Покритията на режещите инструменти подобряват свойствата на триене и износване на режещите инструменти, поради което са от съществено значение при операциите по рязане. В продължение на много години доставчиците на технологии за обработка на повърхности разработват персонализирани решения за покрития, за да подобрят износоустойчивостта на режещите инструменти, ефективността на обработката и експлоатационния живот. Уникалното предизвикателство идва от вниманието и оптимизирането на четири елемента: (i) обработка преди и след покритие на повърхностите на режещите инструменти; (ii) материали за покритие; (iii) структури на покритието; и (iv) интегрирана технология за обработка на покрити режещи инструменти.
Източници на износване на режещи инструменти
По време на процеса на рязане, в контактната зона между режещия инструмент и материала на детайла възникват някои механизми на износване. Например, слепващо износване между стружката и режещата повърхност, абразивно износване на инструмента от твърди точки в материала на детайла и износване, причинено от триене и химични реакции (химични реакции на материала, причинени от механично действие и високи температури). Тъй като тези напрежения на триене намаляват силата на рязане на режещия инструмент и скъсяват живота на инструмента, те влияят главно върху ефективността на обработката на режещия инструмент.
Повърхностното покритие намалява ефекта на триене, докато основният материал на режещия инструмент поддържа покритието и абсорбира механичното напрежение. Подобрената производителност на фрикционната система може да спести материал и да намали консумацията на енергия, освен че увеличава производителността.
Ролята на покритието за намаляване на разходите за обработка
Животът на режещия инструмент е важен фактор, определящ разходите в производствения цикъл. Освен всичко друго, животът на режещия инструмент може да се определи като времето, през което машината може да се обработва без прекъсване, преди да се наложи поддръжка. Колкото по-дълъг е животът на режещия инструмент, толкова по-ниски са разходите, дължащи се на прекъсвания в производството, и толкова по-малко работа по поддръжката трябва да извършва машината.
Дори при много високи температури на рязане, животът на режещия инструмент може да бъде удължен с покритие, като по този начин значително се намалят разходите за обработка. Освен това, покритието на режещия инструмент може да намали нуждата от смазочни течности. Това не само намалява разходите за материали, но и помага за опазване на околната среда.
Влияние на обработката преди и след нанасяне на покритие върху производителността
В съвременните операции по рязане, режещите инструменти трябва да издържат на високо налягане (>2 GPa), високи температури и постоянни цикли на термично напрежение. Преди и след нанасяне на покритието на режещия инструмент, той трябва да бъде обработен по подходящ начин.
Преди нанасяне на покритие върху режещия инструмент, могат да се използват различни методи за предварителна обработка, за да се подготви за последващия процес на нанасяне на покритието, като същевременно се подобрява значително адхезията на покритието. Работейки заедно с покритието, подготовката на режещия ръб на инструмента може също да увеличи скоростта на рязане и подаване, както и да удължи живота на режещия инструмент.
Последващата обработка на покритието (подготовка на ръбовете, обработка на повърхността и структуриране) също играе определяща роля в оптимизирането на режещия инструмент, по-специално за предотвратяване на евентуално преждевременно износване от образуването на стружка (слепване на материала на детайла с режещия ръб на инструмента).
Съображения и избор на покритие
Изискванията към характеристиките на покритието могат да бъдат много различни. При условия на обработка, където температурата на режещия ръб е висока, характеристиките на топлоустойчивост на покритието стават изключително важни. Очаква се съвременните покрития да притежават и следните характеристики: отлични характеристики при високи температури, устойчивост на окисляване, висока твърдост (дори при високи температури) и микроскопична жилавост (пластичност) чрез проектиране на наноструктурирани слоеве.
За ефикасни режещи инструменти, оптимизираната адхезия на покритието и разумното разпределение на остатъчните напрежения са два решаващи фактора. Първо, трябва да се вземе предвид взаимодействието между материала на основата и материала на покритието. Второ, трябва да има възможно най-малък афинитет между материала на покритието и материала, който ще се обработва. Възможността за адхезия между покритието и детайла може да бъде значително намалена чрез използване на подходяща геометрия на инструмента и полиране на покритието.
Покритията на алуминиева основа (напр. AlTiN) се използват често като покрития за режещи инструменти в режещата индустрия. Под действието на високи температури на рязане, тези покрития на алуминиева основа могат да образуват тънък и плътен слой алуминиев оксид, който непрекъснато се обновява по време на обработка, предпазвайки покритието и материала на основата под него от окислително въздействие.
Твърдостта и устойчивостта на окисляване на покритието могат да се регулират чрез промяна на съдържанието на алуминий и структурата на покритието. Например, чрез увеличаване на съдържанието на алуминий, използване на наноструктури или микролегиране (т.е. легиране с елементи с ниско съдържание), може да се подобри устойчивостта на окисляване на покритието.
В допълнение към химичния състав на материала на покритието, промените в структурата на покритието могат значително да повлияят на неговите характеристики. Различната производителност на режещия инструмент зависи от разпределението на различните елементи в микроструктурата на покритието.
В днешно време няколко единични покривни слоя с различен химичен състав могат да бъдат комбинирани в композитен покривен слой, за да се постигне желаната производителност. Тази тенденция ще продължи да се развива в бъдеще – особено чрез нови системи за нанасяне на покрития и процеси на нанасяне на покрития, като например HI3 (High Ionization Triple) технология за дъгово изпаряване и разпрашване, която комбинира три силно йонизирани процеса на нанасяне на покрития в един.
Като всестранно покритие, покритията на основата на титан и силиций (TiSi) предлагат отлична обработваемост. Тези покрития могат да се използват за обработка както на високотвърди стомани с различно съдържание на карбиди (твърдост на сърцевината до HRC 65), така и на стомани със средна твърдост (твърдост на сърцевината HRC 40). Дизайнът на структурата на покритието може да се адаптира съответно към различните приложения на машинна обработка. В резултат на това, режещите инструменти с покритие на основата на титан и силикон могат да се използват за рязане и обработка на широка гама от материали за детайли - от високолегирани, нисколегирани стомани до закалени стомани и титанови сплави. Тестовете за висококачествено рязане на плоски детайли (твърдост HRC 44) показват, че покритите режещи инструменти могат да увеличат живота си почти два пъти и да намалят грапавостта на повърхността с около 10 пъти.
Покритието на основата на титан и силиций минимизира последващото полиране на повърхността. Очаква се такива покрития да се използват при обработка с високи скорости на рязане, високи температури на ръбовете и високи скорости на отстраняване на метал.
За някои други PVD покрития (особено микролегирани покрития), компаниите за покрития също работят в тясно сътрудничество с преработвателите, за да изследват и разработват различни оптимизирани решения за обработка на повърхности. Следователно, значителни подобрения в ефективността на машинната обработка, използването на режещи инструменти, качеството на машинната обработка и взаимодействието между материала, покритието и машинната обработка са възможни и практически приложими. Работейки с професионален партньор за покрития, потребителите могат да увеличат ефективността на използване на своите инструменти през целия им жизнен цикъл.
Време на публикуване: 07 ноември 2022 г.