Техніка та енергетика

Моделювання та дослідження теплової поведінки тонкого шару методом скінченних елементів – застосування до інструментів з покриттями

Абдельхак Сауді, Белькассем Меддур, Бадіс Хаддаг, Мохаммед Салах Аггун, Абдельазіз Аббуді
Завантажити статтю
Анотація

Безперервний розвиток технологій тонких шарів є ключовим для сучасного сухого оброблення, де ефективний тепловий контроль різальних інструментів з покриттями має вирішальне значення для обмеження теплово зумовленого зносу та подовження терміну служби інструмента. Метою цієї статті було дослідження та моделювання теплової реакції різальних інструментів з покриттями, а також оцінка впливу одношарових і багатошарових тонких покриттів на теплоперенос під час ортогонального сухого різання. Для досягнення цієї мети була розроблена нестаціонарна теплова модель на основі методу скінченних елементів із використанням формулювання Галеркіна в поєднанні з неявною часовою схемою Кранка-Ніколсона. Чисельний підхід було застосовано до трьох конфігурацій інструмента: різальної пластини без покриття з WC-Co, пластини з покриттям TiN та пластини з двошаровим покриттям TiN/Al₂O₃. Для валідації чисельних прогнозів були проведені експериментальні випробування сухого точіння. Отримані результати показали, що чисельна модель точно відтворює часову еволюцію температури на межі інструмент–стружка та всередині різальної пластини. Інструмент без покриття характеризується швидким проникненням тепла та вираженими внутрішніми тепловими градієнтами. Покриття TiN дещо підвищує температуру поверхні, проте забезпечує обмежений опір тепловій дифузії. Натомість багатошарова конфігурація TiN/Al₂O₃ суттєво обмежує теплоперенос у напрямку підкладки, що призводить до нижчих внутрішніх температур і зменшення теплових градієнтів. Шар Al₂O₃ діє як ефективний тепловий бар’єр, локалізуючи тепло поблизу різальної кромки та захищаючи серцевину інструмента від надмірного теплового навантаження. Отримані результати свідчать, що багатошарові керамічні покриття забезпечують кращий тепловий захист порівняно з одношаровими. Запропонований підхід на основі методу скінченних елементів може бути ефективно застосований для проєктування покриттів, оптимізації інструментів і керування тепловими процесами в умовах сухого оброблення

