Г., Горкуша О.А. На пути к моделированию больших наносистем на атомном уровне // Computational nanotechnology. 2014. № 1. 11–16.

6. Zavodinsky V.G., Gorkusha О.А. A new orbital-free approach for density functional modeling of large molecules and nanoparticles // Modeling and Numerical Simulation of Material Science. 2015. Iss. 5. Р. 39–47. https://doi.org/10.4236/mnsms.2015.52004.

7. Grigoriev S., Vereschaka A., Milovich F., Tabakov V., Sitnikov N., Andreev N., et al. Investigation of multicomponent nanolayer coatingsbased nitrides of Cr, Mo, Zr, Nb, and Al // Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 401. Р. 126258. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126258.

8. Vereschaka A.A., Grigoriev S.N., Naumov A.G., Sotova E.S., Kirilov A.K., Bublikov J.I. 11 - Nanoscale multilayered composite coating–applications for ecomachining // Handbook of Modern Coating Technologies. 2021. Р. 377–423. https://doi.org/10.1016/b978-0-444-63237-1.00011-5.

9. Vereschaka A.A., Grigoriev S.N., Sitnikov N.N., Batakо A.D. Delamination and Iongitudinal cracking in multi-layered composite nanostructured coating and their influence on cutting tool life // Wear. 2017. Vol. 390-391. P. 209–219. https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.07.021.

10. Colding B. War characteristics of coated carbide // International Cutting Tool Bay Sandviken, Lecture. 1969. Iss. 5. Р. 11980.

11. Табаков В.П., Чихранов А.В. Повышение работоспособности твердосплавного инструмента путем направленного выбора рациональных параметров состава износостойкого покрытия // СТИН. 2016. № 3. С. 14–18. EDN: WCMMND.

12. Grigoriev S.N., Volosova M.A., Fedorov S.V., Okunkova A.A., Pivkin P.M., Peretyagin P.Y. et al. Development of DLC-coated solid SiAlON/TiN ceramic end mills for nickel alloy machining: problems and prospects // Coatings. 2021. Vol. 11. Iss. 5. Р. 532. https://doi.org/10.3390/coatings11050532.

13. Fox-Rabinovich G.S., Yamomoto K., Veldhuis S.C., Kovalev A.I., Dosbaeva G.K. Tribological adaptability of TiAlCrN PVD coatings under high performance dry machining conditions // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 200. Iss. 5–6. P. 1804–1813. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.08.057.

14. Wang Nina, Zhang Guangpeng, Ren Lijuan, Pang Wanjing, Wang Yupeng. Vision and sound fusion-based material removal rate monitoring for abrasive belt grinding using improved LightGBM algorithm // Journal of Manufacturing Processes. 2021. Vol. 66. P. 281–292. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.04.014.

15. Zhang Hua, Deng Zhaohui, Fu Yahui, Lv Lishu, Yan Can. A process parameters optimization method of multi-pass dry milling for high efficiency, low energy and low carbon emissions // Journal of Cleaner Production. 2017. Vol. 148. P. 174–184. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.01.077.

16. Huang Weijian, Li Xi, Wang Boxing, Chen Jihong, Zhou Ji. An analytical index relating cutting force to axial depth of cut for cylindrical end mills // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2016. Vol. 111. P. 63–67. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2016.10.003.

17. Nath C. Integrated tool condition monitoring systems and their applications: a comprehensive review // Procedia Manufacturing. 2020. Vol. 48. Iss. 9. P. 852–863. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.05.123.

18. Vasilchenko S., Cherny S., Khrulkov V. Improving dynamic and energy characteristics of electromechanical systems with single-phase rectifiers // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. 2020. Р. 9111902. https://doi.org/10.1109/ICIEAM48468.2020.9111902.

19. Choi Du-Youl, Sharma Ashutosh, Uhm Sang-Ho, Jung Jae Pil. Liquid metal embrittlement of resistance spot welded 1180 TRIP steel: effect of electrode force on cracking behavior // Metals and Materials International. 2019. Vol. 25. Iss. 1. P. 219–228. https://doi.org/10.1007/s12540-018-0180-x.

20. Zaychenko I.V., Bazheryanu V.V., Gordin S.A. Improving the energy efficiency of autoclave equipment by optimizing the technology of manufacturing parts from polymer composite materials // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. Vol. 753. Ch. 2. Р. 032069. https://doi.org/10.1088/1757-899X/753/3/032069.