Povlaky řezných nástrojů zlepšují třecí a opotřebitelné vlastnosti řezných nástrojů, a proto jsou nezbytné pro řezné operace. Poskytovatelé technologií pro povrchové zpracování již mnoho let vyvíjejí zakázková řešení povlaků pro zlepšení odolnosti řezných nástrojů proti opotřebení, efektivity obrábění a životnosti. Jedinečná výzva pramení ze zaměření a optimalizace čtyř prvků: (i) předběžného a následného povlakování povrchů řezných nástrojů; (ii) povlakových materiálů; (iii) povlakových struktur; a (iv) integrované technologie zpracování povlakovaných řezných nástrojů.
Zdroje opotřebení řezných nástrojů
Během procesu řezání dochází v kontaktní zóně mezi řezným nástrojem a materiálem obrobku k některým mechanismům opotřebení. Například k opotřebení vázaným povrchem mezi třískou a řeznou plochou, k abrazivnímu opotřebení nástroje tvrdými body v materiálu obrobku a k opotřebení způsobenému třením a chemickými reakcemi (chemické reakce materiálu způsobené mechanickým působením a vysokými teplotami). Protože tato třecí napětí snižují řeznou sílu řezného nástroje a zkracují jeho životnost, ovlivňují především jeho obráběcí účinnost.
Povrchová úprava snižuje vliv tření, zatímco základní materiál řezného nástroje podpírá povlak a absorbuje mechanické namáhání. Vylepšený výkon třecího systému může ušetřit materiál a snížit spotřebu energie, a navíc zvýšit produktivitu.
Role povlakování při snižování nákladů na zpracování
Životnost řezného nástroje je důležitým nákladovým faktorem ve výrobním cyklu. Životnost řezného nástroje lze mimo jiné definovat jako dobu, po kterou lze stroj obrábět bez přerušení, než je nutná údržba. Čím delší je životnost řezného nástroje, tím nižší jsou náklady způsobené přerušením výroby a tím méně údržby musí stroj vykonávat.
I při velmi vysokých řezných teplotách lze prodloužit životnost řezného nástroje povlakem, čímž se výrazně sníží náklady na obrábění. Povlakování řezného nástroje navíc může snížit potřebu mazacích kapalin. Nejenže snižuje náklady na materiál, ale také pomáhá chránit životní prostředí.
Vliv předběžného a následného nanášení povlaku na produktivitu
V moderních řezných operacích musí řezné nástroje snášet vysoké tlaky (>2 GPa), vysoké teploty a neustálé cykly tepelného namáhání. Před a po nanesení povlaku na řezný nástroj musí být tento ošetřen vhodným procesem.
Před povlakováním řezného nástroje lze použít různé metody předúpravy k přípravě na následný proces povlakování, které zároveň výrazně zlepšují přilnavost povlaku. Ve spojení s povlakováním může příprava břitu nástroje také zvýšit řeznou rychlost a posuv a prodloužit životnost řezného nástroje.
Následné zpracování povlaku (příprava hran, opracování povrchu a strukturování) hraje také určující roli v optimalizaci řezného nástroje, zejména v prevenci možného předčasného opotřebení tvorbou třísek (přilepení materiálu obrobku k břitu nástroje).
Úvahy a výběr nátěrů
Požadavky na výkon povlaku se mohou velmi lišit. Za obráběcích podmínek s vysokou teplotou břitu se stávají extrémně důležité tepelně odolné vlastnosti povlaku proti opotřebení. Očekává se, že moderní povlaky by měly mít také následující vlastnosti: vynikající výkon za vysokých teplot, odolnost proti oxidaci, vysokou tvrdost (i při vysokých teplotách) a mikroskopickou houževnatost (plasticitu) díky konstrukci nanostrukturních vrstev.
Pro efektivní řezné nástroje jsou dva rozhodující faktory optimalizovaná adheze povlaku a rozumné rozložení zbytkových napětí. Zaprvé je třeba zvážit interakci mezi materiálem substrátu a materiálem povlaku. Zadruhé by měla být co nejmenší afinita mezi materiálem povlaku a obráběným materiálem. Možnost adheze mezi povlakem a obrobkem lze výrazně snížit použitím vhodné geometrie nástroje a leštěním povlaku.
Povlaky na bázi hliníku (např. AlTiN) se běžně používají jako povlaky řezných nástrojů v třískovém průmyslu. Působením vysokých řezných teplot mohou tyto povlaky na bázi hliníku vytvořit tenkou a hustou vrstvu oxidu hlinitého, která se během obrábění neustále obnovuje a chrání povlak a materiál pod ním před oxidačním napadením.
Tvrdost a odolnost povlaku proti oxidaci lze upravit změnou obsahu hliníku a struktury povlaku. Například zvýšením obsahu hliníku, použitím nanostruktur nebo mikrolegováním (tj. legováním s nízkým obsahem prvků) lze zlepšit odolnost povlaku proti oxidaci.
Kromě chemického složení povlakového materiálu mohou změny ve struktuře povlaku významně ovlivnit jeho výkon. Různý výkon řezného nástroje závisí na rozložení různých prvků v mikrostruktuře povlaku.
V dnešní době lze několik jednotlivých vrstev povlaku s různým chemickým složením kombinovat do kompozitní vrstvy povlaku, aby se dosáhlo požadovaného výkonu. Tento trend se bude v budoucnu dále rozvíjet – zejména prostřednictvím nových systémů povlakování a procesů povlakování, jako je například hybridní technologie obloukového napařování a naprašování HI3 (High Ionization Triple), která kombinuje tři vysoce ionizované procesy povlakování do jednoho.
Povlaky na bázi titanu a křemíku (TiSi) jako univerzální povlak nabízejí vynikající obrobitelnost. Tyto povlaky lze použít pro zpracování jak vysoce tvrdých ocelí s různým obsahem karbidů (tvrdost jádra až do HRC 65), tak i středně tvrdých ocelí (tvrdost jádra HRC 40). Konstrukci povlaku lze přizpůsobit různým obráběcím aplikacím. Díky tomu lze řezné nástroje s povlakem na bázi titanu a silikonu použít pro řezání a zpracování široké škály materiálů obrobků, od vysoce legovaných a nízkolegovaných ocelí až po kalené oceli a titanové slitiny. Zkoušky obrábění plochých obrobků s vysokou povrchovou úpravou (tvrdost HRC 44) ukázaly, že povlakované řezné nástroje mohou téměř zdvojnásobit svou životnost a přibližně 10krát snížit drsnost povrchu.
Povlak na bázi titanu a křemíku minimalizuje následné leštění povrchu. Očekává se, že takové povlaky budou použity při obrábění s vysokými řeznými rychlostmi, vysokými teplotami břitů a vysokým úběrem kovu.
U některých dalších PVD povlaků (zejména mikrolegovaných povlaků) povlakovací společnosti úzce spolupracují se zpracovateli na výzkumu a vývoji různých optimalizovaných řešení pro povrchové úpravy. Proto je možné a prakticky použitelné výrazné zlepšení efektivity obrábění, využití řezných nástrojů, kvality obrábění a interakce mezi materiálem, povlakem a obráběním. Spoluprácí s profesionálním partnerem pro povlakování mohou uživatelé zvýšit efektivitu využití svých nástrojů po celou dobu jejich životního cyklu.
Čas zveřejnění: 7. listopadu 2022