Acoperirile pentru sculele așchietoare îmbunătățesc proprietățile de frecare și uzură ale sculelor așchietoare, motiv pentru care sunt esențiale în operațiunile de așchiere. De mulți ani, furnizorii de tehnologie de prelucrare a suprafețelor au dezvoltat soluții de acoperire personalizate pentru a îmbunătăți rezistența la uzură a sculelor așchietoare, eficiența prelucrării și durata de viață a acestora. Provocarea unică provine din atenția și optimizarea a patru elemente: (i) prelucrarea pre- și post-acoperire a suprafețelor sculelor așchietoare; (ii) materialele de acoperire; (iii) structurile de acoperire; și (iv) tehnologia integrată de procesare pentru sculele așchietoare acoperite.
Surse de uzură a sculelor așchietoare
În timpul procesului de așchiere, apar anumite mecanisme de uzură în zona de contact dintre scula așchietoare și materialul piesei de prelucrat. De exemplu, uzura prin lipire între așchie și suprafața așchietoare, uzura abrazivă a sculei de către punctele dure din materialul piesei de prelucrat și uzura cauzată de reacțiile chimice de frecare (reacțiile chimice ale materialului cauzate de acțiunea mecanică și temperaturile ridicate). Deoarece aceste solicitări de frecare reduc forța de așchiere a sculei așchietoare și scurtează durata de viață a sculei, acestea afectează în principal eficiența de prelucrare a sculei așchietoare.
Acoperirea suprafeței reduce efectul frecării, în timp ce materialul de bază al sculei așchietoare susține acoperirea și absoarbe stresul mecanic. Performanța îmbunătățită a sistemului de frecare poate economisi material și reduce consumul de energie, pe lângă creșterea productivității.
Rolul acoperirii în reducerea costurilor de procesare
Durata de viață a sculei așchietoare este un factor important de cost în ciclul de producție. Printre altele, durata de viață a sculei așchietoare poate fi definită ca timpul în care o mașină poate fi prelucrată fără întrerupere înainte de a fi necesară întreținerea. Cu cât durata de viață a sculei așchietoare este mai lungă, cu atât sunt mai mici costurile datorate întreruperilor de producție și cu atât mai puține lucrări de întreținere trebuie efectuate de mașina.
Chiar și la temperaturi de așchiere foarte ridicate, durata de viață a sculei așchietoare poate fi prelungită prin acoperire, reducând astfel semnificativ costurile de prelucrare. În plus, acoperirea sculei așchietoare poate reduce nevoia de fluide lubrifiante. Nu numai că reduce costurile materialelor, dar ajută și la protejarea mediului.
Efectul prelucrării pre- și post-acoperire asupra productivității
În operațiunile moderne de așchiere, sculele așchietoare trebuie să suporte presiuni mari (>2 GPa), temperaturi ridicate și cicluri constante de stres termic. Înainte și după acoperirea sculei așchietoare, aceasta trebuie tratată prin procesul corespunzător.
Înainte de acoperirea sculei așchietoare, se pot utiliza diverse metode de pretratare pentru a pregăti procesul ulterior de acoperire, îmbunătățind în același timp semnificativ aderența acoperirii. Prin colaborare cu acoperirea, pregătirea muchiei așchietoare a sculei poate crește, de asemenea, viteza de așchiere și avansul și poate prelungi durata de viață a sculei așchietoare.
Post-procesarea acoperirii (pregătirea muchiei, prelucrarea suprafeței și structurarea) joacă, de asemenea, un rol determinant în optimizarea sculei așchietoare, în special pentru a preveni o posibilă uzură prematură prin formarea de așchii (lipirea materialului piesei de prelucrat de muchia așchietoare a sculei).
Considerații și selecție a acoperirii
Cerințele privind performanța acoperirilor pot fi foarte diferite. În condiții de prelucrare unde temperatura muchiei așchietoare este ridicată, caracteristicile de rezistență la uzură termică ale acoperirii devin extrem de importante. Se așteaptă ca acoperirile moderne să aibă și următoarele caracteristici: performanță excelentă la temperaturi ridicate, rezistență la oxidare, duritate ridicată (chiar și la temperaturi ridicate) și tenacitate microscopică (plasticitate) prin proiectarea straturilor nanostructurate.
