Leikkaustyökalujen pinnoitteet parantavat leikkaustyökalujen kitka- ja kulumisominaisuuksia, minkä vuoksi ne ovat olennaisia leikkaustoiminnoissa. Pintakäsittelyteknologian toimittajat ovat jo vuosia kehittäneet räätälöityjä pinnoiteratkaisuja parantaakseen leikkaustyökalujen kulumiskestävyyttä, työstötehokkuutta ja käyttöikää. Ainutlaatuinen haaste tulee neljän elementin huomioimisesta ja optimoinnista: (i) leikkaustyökalujen pintojen esipinnoitus- ja jälkikäsittely; (ii) pinnoitemateriaalit; (iii) pinnoiterakenteet; ja (iv) pinnoitettujen leikkaustyökalujen integroitu prosessointiteknologia.
Leikkaustyökalun kulumisen lähteet
Leikkausprosessin aikana leikkaustyökalun ja työkappaleen materiaalin välisessä kosketusvyöhykkeessä esiintyy kulumismekanismeja. Esimerkiksi lastun ja leikkauspinnan välinen liitoskuluminen, työkalun hankauskuluminen työkappaleen materiaalin kovien kohtien vuoksi ja kitkakemiallisten reaktioiden (mekaanisen toiminnan ja korkeiden lämpötilojen aiheuttamat materiaalin kemialliset reaktiot) aiheuttama kuluminen. Koska nämä kitkajännitykset vähentävät leikkaustyökalun leikkausvoimaa ja lyhentävät työkalun käyttöikää, ne vaikuttavat pääasiassa leikkaustyökalun työstötehokkuuteen.
Pinnoite vähentää kitkan vaikutusta, kun taas leikkaustyökalun perusmateriaali tukee pinnoitetta ja vaimentaa mekaanista rasitusta. Kitkajärjestelmän parantunut suorituskyky voi säästää materiaalia ja vähentää energiankulutusta sekä lisätä tuottavuutta.
Pinnoitteen rooli prosessointikustannusten alentamisessa
Leikkaustyökalun käyttöikä on tärkeä kustannustekijä tuotantosyklissä. Leikkaustyökalun käyttöikä voidaan määritellä muun muassa ajaksi, jonka konetta voidaan työstää keskeytyksettä ennen kuin huoltoa tarvitaan. Mitä pidempi leikkuutyökalun käyttöikä on, sitä pienemmät ovat tuotantokeskeytyksistä aiheutuvat kustannukset ja sitä vähemmän koneen on tehtävä huoltotöitä.
Jopa erittäin korkeissa leikkauslämpötiloissa leikkaustyökalun käyttöikää voidaan pidentää pinnoitteella, mikä vähentää merkittävästi koneistuskustannuksia. Lisäksi leikkaustyökalun pinnoite voi vähentää voiteluaineiden tarvetta. Se ei ainoastaan vähennä materiaalikustannuksia, vaan auttaa myös suojelemaan ympäristöä.
Pinnoitusta edeltävän ja sen jälkeisen käsittelyn vaikutus tuottavuuteen
Nykyaikaisissa leikkausmenetelmissä leikkaustyökalujen on kestettävä korkeita paineita (>2 GPa), korkeita lämpötiloja ja jatkuvia lämpörasituksen syklejä. Ennen pinnoitusta ja sen jälkeen leikkaustyökalu on käsiteltävä asianmukaisella prosessilla.
Ennen leikkaustyökalun pinnoitusta voidaan käyttää erilaisia esikäsittelymenetelmiä seuraavaa pinnoitusprosessia varten, samalla parantaen merkittävästi pinnoitteen tarttuvuutta. Työskennellessään yhdessä pinnoitteen kanssa työkalun leikkaussärmän esikäsittely voi myös lisätä leikkausnopeutta ja syöttönopeutta sekä pidentää leikkaustyökalun käyttöikää.
Pinnoitteen jälkikäsittelyllä (reunan esikäsittely, pinnan käsittely ja strukturointi) on myös ratkaiseva rooli leikkaustyökalun optimoinnissa, erityisesti lastujen muodostumisesta (työkappaleen materiaalin tarttuminen työkalun leikkausreunaan) johtuvan mahdollisen ennenaikaisen kulumisen estämiseksi.
Pinnoitteen valinta ja sen huomioon ottaminen
Pinnoitteen suorituskykyvaatimukset voivat olla hyvin erilaisia. Koneistusolosuhteissa, joissa leikkaussärmän lämpötila on korkea, pinnoitteen lämmönkestävät kulumisominaisuudet ovat erittäin tärkeitä. Nykyaikaisten pinnoitteiden odotetaan omaavan myös seuraavat ominaisuudet: erinomainen korkeiden lämpötilojen suorituskyky, hapettumisenkestävyys, korkea kovuus (jopa korkeissa lämpötiloissa) ja mikroskooppinen sitkeys (plastisuus) nanorakenteisten kerrosten suunnittelun ansiosta.
