Powłoki narzędzi skrawających poprawiają właściwości cierne i ścierne narzędzi skrawających, dlatego są niezbędne w operacjach skrawania. Przez wiele lat dostawcy technologii obróbki powierzchni opracowywali dostosowane rozwiązania powłokowe w celu poprawy odporności narzędzi skrawających na zużycie, wydajności obróbki i żywotności. Wyjątkowe wyzwanie wynika z uwagi i optymalizacji czterech elementów: (i) obróbki powierzchni narzędzi skrawających przed i po nałożeniu powłoki; (ii) materiałów powłokowych; (iii) struktur powłokowych; oraz (iv) zintegrowanej technologii przetwarzania powlekanych narzędzi skrawających.
Źródła zużycia narzędzi skrawających
Podczas procesu skrawania, niektóre mechanizmy zużycia występują w strefie styku między narzędziem skrawającym a materiałem obrabianego przedmiotu. Na przykład, zużycie spoinowe między wiórem a powierzchnią skrawającą, zużycie ścierne narzędzia przez twarde punkty w materiale obrabianego przedmiotu oraz zużycie spowodowane przez reakcje chemiczne tarcia (reakcje chemiczne materiału spowodowane działaniem mechanicznym i wysokimi temperaturami). Ponieważ te naprężenia tarcia zmniejszają siłę skrawania narzędzia skrawającego i skracają jego żywotność, wpływają one głównie na wydajność obróbki narzędzia skrawającego.
Powłoka powierzchniowa zmniejsza efekt tarcia, podczas gdy materiał bazowy narzędzia skrawającego podtrzymuje powłokę i pochłania naprężenia mechaniczne. Ulepszona wydajność układu ciernego może oszczędzać materiał i zmniejszać zużycie energii, a także zwiększać wydajność.
Rola powłoki w obniżaniu kosztów przetwarzania
Żywotność narzędzia skrawającego jest ważnym czynnikiem kosztowym w cyklu produkcyjnym. Między innymi, żywotność narzędzia skrawającego można zdefiniować jako czas, w którym maszyna może być obrabiana bez przerwy, zanim wymagana będzie konserwacja. Im dłuższa żywotność narzędzia skrawającego, tym niższe koszty z powodu przerw w produkcji i tym mniej prac konserwacyjnych musi wykonać maszyna.
Nawet przy bardzo wysokich temperaturach skrawania, żywotność narzędzia skrawającego można wydłużyć dzięki powłoce, co znacznie obniża koszty obróbki. Ponadto powłoka narzędzia skrawającego może zmniejszyć zapotrzebowanie na płyny smarujące. Nie tylko obniża koszty materiałów, ale także pomaga chronić środowisko.
Wpływ obróbki przed i po nałożeniu powłoki na wydajność
W nowoczesnych operacjach cięcia narzędzia tnące muszą wytrzymywać wysokie ciśnienia (>2 GPa), wysokie temperatury i stałe cykle naprężeń cieplnych. Przed i po powlekaniu narzędzia tnącego należy je poddać odpowiedniej obróbce.
Przed nałożeniem powłoki na narzędzia skrawające można zastosować różne metody wstępnej obróbki, aby przygotować się do późniejszego procesu powlekania, jednocześnie znacznie poprawiając przyczepność powłoki. Dzięki współpracy z powłoką przygotowanie krawędzi skrawającej narzędzia może również zwiększyć prędkość skrawania i posuw oraz wydłużyć żywotność narzędzia skrawającego.
Również obróbka końcowa powłoki (przygotowanie krawędzi, obróbka powierzchni i nadawanie jej struktury) odgrywa decydującą rolę w optymalizacji narzędzia skrawającego, w szczególności w zapobieganiu możliwemu przedwczesnemu zużyciu w wyniku tworzenia się wiórów (połączenie materiału obrabianego z krawędzią skrawającą narzędzia).
Rozważania i wybór powłok
Wymagania dotyczące wydajności powłoki mogą być bardzo różne. W warunkach obróbki, w których temperatura krawędzi skrawającej jest wysoka, właściwości powłoki odporne na zużycie cieplne stają się niezwykle ważne. Oczekuje się, że nowoczesne powłoki powinny również mieć następujące właściwości: doskonałe właściwości w wysokiej temperaturze, odporność na utlenianie, wysoką twardość (nawet w wysokich temperaturach) i mikroskopijną wytrzymałość (plastyczność) dzięki projektowaniu warstw nanostrukturalnych.
