Povlaky rezných nástrojov zlepšujú trecie a opotrebovacie vlastnosti rezných nástrojov, a preto sú nevyhnutné pri rezných operáciách. Poskytovatelia technológií povrchového spracovania už mnoho rokov vyvíjajú prispôsobené riešenia povlakov na zlepšenie odolnosti rezných nástrojov pred opotrebením, efektivity obrábania a životnosti. Jedinečná výzva pramení zo zamerania sa na optimalizáciu štyroch prvkov: (i) predbežné a následné spracovanie povrchov rezných nástrojov; (ii) povlakové materiály; (iii) povlakové štruktúry; a (iv) integrovaná technológia spracovania povlakovaných rezných nástrojov.
Zdroje opotrebenia rezných nástrojov
Počas procesu rezania dochádza v kontaktnej zóne medzi rezným nástrojom a materiálom obrobku k niektorým mechanizmom opotrebenia. Napríklad k opotrebovaniu spôsobenému väzbou medzi trieskou a reznou plochou, k abrazívnemu opotrebovaniu nástroja tvrdými bodmi v materiáli obrobku a k opotrebovaniu spôsobenému trením a chemickými reakciami (chemické reakcie materiálu spôsobené mechanickým pôsobením a vysokými teplotami). Keďže tieto trecie napätia znižujú reznú silu rezného nástroja a skracujú jeho životnosť, ovplyvňujú najmä účinnosť obrábania rezného nástroja.
Povrchová úprava znižuje vplyv trenia, zatiaľ čo základný materiál rezného nástroja podopiera povlak a absorbuje mechanické namáhanie. Zlepšený výkon trecieho systému môže okrem zvýšenia produktivity ušetriť materiál a znížiť spotrebu energie.
Úloha povlakovania pri znižovaní nákladov na spracovanie
Životnosť rezného nástroja je dôležitým nákladovým faktorom vo výrobnom cykle. Životnosť rezného nástroja možno okrem iného definovať ako čas, počas ktorého je možné stroj obrábať bez prerušenia predtým, ako je potrebná údržba. Čím dlhšia je životnosť rezného nástroja, tým nižšie sú náklady spôsobené prerušeniami výroby a tým menej údržby musí stroj vykonávať.
Aj pri veľmi vysokých teplotách rezania je možné predĺžiť životnosť rezného nástroja povlakom, čím sa výrazne znížia náklady na obrábanie. Okrem toho môže povlak rezného nástroja znížiť potrebu mazacích kvapalín. Nielenže sa tým znižujú náklady na materiál, ale tiež sa pomáha chrániť životné prostredie.
Vplyv predbežného a následného nanášania povrchovej úpravy na produktivitu
V moderných obrábacích operáciách musia rezné nástroje znášať vysoké tlaky (> 2 GPa), vysoké teploty a neustále cykly tepelného namáhania. Pred a po nanesení povlaku na rezný nástroj musí byť tento ošetrený vhodným procesom.
Pred nanášaním povlaku na rezný nástroj je možné použiť rôzne metódy predúpravy na prípravu následného procesu povlakovania, čím sa výrazne zlepší priľnavosť povlaku. V spojení s povlakovaním môže príprava reznej hrany nástroja tiež zvýšiť rýchlosť rezania a posuvu a predĺžiť životnosť rezného nástroja.
Následné spracovanie povlaku (príprava hrán, povrchové opracovanie a štruktúrovanie) tiež zohráva rozhodujúcu úlohu pri optimalizácii rezného nástroja, najmä pri prevencii možného predčasného opotrebenia tvorbou triesok (prilepenie materiálu obrobku k reznej hrane nástroja).
Úvahy a výber náteru
Požiadavky na výkon povlaku sa môžu veľmi líšiť. Za podmienok obrábania, kde je teplota reznej hrany vysoká, sa tepelne odolné vlastnosti povlaku voči opotrebeniu stávajú mimoriadne dôležitými. Očakáva sa, že moderné povlaky by mali mať aj nasledujúce vlastnosti: vynikajúci výkon pri vysokých teplotách, odolnosť voči oxidácii, vysokú tvrdosť (aj pri vysokých teplotách) a mikroskopickú húževnatosť (plasticitu) vďaka konštrukcii nanostruktúrovaných vrstiev.
