Покрытия для режущих инструментов улучшают фрикционные и износостойкие свойства инструментов, поэтому они играют важную роль в процессах резки. На протяжении многих лет поставщики технологий обработки поверхностей разрабатывают индивидуальные решения по нанесению покрытий для повышения износостойкости режущих инструментов, эффективности обработки и срока службы. Уникальная задача заключается в уделении внимания и оптимизации четырех элементов: (i) предварительной и последующей обработки поверхностей режущих инструментов; (ii) материалов покрытия; (iii) структуры покрытия; и (iv) интегрированной технологии обработки покрытых режущих инструментов.
Источники износа режущего инструмента
В процессе резания в зоне контакта между режущим инструментом и обрабатываемым материалом возникают различные механизмы износа. Например, износ, вызванный сцеплением стружки с режущей поверхностью, абразивный износ инструмента твердыми выступами в обрабатываемом материале, а также износ, вызванный химическими реакциями трения (химическими реакциями материала, вызванными механическим воздействием и высокими температурами). Поскольку эти фрикционные напряжения снижают силу резания режущего инструмента и сокращают срок его службы, они в основном влияют на эффективность обработки режущим инструментом.
Покрытие поверхности снижает эффект трения, а материал основания режущего инструмента поддерживает покрытие и поглощает механические напряжения. Улучшенные характеристики системы трения позволяют экономить материал и снижать энергопотребление, а также повышать производительность.
Роль покрытия в снижении технологических затрат
Срок службы режущего инструмента является важным фактором затрат в производственном цикле. В частности, срок службы режущего инструмента определяется как время, в течение которого станок может работать без перерыва до необходимости технического обслуживания. Чем дольше срок службы режущего инструмента, тем ниже затраты, связанные с перебоями в производстве, и тем меньше работ по техническому обслуживанию требуется станку.
Даже при очень высоких температурах резания срок службы режущего инструмента можно продлить за счет нанесения покрытия, что значительно снижает затраты на обработку. Кроме того, покрытие режущего инструмента может уменьшить потребность в смазочных жидкостях. Это не только снижает затраты на материалы, но и способствует защите окружающей среды.
Влияние предварительной и последующей обработки покрытия на производительность
В современных процессах резки режущие инструменты должны выдерживать высокое давление (>2 ГПа), высокие температуры и постоянные циклы термических напряжений. До и после нанесения покрытия на режущий инструмент необходимо проводить соответствующую обработку.
Перед нанесением покрытия на режущий инструмент можно использовать различные методы предварительной обработки для подготовки к последующему процессу нанесения покрытия, что значительно улучшает адгезию покрытия. В сочетании с нанесением покрытия подготовка режущей кромки инструмента также может увеличить скорость резания и подачу, а также продлить срок службы режущего инструмента.
Постобработка покрытия (подготовка кромки, обработка поверхности и структурирование) также играет определяющую роль в оптимизации режущего инструмента, в частности, для предотвращения возможного преждевременного износа из-за образования стружки (слипания материала заготовки с режущей кромкой инструмента).
Вопросы выбора и учета особенностей покрытия
Требования к эксплуатационным характеристикам покрытий могут быть очень разными. В условиях обработки, когда температура режущей кромки высока, жаростойкость и износостойкость покрытия приобретают чрезвычайно важное значение. Ожидается, что современные покрытия также будут обладать следующими характеристиками: превосходная термостойкость, стойкость к окислению, высокая твердость (даже при высоких температурах) и микроскопическая прочность (пластичность) за счет создания наноструктурированных слоев.
Для эффективной работы режущих инструментов решающими факторами являются оптимизированная адгезия покрытия и рациональное распределение остаточных напряжений. Во-первых, необходимо учитывать взаимодействие между материалом подложки и материалом покрытия. Во-вторых, необходимо свести к минимуму сродство между материалом покрытия и обрабатываемым материалом. Вероятность адгезии между покрытием и заготовкой может быть значительно снижена за счет использования соответствующей геометрии инструмента и полировки покрытия.
Покрытия на основе алюминия (например, AlTiN) широко используются в качестве покрытий для режущих инструментов в обрабатывающей промышленности. Под воздействием высоких температур резания эти покрытия на основе алюминия образуют тонкий и плотный слой оксида алюминия, который постоянно обновляется в процессе обработки, защищая покрытие и подложку под ним от окислительного воздействия.
Твердость и стойкость к окислению покрытия можно регулировать, изменяя содержание алюминия и структуру покрытия. Например, за счет увеличения содержания алюминия, использования наноструктур или микролегирования (т.е. легирования элементами с низким содержанием) можно улучшить стойкость покрытия к окислению.
Помимо химического состава материала покрытия, изменения в его структуре могут существенно влиять на эксплуатационные характеристики. Различная эффективность режущего инструмента зависит от распределения различных элементов в микроструктуре покрытия.
В настоящее время несколько отдельных слоев покрытия с различным химическим составом могут быть объединены в композитное покрытие для достижения желаемых характеристик. Эта тенденция будет продолжать развиваться в будущем, особенно благодаря новым системам и процессам нанесения покрытий, таким как гибридная технология нанесения покрытий методом дугового испарения с высокой ионизацией (HI3) и магнетронного распыления, которая объединяет три процесса нанесения покрытий с высокой ионизацией в один.
В качестве универсального покрытия титано-кремниевые (TiSi) покрытия обеспечивают превосходную обрабатываемость. Эти покрытия могут использоваться для обработки как высокотвердых сталей с различным содержанием карбидов (твердость сердцевины до HRC 65), так и сталей средней твердости (твердость сердцевины HRC 40). Конструкция покрытия может быть адаптирована к различным задачам обработки. В результате, режущие инструменты с титано-кремниевым покрытием могут использоваться для резки и обработки широкого спектра материалов заготовок, от высоколегированных и низколегированных сталей до закаленных сталей и титановых сплавов. Испытания на высокое качество резки плоских заготовок (твердость HRC 44) показали, что режущие инструменты с покрытием могут увеличить срок их службы почти в два раза и уменьшить шероховатость поверхности примерно в 10 раз.
Покрытие на основе титана и кремния сводит к минимуму последующую полировку поверхности. Ожидается, что такие покрытия будут использоваться в процессах с высокими скоростями резания, высокими температурами кромок и высокой скоростью съема металла.
Для некоторых других PVD-покрытий (особенно микролегированных) компании, занимающиеся нанесением покрытий, также тесно сотрудничают с переработчиками для исследования и разработки различных оптимизированных решений по обработке поверхности. Таким образом, становятся возможными и практически применимыми значительные улучшения в эффективности обработки, использовании режущего инструмента, качестве обработки и взаимодействии между материалом, покрытием и обрабатываемым материалом. Сотрудничая с профессиональным партнером по нанесению покрытий, пользователи могут повысить эффективность использования своих инструментов на протяжении всего их жизненного цикла.
Дата публикации: 07.11.2022