Beläggningar för skärverktyg förbättrar friktions- och slitageegenskaperna hos skärverktyg, vilket är anledningen till att de är viktiga vid skärande bearbetning. Under många år har leverantörer av ytbearbetningsteknik utvecklat anpassade beläggningslösningar för att förbättra slitstyrka, bearbetningseffektivitet och livslängd hos skärverktyg. Den unika utmaningen kommer från uppmärksamheten på och optimeringen av fyra element: (i) bearbetning före och efter beläggning av skärverktygsytor; (ii) beläggningsmaterial; (iii) beläggningsstrukturer; och (iv) integrerad bearbetningsteknik för belagda skärverktyg.
Slitkällor för skärverktyg
Under skärprocessen uppstår vissa slitagemekanismer i kontaktzonen mellan skärverktyget och arbetsstyckets material. Till exempel bundet slitage mellan spånan och skärytan, abrasivt slitage av verktyget från hårda punkter i arbetsstyckets material och slitage orsakat av friktionskemiska reaktioner (kemiska reaktioner i materialet orsakade av mekanisk påverkan och höga temperaturer). Eftersom dessa friktionsspänningar minskar skärverktygets skärkraft och förkortar verktygets livslängd, påverkar de främst skärverktygets bearbetningseffektivitet.
Ytbeläggningen minskar friktionseffekten, medan skärverktygets basmaterial stödjer beläggningen och absorberar mekanisk stress. Friktionssystemets förbättrade prestanda kan spara material och minska energiförbrukningen, förutom att öka produktiviteten.
Beläggningens roll i att minska bearbetningskostnaderna
Skärverktygets livslängd är en viktig kostnadsfaktor i produktionscykeln. Skärverktygets livslängd kan bland annat definieras som den tid en maskin kan bearbetas utan avbrott innan underhåll krävs. Ju längre skärverktygets livslängd är, desto lägre kostnader på grund av produktionsavbrott och desto mindre underhållsarbete behöver maskinen utföra.
Även vid mycket höga skärtemperaturer kan skärverktygets livslängd förlängas med beläggning, vilket avsevärt minskar bearbetningskostnaderna. Dessutom kan beläggning av skärverktyg minska behovet av smörjvätskor. Det minskar inte bara materialkostnaderna utan bidrar också till att skydda miljön.
Effekt av för- och efterbeläggningsbehandling på produktivitet
I moderna skäroperationer måste skärverktyg utstå höga tryck (>2 GPa), höga temperaturer och konstanta termiska stresscykler. Före och efter beläggningen av skärverktyget måste det behandlas med lämplig process.
Innan beläggning av skärverktyg kan olika förbehandlingsmetoder användas för att förbereda den efterföljande beläggningsprocessen, samtidigt som beläggningens vidhäftning förbättras avsevärt. Genom att arbeta tillsammans med beläggningen kan förberedelsen av verktygets skäregg också öka skärhastigheten och matningshastigheten, och förlänga skärverktygets livslängd.
Beläggningens efterbehandling (eggförberedelse, ytbearbetning och strukturering) spelar också en avgörande roll i optimeringen av skärverktyget, särskilt för att förhindra eventuellt förtida slitage genom spånbildning (bindning av arbetsstyckets material till verktygets skäregg).
Överväganden och val av beläggning
Kraven på beläggningsprestanda kan vara mycket olika. Under bearbetningsförhållanden där skärtemperaturen är hög blir beläggningens värmebeständiga slitageegenskaper extremt viktiga. Det förväntas att moderna beläggningar också bör ha följande egenskaper: utmärkt högtemperaturprestanda, oxidationsbeständighet, hög hårdhet (även vid höga temperaturer) och mikroskopisk seghet (plasticitet) genom utformningen av nanostrukturerade lager.
För effektiva skärverktyg är optimerad beläggningsvidhäftning och en rimlig fördelning av kvarvarande spänningar två avgörande faktorer. För det första måste interaktionen mellan substratmaterialet och beläggningsmaterialet beaktas. För det andra bör det finnas så liten affinitet som möjligt mellan beläggningsmaterialet och materialet som ska bearbetas. Risken för vidhäftning mellan beläggningen och arbetsstycket kan minskas avsevärt genom att använda en lämplig verktygsgeometri och polera beläggningen.
Aluminiumbaserade beläggningar (t.ex. AlTiN) används ofta som beläggningar för skärverktyg inom skärindustrin. Under inverkan av höga skärtemperaturer kan dessa aluminiumbaserade beläggningar bilda ett tunt och tätt lager av aluminiumoxid som kontinuerligt förnyar sig under bearbetning och skyddar beläggningen och substratmaterialet under den från oxidativa angrepp.
Hårdheten och oxidationsbeständigheten hos en beläggning kan justeras genom att ändra aluminiumhalten och beläggningsstrukturen. Till exempel, genom att öka aluminiumhalten, använda nanostrukturer eller mikrolegering (dvs. legering med låghaltiga element) kan beläggningens oxidationsbeständighet förbättras.
Förutom beläggningsmaterialets kemiska sammansättning kan förändringar i beläggningsstrukturen påverka beläggningens prestanda avsevärt. Skärverktygens olika prestanda beror på fördelningen av de olika elementen i beläggningens mikrostruktur.
Numera kan flera enskilda beläggningsskikt med olika kemiska sammansättningar kombineras till ett sammansatt beläggningsskikt för att uppnå önskad prestanda. Denna trend kommer att fortsätta utvecklas i framtiden – särskilt genom nya beläggningssystem och beläggningsprocesser, såsom HI3 (High Ionization Triple) bågförångnings- och sputteringshybridbeläggningsteknik som kombinerar tre högjoniserade beläggningsprocesser i en.
Som en allsidig beläggning erbjuder titan-kiselbaserade (TiSi) beläggningar utmärkt bearbetbarhet. Dessa beläggningar kan användas för bearbetning av både höghårda stål med olika hårdmetallhalter (kärnhårdhet upp till HRC 65) och medelhårda stål (kärnhårdhet HRC 40). Beläggningsstrukturens utformning kan anpassas till olika bearbetningstillämpningar. Som ett resultat kan titan-kiselbaserade belagda skärverktyg användas för att skära och bearbeta ett brett spektrum av arbetsstycksmaterial, från höglegerade och låglegerade stål till härdade stål och titanlegeringar. Högfinbearbetningstester på plana arbetsstycken (hårdhet HRC 44) har visat att belagda skärverktyg kan öka deras livslängd med nästan dubbelt så mycket och minska ytjämnheten med cirka 10 gånger.
Den titan-kiselbaserade beläggningen minimerar efterföljande ytpolering. Sådana beläggningar förväntas användas vid bearbetning med höga skärhastigheter, höga eggtemperaturer och höga metallavverkningshastigheter.
För vissa andra PVD-beläggningar (särskilt mikrolegerade beläggningar) arbetar beläggningsföretag också nära bearbetningsföretag för att undersöka och utveckla olika optimerade ytbearbetningslösningar. Därför är betydande förbättringar av bearbetningseffektivitet, skärverktygsanvändning, bearbetningskvalitet och samspelet mellan material, beläggning och bearbetning möjliga och praktiskt tillämpbara. Genom att arbeta med en professionell beläggningspartner kan användare öka utnyttjandeeffektiviteten hos sina verktyg under hela deras livscykel.
Publiceringstid: 7 november 2022