ВПЛИВ МОРФОЛОГІЇ ГРАФІТОВОЇ ФАЗИ НА МЕХАНІЗМИ ЗНОСУ pCBN ІНСТРУМЕНТУ ПРИ ВИСОКОШВИДКІСНІЙ СУХІЙ ОБРОБЦІ ЧАВУНІВ
DOI:
https://doi.org/10.20535/1970.71(1).2026.361919Ключові слова:
pCBN, чавун, морфологія графіту, зношування інструменту, CGI, cast iron, високошвидкісна обробка, термомеханічна втомаАнотація
У статті наведено комплексний системний аналіз трибохімічних і термомеханічних процесів, що відбуваються у зоні різання при високошвидкісній сухій обробці чавунів різної структури із застосуванням інструментів з полікристалічного кубічного нітриду бору (pCBN). Актуальність дослідження зумовлена зростанням вимог до продуктивності та надійності обробки відповідальних деталей із сірих, високоміцних та чавунів з вермикулярним графітом в умовах відмови від мастильно охолоджувальних середовищ. Метою роботи є встановлення впливу морфології графітової фази на формування контактних умов у зоні різання та визначення домінуючих механізмів зношування pCBN інструменту.
Методологічну основу дослідження становить узагальнення експериментальних даних провідних наукових груп за період 2020–2025 рр., отриманих при високошвидкісному точінні чавунів із різною формою графіту, з використанням сучасних методів аналізу, зокрема SEM, EDX, SIMS та чисельного FEM моделювання. Показано, що морфологія графітових включень істотно впливає на температурно силовий стан у зоні різання, умови тертя та інтенсивність теплоутворення.
Встановлено, що при обробці сірого чавуну з пластинчастим графітом формується суцільна захисна графітова трибоплівка, яка виконує функцію дифузійного бар’єра та забезпечує стабільний абразивний характер зношування. Для високоміцних чавунів із кулястим графітом характерним є розвиток дифузійного зносу, зумовленого хімічною взаємодією між pCBN та залізною матрицею при локальних температурах понад 1100 °C. Обробка чавунів з вермикулярним графітом супроводжується динамічно нестабільним тепловим режимом, що призводить до розвитку термомеханічної втоми різальної кромки. Отримані результати дозволяють обґрунтувати раціональний вибір складу та зв’язки pCBN інструменту залежно від типу чавуну та умов високошвидкісної обробки.
Посилання
L. N. López de Lacalle, A. Rodriguez, “High-speed machining of cast iron: A review of tool materials and lubrication strategies”, Materials, vol. 14, no. 11, p. 2961, 2021.
V. S. Antonyuk, “Analiz temperatur u zoni rizannia ta syl rizannia pry lezovii obrobtsi chavunu z vermykuliarnym hrafitom”, Tekhnichna Inzheneriia, no. 1(95), pp. 19–23, 2025. DOI: 10.26642/ten-2025-1(95)-19-23
A. Duchosal, D. Joly, R. Leroy, R. Serra, “Effects of microstructure of CGI in tribological strategy”, Materials, vol. 11, p. 2110, 2018. DOI: 10.3390/ma11112110
L. J. Sirtuli, J. M. Bello Bermejo, C. Windmark, S. Norgren, J.-E. Ståhl, D. Boing, “Machining of compacted graphite iron: A review”, Journal of Materials Processing Technology, vol. 332, p. 118553, 2024. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2024.118553
P. Wang, X. Li, Y. Jiu, H. Yin, Y. Zhang, “Cutting parameter–tool material interaction on PCBN tool wear behaviour in ductile iron machining”, Scientific Reports, vol. 16, p. 9473, 2026. DOI: 10.1038/s41598-026-38314-z
V. Nayyar, G. Grenmyr, J. Kaminski, L. Nyborg, “Machinability of compacted graphite iron and flake graphite iron with coated carbide”, Int. J. Machining and Machinability of Materials, vol. 13, no. 1, pp. 1–18, 2013. DOI: 10.1504/IJMMM.2013.050720
M. C. Cakir, A. Bayram, K. K. Kircali, C. Ensarioglu, “Effects of microstructure on machinability of ductile iron”, Proc. IMechE Part C, 2010. DOI: 10.1177/2041297510394101
L. Zhu, R. Evans, Y. Zhou, F. Ren, “Wear study of cubic boron nitride cutting tool for machining of compacted graphite iron”, Lubricants, vol. 10, no. 4, p. 51, 2022. DOI: 10.3390/lubricants10040051
B. Zou, M. Chen, H. Shao, “Experimental study of cubic boron nitride cutting tool wear for high-speed machining of compacted graphite iron”, Materials, vol. 15, no. 4, p. 1432, 2022. DOI: 10.3390/ma15041432
H.-L. Ma, B.-J. Sun, J.-H. Zhang, “Wear behaviors of PcBN milling insert in high-speed dry milling of nodular cast iron”, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, vol. 46, p. 521, 2024. DOI: 10.1007/s40430-024-05088-2
S. Dawson, I. Hollinger, M. Robbins, J. Daeth, U. Reuter, H. Schulz, “The effect of metallurgical variables on the machinability of compacted graphite iron”, SinterCast Technical Research Report, 2014. [Online]. Available: https://sintercast.com/media/lo1pafvv/the-effect-of-metallurgical-variables-on-the-machinability-of-compacted-graphite-iron.pdf
X. Wu, Z. Su, C. Zhang, X. Zhao, H. Yao, F. Jiang, “The cutting edge geometric optimization of the PCBN tool for the machining of cast iron”, Micromachines, vol. 16, no. 9, p. 978, 2025. DOI: 10.3390/mi16090978
G. Yin, J. Shen, Z. Wu, X. Wu, F. Jiang, “Experimental investigation on the machinability of PCBN chamfered tool in dry turning of gray cast iron”, Processes, vol. 10, no. 8, p. 1547, 2022. DOI: 10.3390/pr10081547