W przypadku wydajnych narzędzi skrawających, zoptymalizowana przyczepność powłoki i rozsądny rozkład naprężeń szczątkowych to dwa decydujące czynniki. Po pierwsze, należy wziąć pod uwagę interakcję między materiałem podłoża a materiałem powłoki. Po drugie, powinno być jak najmniejsze powinowactwo między materiałem powłoki a materiałem do obróbki. Możliwość przyczepności między powłoką a przedmiotem obrabianym można znacznie zmniejszyć, stosując odpowiednią geometrię narzędzia i polerując powłokę.
Powłoki na bazie aluminium (np. AlTiN) są powszechnie stosowane jako powłoki narzędzi skrawających w przemyśle skrawającym. Pod wpływem wysokich temperatur skrawania te powłoki na bazie aluminium mogą tworzyć cienką i gęstą warstwę tlenku glinu, która stale odnawia się podczas obróbki, chroniąc powłokę i materiał podłoża pod nią przed atakiem utleniającym.
Twardość i odporność na utlenianie powłoki można dostosować, zmieniając zawartość aluminium i strukturę powłoki. Na przykład, zwiększając zawartość aluminium, stosując nanostruktury lub mikrostopy (tj. stopowanie z pierwiastkami o niskiej zawartości), można poprawić odporność powłoki na utlenianie.
Oprócz składu chemicznego materiału powłoki, zmiany w strukturze powłoki mogą znacząco wpłynąć na wydajność powłoki. Różne parametry narzędzia skrawającego zależą od rozmieszczenia różnych pierwiastków w mikrostrukturze powłoki.
Obecnie kilka pojedynczych warstw powłoki o różnym składzie chemicznym można połączyć w kompozytową warstwę powłoki, aby uzyskać pożądaną wydajność. Ten trend będzie się nadal rozwijał w przyszłości – szczególnie dzięki nowym systemom powłok i procesom powlekania, takim jak hybrydowa technologia powlekania HI3 (High Ionization Triple) z odparowaniem łukowym i rozpylaniem, która łączy trzy wysoce zjonizowane procesy powlekania w jeden.
Jako powłoka uniwersalna, powłoki na bazie tytanu i krzemu (TiSi) oferują doskonałą obrabialność. Powłoki te mogą być stosowane do obróbki zarówno stali o wysokiej twardości z różną zawartością węglika (twardość rdzenia do HRC 65), jak i stali o średniej twardości (twardość rdzenia HRC 40). Konstrukcja struktury powłoki może być dostosowana odpowiednio do różnych zastosowań obróbki. W rezultacie narzędzia skrawające z powłoką tytanowo-silikonową mogą być stosowane do cięcia i obróbki szerokiej gamy materiałów obrabianych, od stali wysokostopowych i niskostopowych po stale hartowane i stopy tytanu. Testy cięcia o wysokiej jakości na płaskich elementach obrabianych (twardość HRC 44) wykazały, że powlekane narzędzia skrawające mogą wydłużyć swoją żywotność prawie dwukrotnie i zmniejszyć chropowatość powierzchni około 10 razy.
Powłoka na bazie tytanu i krzemu minimalizuje późniejsze polerowanie powierzchni. Oczekuje się, że takie powłoki będą stosowane w obróbce z dużymi prędkościami skrawania, wysokimi temperaturami krawędzi i wysokimi szybkościami usuwania metalu.
W przypadku niektórych innych powłok PVD (zwłaszcza powłok mikrostopowych) firmy powłokowe ściśle współpracują również z przetwórcami w celu zbadania i opracowania różnych zoptymalizowanych rozwiązań obróbki powierzchni. Dlatego też możliwe i praktycznie możliwe są znaczne usprawnienia w zakresie wydajności obróbki, wykorzystania narzędzi skrawających, jakości obróbki i interakcji między materiałem, powłoką i obróbką. Współpracując z profesjonalnym partnerem powłokowym, użytkownicy mogą zwiększyć wydajność wykorzystania swoich narzędzi w całym cyklu ich życia.
Czas publikacji: 07-11-2022