Powłoki narzędzi skrawających poprawiają ich właściwości tarcia i zużycia, dlatego są niezbędne w procesach skrawania. Od wielu lat dostawcy technologii obróbki powierzchni opracowują dostosowane do indywidualnych potrzeb rozwiązania powłokowe, aby poprawić odporność narzędzi skrawających na zużycie, wydajność obróbki i żywotność. Wyjątkowe wyzwanie wynika z uwagi i optymalizacji czterech elementów: (i) obróbki powierzchni narzędzi skrawających przed i po nałożeniu powłoki; (ii) materiałów powłokowych; (iii) struktur powłok; oraz (iv) zintegrowanej technologii obróbki powlekanych narzędzi skrawających.
Źródła zużycia narzędzi skrawających
Podczas procesu skrawania w strefie styku narzędzia skrawającego z materiałem obrabianym zachodzą pewne mechanizmy zużycia. Na przykład zużycie spoin między wiórem a powierzchnią skrawającą, zużycie ścierne narzędzia przez twarde punkty w materiale obrabianym oraz zużycie spowodowane tarciem chemicznym (reakcje chemiczne materiału wywołane działaniem mechanicznym i wysoką temperaturą). Ponieważ te naprężenia tarciowe zmniejszają siłę skrawania narzędzia skrawającego i skracają jego żywotność, wpływają one głównie na wydajność obróbki narzędzia skrawającego.
Powłoka powierzchniowa zmniejsza wpływ tarcia, a materiał bazowy narzędzia skrawającego podtrzymuje powłokę i absorbuje naprężenia mechaniczne. Lepsza wydajność układu ciernego pozwala oszczędzać materiał i zmniejszać zużycie energii, a także zwiększać wydajność.
Rola powłoki w obniżaniu kosztów przetwarzania
Trwałość narzędzia skrawającego jest istotnym czynnikiem kosztowym w cyklu produkcyjnym. Żywotność narzędzia skrawającego można zdefiniować między innymi jako czas, w którym maszyna może pracować bez przerwy, zanim konieczna będzie konserwacja. Im dłuższa żywotność narzędzia skrawającego, tym niższe koszty wynikające z przerw w produkcji i mniej prac konserwacyjnych musi wykonywać maszyna.
Nawet w bardzo wysokich temperaturach skrawania, powłoka pozwala wydłużyć żywotność narzędzia skrawającego, co znacznie obniża koszty obróbki. Ponadto powłoka narzędzia skrawającego może zmniejszyć zapotrzebowanie na płyny smarujące. Nie tylko obniża koszty materiałów, ale także przyczynia się do ochrony środowiska.
Wpływ obróbki przed i po nałożeniu powłoki na wydajność
W nowoczesnych procesach skrawania narzędzia skrawające muszą wytrzymywać wysokie ciśnienia (>2 GPa), wysokie temperatury i ciągłe cykle naprężeń termicznych. Przed i po nałożeniu powłoki na narzędzie skrawające należy je poddać odpowiedniej obróbce.
Przed nałożeniem powłoki na narzędzie skrawające można zastosować różne metody obróbki wstępnej, aby przygotować je do późniejszego procesu powlekania, co znacznie poprawia przyczepność powłoki. W połączeniu z powłoką, przygotowanie krawędzi skrawającej narzędzia może również zwiększyć prędkość skrawania i posuw, a także wydłużyć jego żywotność.
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 na skutek tworzenia się wiórów (połączenie materiału obrabianego z krawędzią skrawającą narzędzia).
Rozważania i wybór powłok
Wymagania dotyczące wydajności powłok mogą być bardzo zróżnicowane. W warunkach obróbki skrawaniem, w których temperatura krawędzi skrawającej jest wysoka, odporność powłoki na zużycie cieplne staje się niezwykle istotna. Oczekuje się, że nowoczesne powłoki będą charakteryzować się również następującymi cechami: doskonałą odpornością na wysokie temperatury, odpornością na utlenianie, wysoką twardością (nawet w wysokich temperaturach) oraz mikroskopijną wytrzymałością (plastycznością) dzięki zastosowaniu warstw nanostrukturalnych.