T. Sjögren, Residual Stresses and Fatigue of Shot Peened Cast Iron, Linköping University, 2009.
K. P. Varghese, A. K. Balaji, “Wear of carbide and cermet tools in machining of CGI”, in ASME/STLE Tribology Conference, 2007. DOI: 10.1115/IJTC2007-44367
16. S. A. Klimenko, V. S. Antoniuk, O. F. Salenko. Superhard tool materials for automated production. Kyiv: Igor Sikorsky KPI, 2025. Available at: https://ena.lpnu.ua/bitstreams/bc11d80e-de13-433d-a698-23dfd30b3891/download. (in Ukrainian)
Y. Qiu, J. C. Pang, E. N. Yang, S. X. Li, M. X. Zhang, Z. F. Zhang, “Transition of tensile strength and damaging mechanisms of compacted graphite iron with temperature”, Materials Science & Engineering A, vol. 677, pp. 290–301, 2016. DOI: 10.1016/j.msea.2016.09.043
C. L. Zou, L. J. Chen, J. C. Pang, S. X. Li, Y. Qiu, Z. F. Zhang, “The low-cycle fatigue and life prediction of compacted graphite iron”, Materials Science & Engineering A, vol. 763, p. 138101, 2019. DOI: 10.1016/j.msea.2019.138101
Y. Qiu, J. C. Pang, S. X. Li, M. X. Zhang, Z. F. Zhang, “Influence of thermal exposure on microstructure evolution and fracture of CGI”, Materials Science & Engineering A, vol. 664, pp. 129–139, 2016. DOI: 10.1016/j.msea.2016.03.111
Y. Qiu, J. C. Pang, M. X. Zhang, S. X. Li, Z. F. Zhang, “Influence of temperature on the high-cycle fatigue properties of CGI”, International Journal of Fatigue, vol. 112, pp. 84–93, 2018. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2018.03.007
V. Nayyar, M. Z. Alam, J. Kaminski, K. S. Suresh, L. Nyborg, “Influence of cutting-edge geometry on machinability of CGI”, Int. J. Manufacturing, Materials, and Mechanical Engineering, vol. 3, pp. 35–49, 2013. DOI:10.4018/ijmmme.2013010103
T. P. Stalbaum, High Speed Turning of Compacted Graphite Iron (CGI) Using Controlled Modulation, Purdue University, 2013.
S. Kimura, Y. Ufuktepe, H. E. Elsayed-Ali, “Cutting performance of binderless CBN tool in high-speed milling”, Int. J. Refractory Metals and Hard Materials, vol. 37, pp. 124–130, 2013. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2012.11.006
T. Özel, Y. Karpat, “Plastic deformation and residual stress in high-speed turning”, Journal of Materials Processing Technology, vol. 183, pp. 165–174, 2007. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2006.10.012
25. L. I. Putiatina. Blade strengthening mechanical machining of high-strength cast iron parts. Kyiv, 2004. (in Ukrainian)
W. Grzesik, J. Rech, K. Zak, C. Claudin, “Machining performance of nodular cast iron”, Int. J. Machine Tools and Manufacture, vol. 49, pp. 125–133, 2009.
DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2008.10.003
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Коваленко І.
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Авторське право на публікацію залишається за авторами.
Автори можуть використовувати власні матеріали в інших публікаціях за умови посилання на збірник наукових праць "Вісник Київського політехнічного інституту. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ" як на перше місце видання та на Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» як на видавця.
Автори публікують свої статті в збірнику на умовах ліцензії Creative Commons:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії CC BY 4.0, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на динаміці цитування опублікованої роботи.
Видавець (КПІ ім. Ігоря Сікорського) має право за будь-якого використання цього видання зазначати своє ім'я або вимагати такого зазначення.
Редакційна колегія залишає за собою право розміщувати опубліковані в збірнику статті в різних інформаційних базах для надання відкритого доступу до матеріалів з метою популяризації наукових досліджень та підвищення цитованості авторів.