Ключові слова

сухе оброблення, теплоперенос, чисельний підхід, різання, нестаціонарність

ЦИТУВАТИ
Saoudi, A., Meddour, B., Haddag, B., Aggoune, M.S. , & Abboudi, A. (2025). Modelling and studying of thermal behaviour of thin layer using finite element method – application to coated tools. Machinery & Energetics, 16(4), 53-63. https://doi.org/10.31548/machinery/4.2025.53
Використані джерела
  1. Afazov, S.M., Ratchev, S.M., & Segal, J. (2010). Modelling and simulation of micro-milling cutting forces. Journal of Materials Processing Technology, 210(15), 2154-2162. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2010.07.033.
  2. Ala, M., Liu, W., Liu, H., & Wang, F. (2025). Investigation of cladding track geometry using thermal finite element method in laser cladding additive manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 138, 4593-4614. doi: 10.1007/s00170-025-15804-4.
  3. Albrecht, P. (1960). New developments in the theory of the metal-cutting process: Part I. The ploughing process in metal cutting. Journal of Engineering for Industry, 82(4), 348-357. doi: 10.1115/1.3664242.
  4. Bencheikh, I., Bilteryst, F., & Nouari, M. (2017). Modelling of the thermomechanical behaviour of coated structures using single and multi-level-set techniques coupled with the eXtended Finite Element Method. Finite Elements in Analysis and Design, 134, 68-81. doi: 10.1016/j.finel.2017.06.001.
  5. Brito, R.F., de Carvalho, S.R., Marcondes de Lima e Silva, S.M., & Ferreira, J.R. (2009). Thermal analysis in coated cutting tools. International Communications in Heat and Mass Transfer, 36(4), 314-321. doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2009.01.009.
  6. Grzesik, W., Bartoszuk, M., & Nieslony, P. (2005). Finite difference method-based simulation of temperature fields for application to orthogonal cutting with coated tools. Machining Science and Technology, 9(4), 529-546. doi: 10.1080/10910340500398258.
  7. Ifis, A., Bilteryst, F., & Nouari, M. (2013). Transient thermomechanical analysis of thin layers using a hybrid “MAX-FEM” model. Finite Elements in Analysis and Design, 69, 73-87. doi: 10.1016/j.finel.2013.01.008.
  8. Ipilakyaa, T.D., Tuleun, L.T., & Injor, O.M. (2024). Heat transfer modelling of multilayer coated tools during turning of H13 hardened steel: Analogous coating layer approach. Saudi Journal of Engineering and Technology, 9(4), 205-213. doi: 10.36348/sjet.2024.v09i04.002.
  9. Komanduri, R., & Hou, Z.B. (2001). Analysis of heat partition and temperature distribution in sliding systems. Wear, 251(1-12), 925-938. doi: 10.1016/S0043-1648(01)00707-4.
  10. Kone, F., Czarnota, C., Haddag, B., & Nouari, M. (2011). Finite element modelling of the thermo-mechanical behavior of coatings under extreme contact loading in dry machining. Surface and Coatings Technology, 205(12), 3559-3566. doi: 10.1016/j.surfcoat.2010.12.024.
  11. Kumar, C.S., Zeman, P., & Polcar, T. (2020). A 2D finite element approach for predicting the machining performance of nanolayered TiAlCrN coating on WC-Co cutting tool during dry turning of AISI 1045 steel. Ceramics International, 46(16), 25073-25088. doi: 10.1016/j.ceramint.2020.06.294.
  12. Kumaran, G., Sivaraj, R., Prasad, V.R., Beg, O.A., Leung, H.H., & Kamalov, F. (2021). Numerical study of axisymmetric magneto-gyrotactic bioconvection in non-Fourier tangent hyperbolic nano-functional reactive coating flow of a cylindrical body in porous media. The European Physical Journal Plus, 136(11), article number 1107. doi: 10.1140/epjp/s13360-021-02099-z.
  13. Lazoglu, I., & Altintas, Y. (2002). Prediction of tool and chip temperature in continuous and interrupted machining. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 42(9), 1011-1022. doi: 10.1016/S0890-6955(02)00039-1.
  14. Nguyen, D.H., Bilteryst, F., Lazard, M., Lamesle, P., & Dour, G. (2008). Coupling of the eXtended Finite Element Method and the matching asymptotic development in the modelling of brazed assembly. International Journal of Material Forming, 1, 1119-1122. doi: 10.1007/s12289-008-0176-z.
  15. Rosa, P.A.R., Kolednik, O., Martins, P.A.F., & Atkins, A.G. (2007). The transient beginning to machining and the transition to steady-state cutting. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47(12-13), 1904-1915. doi: 10.1016/j.ijmachtools.2007.03.005.
  16. Sahoo, P., Patra, K., Singh, V.K., Gupta, M.K., Song, Q., Mia, M., & Pimenov, D.Y. (2020). Influences of TiAlN coating and limiting angles of flutes on prediction of cutting forces and dynamic stability in micro milling of die steel (P-20). Journal of Materials Processing Technology, 278, article number 116500. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2019.116500.
  17. Schnaubelt, E., Wozniak, M., & Schöps, S. (2023). Thermal thin shell approximation towards finite element quench simulation. Superconductor Science and Technology, 36(4), article number 044004. doi: 10.1088/1361-6668/acbeea.
  18. Upadhyay, C., Rajput, S.S., Bera, S., Ju, H., Bhide, R., & Gangopadhyay, S. (2025). Influence of TiAlN coating thickness in dry machining of AISI 1045 steel using Finite Element simulation and experiments. Surface and Coatings Technology, 495, article number 131496. doi: 10.1016/j.surfcoat.2024.131496.
  19. Van Luttervelt, C.A., et al. (1998). Present situation and future trends in modelling of machining operations progress report of the CIRP Working Group ‘Modelling of machining operations’. CIRP Annals, 47(2), 587-626. doi: 10.1016/S0007-8506(07)63244-2.
  20. Zhang, J., Zhang, G., & Fan, G. (2022). Effects of tool coating materials and coating thickness on cutting temperature distribution with coated tools. International Journal of Applied Ceramic Technology, 19(4), 2276-2284. doi: 10.1111/ijac.14038.