Dla wydajnych narzędzi skrawających, zoptymalizowana przyczepność powłoki i rozsądny rozkład naprężeń szczątkowych to dwa decydujące czynniki. Po pierwsze, należy uwzględnić interakcję między materiałem podłoża a materiałem powłoki. Po drugie, powinowactwo między materiałem powłoki a obrabianym materiałem powinno być jak najmniejsze. Prawdopodobieństwo przylegania powłoki do przedmiotu obrabianego można znacznie ograniczyć poprzez zastosowanie odpowiedniej geometrii narzędzia i polerowanie powłoki.
Powłoki na bazie aluminium (np. AlTiN) są powszechnie stosowane jako powłoki narzędzi skrawających w przemyśle obróbki skrawaniem. 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 znajdujący się pod nią materiał podłoża przed utlenianiem.
Twardość i odporność powłoki na utlenianie można regulować poprzez zmianę zawartości aluminium i struktury powłoki. Na przykład, zwiększając zawartość aluminium, stosując nanostruktury lub mikrostopy (tj. stopy o niskiej zawartości pierwiastków), można poprawić odporność powłoki na utlenianie.
Oprócz składu chemicznego materiału powłoki, zmiany w jej strukturze mogą znacząco wpływać na jej wydajność. Zróżnicowana wydajność narzędzia skrawającego zależy od rozmieszczenia poszczególnych pierwiastków w mikrostrukturze powłoki.
Obecnie kilka pojedynczych warstw powłok o różnym składzie chemicznym można połączyć w jedną kompozytową warstwę powłokową, aby uzyskać pożądane właściwości. Tendencja ta będzie się nadal rozwijać w przyszłości – zwłaszcza dzięki nowym systemom i procesom powlekania, takim jak hybrydowa technologia powlekania HI3 (High Ionization Triple) z odparowaniem łukowym i napylaniem, która łączy trzy wysokojonizowane procesy powlekania w jeden.
Powłoki tytanowo-krzemowe (TiSi) jako powłoki uniwersalne oferują doskonałą skrawalność. Powłoki te mogą być stosowane do obróbki zarówno stali o wysokiej twardości i różnej zawartości węglików (twardość rdzenia do HRC 65), jak i stali o średniej twardości (twardość rdzenia HRC 40). Struktura powłoki może być dostosowana do różnych zastosowań obróbczych. W rezultacie narzędzia skrawające z powłoką tytanowo-krzemową mogą być stosowane do cięcia i obróbki szerokiej gamy materiałów obrabianych, od stali wysokostopowych i niskostopowych po stale hartowane i stopy tytanu. Testy skrawania z wysoką jakością wykończenia płaskich elementów obrabianych (twardość HRC 44) wykazały, że narzędzia skrawające z powłoką mogą wydłużyć swoją żywotność prawie dwukrotnie i zmniejszyć chropowatość powierzchni około dziesięciokrotnie.
Powłoka na bazie tytanu i krzemu minimalizuje późniejsze polerowanie powierzchni. Powłoki te będą stosowane w obróbce z dużymi prędkościami skrawania, wysokimi temperaturami krawędzi i dużą wydajnością usuwania metalu.
W przypadku niektórych innych powłok PVD (zwłaszcza powłok mikrostopowych), firmy powłokowe ściśle współpracują z przetwórcami, badając i opracowując zoptymalizowane rozwiązania w zakresie obróbki powierzchni. Dzięki temu możliwe i praktyczne jest osiągnięcie znacznej poprawy wydajności obróbki, wykorzystania narzędzi skrawających, jakości obróbki oraz interakcji między materiałem, powłoką i obróbką. Współpracując z profesjonalnym partnerem w zakresie powłok, użytkownicy mogą zwiększyć efektywność wykorzystania swoich narzędzi w całym cyklu ich życia.
Czas publikacji: 07-11-2022