Pre efektívne rezné nástroje sú dva rozhodujúce faktory optimalizovaná priľnavosť povlaku a primerané rozloženie zvyškových napätí. Po prvé, je potrebné zvážiť interakciu medzi materiálom substrátu a materiálom povlaku. Po druhé, medzi materiálom povlaku a materiálom, ktorý sa má obrábať, by mala byť čo najmenšia afinita. Možnosť adhézie medzi povlakom a obrobkom možno výrazne znížiť použitím vhodnej geometrie nástroja a leštením povlaku.
Povlaky na báze hliníka (napr. AlTiN) sa bežne používajú ako povlaky rezných nástrojov v priemysle obrábania. Pôsobením vysokých rezných teplôt môžu tieto povlaky na báze hliníka vytvoriť tenkú a hustú vrstvu oxidu hlinitého, ktorá sa počas obrábania neustále obnovuje a chráni povlak a materiál pod ním pred oxidačným pôsobením.
Tvrdosť a odolnosť povlaku voči oxidácii je možné upraviť zmenou obsahu hliníka a štruktúry povlaku. Napríklad zvýšením obsahu hliníka, použitím nanoštruktúr alebo mikrolegovaním (t. j. legovaním s nízkym obsahom prvkov) je možné zlepšiť odolnosť povlaku voči oxidácii.
Okrem chemického zloženia povlakového materiálu môžu zmeny v štruktúre povlaku významne ovplyvniť jeho výkon. Rôzny výkon rezného nástroja závisí od rozloženia rôznych prvkov v mikroštruktúre povlaku.
V súčasnosti je možné niekoľko jednotlivých vrstiev náteru s rôznym chemickým zložením skombinovať do jednej kompozitnej vrstvy náteru, aby sa dosiahol požadovaný výkon. Tento trend sa bude v budúcnosti naďalej rozvíjať – najmä prostredníctvom nových systémov náterov a procesov náterov, ako je napríklad hybridná technológia oblúkového naparovania a naprašovania HI3 (High Ionization Triple), ktorá kombinuje tri vysoko ionizované procesy náteru do jedného.
Povlaky na báze titánu a kremíka (TiSi) ako všestranný povlak ponúkajú vynikajúcu obrobiteľnosť. Tieto povlaky sa dajú použiť na spracovanie vysoko tvrdých ocelí s rôznym obsahom karbidov (tvrdosť jadra do HRC 65) aj stredne tvrdých ocelí (tvrdosť jadra HRC 40). Dizajn štruktúry povlaku sa dá prispôsobiť rôznym aplikáciám obrábania. Vďaka tomu sa rezné nástroje s povlakom na báze titánu a silikónu môžu používať na rezanie a spracovanie širokej škály materiálov obrobkov od vysoko legovaných a nízko legovaných ocelí až po kalené ocele a titánové zliatiny. Skúšky rezania s vysokou povrchovou úpravou na plochých obrobkoch (tvrdosť HRC 44) ukázali, že povlakované rezné nástroje môžu predĺžiť svoju životnosť takmer zdvojnásobne a znížiť drsnosť povrchu približne 10-krát.
Povlak na báze titánu a kremíka minimalizuje následné leštenie povrchu. Očakáva sa, že takéto povlaky sa budú používať pri obrábaní s vysokými reznými rýchlosťami, vysokými teplotami hrán a vysokými rýchlosťami úberu kovu.
V prípade niektorých ďalších PVD povlakov (najmä mikrolegovaných povlakov) spoločnosti zaoberajúce sa povlakovaním úzko spolupracujú so spracovateľmi na výskume a vývoji rôznych optimalizovaných riešení pre povrchové spracovanie. Preto sú možné a prakticky uplatniteľné významné zlepšenia v efektivite obrábania, používaní rezných nástrojov, kvalite obrábania a interakcii medzi materiálom, povlakom a obrábaním. Spoluprácou s profesionálnym partnerom pre povlakovanie môžu používatelia zvýšiť efektivitu využitia svojich nástrojov počas celej ich životnosti.
Čas uverejnenia: 7. novembra 2022