Tehokkaiden leikkaustyökalujen kannalta optimoitu pinnoitteen tarttuminen ja jäännösjännitysten kohtuullinen jakautuminen ovat kaksi ratkaisevaa tekijää. Ensinnäkin on otettava huomioon pohjamateriaalin ja pinnoitemateriaalin välinen vuorovaikutus. Toiseksi pinnoitemateriaalin ja käsiteltävän materiaalin välillä tulisi olla mahdollisimman pieni affiniteetti. Pinnoitteen ja työkappaleen välisen tarttumisen mahdollisuutta voidaan vähentää merkittävästi käyttämällä sopivaa työkalugeometriaa ja kiillottamalla pinnoite.
Alumiinipohjaisia pinnoitteita (esim. AlTiN) käytetään yleisesti leikkaustyökalujen pinnoitteina leikkausteollisuudessa. Korkeiden leikkauslämpötilojen vaikutuksesta nämä alumiinipohjaiset pinnoitteet voivat muodostaa ohuen ja tiheän alumiinioksidikerroksen, joka uusiutuu jatkuvasti työstön aikana ja suojaa pinnoitetta ja sen alla olevaa alustamateriaalia oksidatiiviselta hyökkäykseltä.
Pinnoitteen kovuutta ja hapettumisenkestävyyttä voidaan säätää muuttamalla alumiinipitoisuutta ja pinnoitteen rakennetta. Esimerkiksi lisäämällä alumiinipitoisuutta, käyttämällä nanorakenteita tai mikroseostausta (eli seostamalla matalapitoisilla alkuaineilla) pinnoitteen hapettumisenkestävyyttä voidaan parantaa.
Pinnoitemateriaalin kemiallisen koostumuksen lisäksi pinnoitteen rakenteen muutokset voivat vaikuttaa merkittävästi pinnoitteen suorituskykyyn. Erilaiset leikkaustyökalujen ominaisuudet riippuvat eri elementtien jakautumisesta pinnoitteen mikrorakenteessa.
Nykyään useita eri kemiallisia koostumuksia omaavia yksittäisiä pinnoitekerroksia voidaan yhdistää komposiittipinnoitteeksi halutun suorituskyvyn saavuttamiseksi. Tämä trendi kehittyy edelleen tulevaisuudessa – erityisesti uusien pinnoitusjärjestelmien ja pinnoitusprosessien, kuten HI3 (High Ionization Triple) -kaarihöyrystys- ja sputterointihybridipinnoitusteknologian, ansiosta, joka yhdistää kolme voimakkaasti ionisoitua pinnoitusprosessia yhdeksi.
Yleispinnoitteena titaani-piipohjaiset (TiSi) pinnoitteet tarjoavat erinomaisen lastuttavuuden. Näitä pinnoitteita voidaan käyttää sekä erittäin kovien, eri kovametallipitoisuuksisten terästen (ytimen kovuus jopa HRC 65) että keskikovien terästen (ytimen kovuus HRC 40) työstämiseen. Pinnoitteen rakennetta voidaan mukauttaa erilaisten työstösovellusten mukaan. Tämän seurauksena titaanisilikonipohjaisia pinnoitettuja leikkaustyökaluja voidaan käyttää monenlaisten työkappalemateriaalien leikkaamiseen ja työstämiseen, aina korkeaseosteisista ja niukkaseosteisista teräksistä karkaistuihin teräksiin ja titaaniseoksiin. Tasomaisten työkappaleiden (kovuus HRC 44) korkealaatuisen leikkausjäljen testit ovat osoittaneet, että pinnoitetut leikkaustyökalut voivat pidentää käyttöikää lähes kaksinkertaiseksi ja vähentää pinnan karheutta noin 10 kertaa.
Titaani-piipohjainen pinnoite minimoi jälkikiillotuksen tarpeen. Tällaisia pinnoitteita odotetaan käytettävän prosessoinnissa, jossa vaaditaan suuria leikkausnopeuksia, korkeita reunan lämpötiloja ja suurta metallinpoistonopeutta.
Joidenkin muiden PVD-pinnoitteiden (erityisesti mikroseostettujen pinnoitteiden) kohdalla pinnoitusyritykset tekevät myös tiivistä yhteistyötä jalostajien kanssa tutkiakseen ja kehittääkseen erilaisia optimoituja pinnankäsittelyratkaisuja. Siksi merkittävät parannukset työstötehokkuudessa, leikkaustyökalujen käytössä, työstölaadussa sekä materiaalin, pinnoitteen ja työstövoiman välisessä vuorovaikutuksessa ovat mahdollisia ja käytännössä sovellettavissa. Yhteistyössä ammattimaisen pinnoituskumppanin kanssa käyttäjät voivat parantaa työkalujensa käyttöastetta koko niiden elinkaaren ajan.
Julkaisun aika: 07.11.2022