Lõikeriistade katted parandavad lõikeriistade hõõrde- ja kulumisomadusi, mistõttu on need lõiketoimingutes hädavajalikud. Pinnatöötlustehnoloogia pakkujad on aastaid välja töötanud kohandatud kattelahendusi, et parandada lõikeriistade kulumiskindlust, töötlemise efektiivsust ja kasutusiga. Ainulaadne väljakutse tuleneb nelja elemendi tähelepanust ja optimeerimisest: (i) lõikeriistade pindade eel- ja järeltöötlus; (ii) kattematerjalid; (iii) kattestruktuurid; ja (iv) kaetud lõikeriistade integreeritud töötlemistehnoloogia.
Lõikeriistade kulumise allikad
Lõikeprotsessi käigus tekivad lõikeriista ja töödeldava materjali kokkupuutetsoonis teatud kulumismehhanismid. Näiteks laastu ja lõikepinna vaheline liimkulumine, tööriista abrasiivne kulumine töödeldava materjali kõvade punktide tõttu ja hõõrdekeemiliste reaktsioonide (mehaanilise tegevuse ja kõrgete temperatuuride põhjustatud materjali keemilised reaktsioonid) põhjustatud kulumine. Kuna need hõõrdepinged vähendavad lõikeriista lõikejõudu ja lühendavad tööriista eluiga, mõjutavad need peamiselt lõikeriista töötlemise efektiivsust.
Pinnakate vähendab hõõrdumise mõju, samas kui lõikeriista alusmaterjal toetab katet ja neelab mehaanilist pinget. Hõõrdesüsteemi parem jõudlus aitab lisaks tootlikkuse suurendamisele säästa materjali ja vähendada energiatarbimist.
Katte roll töötlemiskulude vähendamisel
Lõikeriista eluiga on tootmistsükli oluline kulutegur. Muuhulgas võib lõikeriista eluiga defineerida kui aega, mille jooksul masinat saab katkestusteta töödelda enne hooldusvajadust. Mida pikem on lõikeriista eluiga, seda madalamad on tootmiskatkestustest tingitud kulud ja seda vähem hooldustöid peab masin tegema.
Isegi väga kõrgete lõiketemperatuuride korral saab lõikeriista kasutusiga kattega pikendada, vähendades seeläbi oluliselt töötlemiskulusid. Lisaks võib lõikeriista katmine vähendada määrdevedelike vajadust. See mitte ainult ei vähenda materjalikulusid, vaid aitab kaitsta ka keskkonda.
Eel- ja järelkatmise mõju tootlikkusele
Kaasaegsetes lõikeoperatsioonides peavad lõikeriistad taluma kõrget rõhku (>2 GPa), kõrgeid temperatuure ja pidevaid termilise pinge tsükleid. Enne ja pärast lõikeriista katmist tuleb seda töödelda sobiva protsessiga.
Enne lõikeriista katmist saab järgneva katmisprotsessi ettevalmistamiseks kasutada mitmesuguseid eeltöötlusmeetodeid, parandades samal ajal oluliselt katte nakkuvust. Koos kattega saab tööriista lõikeserva ettevalmistamisega suurendada ka lõikekiirust ja etteandekiirust ning pikendada lõikeriista eluiga.
Katte järeltöötlus (servade ettevalmistamine, pinnatöötlus ja struktureerimine) mängib samuti lõikeriista optimeerimisel määravat rolli, eelkõige selleks, et vältida võimalikku enneaegset kulumist laastude tekkimise (tooriku materjali kleepumine tööriista lõikeserva külge) tõttu.
Katte kaalutlused ja valik
Kattekihi toimivuse nõuded võivad olla väga erinevad. Töötlemistingimustes, kus lõikeserva temperatuur on kõrge, muutuvad katte kuumakindlad kulumisomadused äärmiselt oluliseks. Eeldatakse, et tänapäevastel katetel peaksid olema ka järgmised omadused: suurepärane vastupidavus kõrgele temperatuurile, oksüdatsioonikindlus, kõrge kõvadus (isegi kõrgetel temperatuuridel) ja mikroskoopiline sitkus (plastilisus) nanostruktuuriga kihtide konstruktsiooni kaudu.