Pentru scule așchietoare eficiente, aderența optimizată a stratului de acoperire și o distribuție rezonabilă a tensiunilor reziduale sunt doi factori decisivi. În primul rând, trebuie luată în considerare interacțiunea dintre materialul substratului și materialul de acoperire. În al doilea rând, ar trebui să existe o afinitate cât mai mică posibil între materialul de acoperire și materialul care urmează să fie prelucrat. Posibilitatea de aderență dintre strat și piesa de prelucrat poate fi redusă semnificativ prin utilizarea unei geometrii adecvate a sculei și lustruirea stratului de acoperire.
Acoperirile pe bază de aluminiu (de exemplu, AlTiN) sunt utilizate în mod obișnuit ca acoperiri pentru sculele așchietoare în industria așchierii. Sub acțiunea temperaturilor ridicate de așchiere, aceste acoperiri pe bază de aluminiu pot forma un strat subțire și dens de oxid de aluminiu care se reînnoiește continuu în timpul prelucrării, protejând acoperirea și materialul substrat de sub ea de atacul oxidativ.
Duritatea și rezistența la oxidare a unui strat de acoperire pot fi ajustate prin modificarea conținutului de aluminiu și a structurii stratului de acoperire. De exemplu, prin creșterea conținutului de aluminiu, utilizarea nanostructurilor sau microalierii (adică alierea cu elemente cu conținut scăzut), rezistența la oxidare a stratului de acoperire poate fi îmbunătățită.
Pe lângă compoziția chimică a materialului de acoperire, modificările structurii acoperirii pot afecta semnificativ performanța acesteia. Performanța diferită a sculelor așchietoare depinde de distribuția diferitelor elemente în microstructura acoperirii.
În zilele noastre, mai multe straturi de acoperire individuale cu compoziții chimice diferite pot fi combinate într-un strat de acoperire compozit pentru a obține performanța dorită. Această tendință va continua să se dezvolte în viitor - în special prin noi sisteme și procese de acoperire, cum ar fi tehnologia de evaporare cu arc HI3 (High Ionization Triple) și tehnologia de acoperire hibridă prin pulverizare catodică, care combină trei procese de acoperire puternic ionizate într-unul singur.
Ca acoperire universală, acoperirile pe bază de titan-siliciu (TiSi) oferă o prelucrabilitate excelentă. Aceste acoperiri pot fi utilizate atât pentru prelucrarea oțelurilor de înaltă duritate cu diferite conținuturi de carburi (duritatea miezului de până la HRC 65), cât și a oțelurilor de duritate medie (duritatea miezului de până la HRC 40). Designul structurii acoperirii poate fi adaptat în funcție de diferitele aplicații de prelucrare. Drept urmare, sculele așchietoare acoperite cu titan-siliciu pot fi utilizate pentru tăierea și prelucrarea unei game largi de materiale pentru piese de prelucrat, de la oțeluri înalt aliate și slab aliate, până la oțeluri călite și aliaje de titan. Testele de tăiere de înaltă calitate pe piese plate (duritatea HRC 44) au arătat că sculele așchietoare acoperite le pot crește durata de viață de aproape două ori și pot reduce rugozitatea suprafeței de aproximativ 10 ori.
Acoperirea pe bază de titan-siliciu minimizează lustruirea ulterioară a suprafeței. Se așteaptă ca astfel de acoperiri să fie utilizate în procese cu viteze mari de așchiere, temperaturi ridicate ale muchiilor și rate mari de îndepărtare a metalului.
Pentru alte tipuri de acoperiri PVD (în special acoperiri microaliate), companiile de acoperire lucrează îndeaproape cu procesatorii pentru a cerceta și dezvolta diverse soluții optimizate de prelucrare a suprafețelor. Prin urmare, sunt posibile și aplicabile în practică îmbunătățiri semnificative ale eficienței prelucrării, utilizării sculelor așchietoare, calității prelucrării și interacțiunii dintre material, acoperire și prelucrare. Prin colaborarea cu un partener profesionist în domeniul acoperirilor, utilizatorii pot crește eficiența de utilizare a sculelor lor pe tot parcursul ciclului lor de viață.
Data publicării: 07 noiembrie 2022