Tõhusate lõikeriistade puhul on kaks otsustavat tegurit katte optimaalne adhesioon ja jääkpingete mõistlik jaotus. Esiteks tuleb arvestada alusmaterjali ja kattematerjali vastastikmõjuga. Teiseks peaks kattematerjali ja töödeldava materjali vahel olema võimalikult väike afiinsus. Katte ja tooriku vahelise adhesiooni võimalust saab oluliselt vähendada sobiva tööriista geomeetria kasutamise ja katte poleerimise abil.
Alumiiniumpõhiseid katteid (nt AlTiN) kasutatakse lõikeriistade katetena lõiketööstuses tavaliselt. Kõrgete lõiketemperatuuride mõjul võivad need alumiiniumpõhised katted moodustada õhukese ja tiheda alumiiniumoksiidi kihi, mis töötlemise ajal pidevalt uueneb, kaitseb katet ja selle all olevat alusmaterjali oksüdatiivse rünnaku eest.
Katte kõvadust ja oksüdatsioonikindlust saab reguleerida alumiiniumisisalduse ja katte struktuuri muutmise teel. Näiteks alumiiniumisisalduse suurendamise, nanostruktuuride või mikrolegeerimise (st madala elementidega legeerimise) abil saab katte oksüdatsioonikindlust parandada.
Lisaks kattematerjali keemilisele koostisele võivad katte struktuuri muutused oluliselt mõjutada katte toimivust. Lõikeriista erinev toimivus sõltub katte mikrostruktuuris olevate erinevate elementide jaotusest.
Tänapäeval saab soovitud jõudluse saavutamiseks kombineerida mitu erineva keemilise koostisega kattekihti komposiitkattekihiks. See trend areneb ka tulevikus edasi – eriti uute katmissüsteemide ja katmisprotsesside kaudu, näiteks HI3 (High Ionization Triple) kaaraurustamise ja pihustamise hübriidkatmistehnoloogia abil, mis ühendab kolm kõrgelt ioniseeritud katmisprotsessi üheks.
Universaalse kattena pakuvad titaan-räni baasil (TiSi) katted suurepärast töödeldavust. Neid katteid saab kasutada nii erineva karbiidisisaldusega kõrge kõvadusega teraste (südamiku kõvadus kuni HRC 65) kui ka keskmise kõvadusega teraste (südamiku kõvadus HRC 40) töötlemiseks. Katte struktuuri saab kohandada vastavalt erinevatele töötlemisrakendustele. Selle tulemusena saab titaan-silikoonil põhinevaid kattega lõikeriistu kasutada laia valiku toorikumaterjalide lõikamiseks ja töötlemiseks, alates kõrglegeeritud ja madallegeeritud terastest kuni karastatud teraste ja titaanisulamiteni. Tasapinnaliste toorikute (kõvadus HRC 44) kõrge viimistlusega lõikekatsed on näidanud, et kattega lõikeriistad võivad oma eluiga peaaegu kaks korda pikendada ja pinna karedust umbes 10 korda vähendada.
Titaan-räni baasil valmistatud kate minimeerib hilisemat pinna poleerimist. Selliseid katteid kasutatakse eeldatavasti töötlemisel, kus on vaja suurt lõikekiirust, kõrget servatemperatuuri ja suurt metalli eemaldamise kiirust.
Mõnede teiste PVD-katete (eriti mikrolegeeritud katete) puhul teevad katteettevõtted tihedat koostööd töötlejatega, et uurida ja arendada erinevaid optimeeritud pinnatöötluslahendusi. Seetõttu on võimalik ja praktiliselt rakendatav märkimisväärselt parandada töötlemise efektiivsust, lõikeriistade kasutamist, töötlemise kvaliteeti ning materjali, katte ja töötlemise vastastikmõju. Tehes koostööd professionaalse kattepartneriga, saavad kasutajad suurendada oma tööriistade kasutamise efektiivsust kogu nende elutsükli jooksul.
Postituse aeg: 07.11.2022