Rolle- og ydeevneoptimering af skærende værktøjsbelægninger

Belægninger til skærende værktøj forbedrer skæreværktøjets friktions- og slidegenskaber, hvorfor de er essentielle i skæreoperationer.I mange år har udbydere af overfladebehandlingsteknologi udviklet skræddersyede belægningsløsninger for at forbedre skæreværktøjets slidstyrke, bearbejdningseffektivitet og levetid.Den unikke udfordring kommer fra opmærksomheden og optimeringen af ​​fire elementer: (i) præ- og efterbelægningsbehandling af skærende værktøjsoverflader;(ii) belægningsmaterialer;(iii) belægningsstrukturer;og (iv) integreret forarbejdningsteknologi til coatede skæreværktøjer.

Slidkilder til skæreværktøj
Under skæreprocessen opstår der nogle slidmekanismer i kontaktzonen mellem skæreværktøjet og emnematerialet.For eksempel bundslid mellem spånen og skærefladen, slibende slid på værktøjet ved hårde punkter i emnematerialet og slid forårsaget af friktionskemiske reaktioner (kemiske reaktioner af materialet forårsaget af mekanisk påvirkning og høje temperaturer).Da disse friktionsspændinger reducerer skæreværktøjets skærekraft og forkorter værktøjets levetid, påvirker de hovedsageligt skæreværktøjets bearbejdningseffektivitet.

Overfladebelægningen reducerer effekten af ​​friktion, mens skæreværktøjets basismateriale understøtter belægningen og absorberer mekanisk belastning.Friktionssystemets forbedrede ydeevne kan spare materiale og reducere energiforbruget ud over at øge produktiviteten.

Belægningens rolle i at reducere forarbejdningsomkostningerne
Levetiden for skærende værktøj er en vigtig omkostningsfaktor i produktionscyklussen.Blandt andet kan skærende værktøjslevetid defineres som, at en maskines tid kan bearbejdes uden afbrydelse, før vedligeholdelse er påkrævet.Jo længere levetid for skæreværktøjet er, desto lavere omkostninger på grund af produktionsafbrydelser og jo mindre vedligeholdelsesarbejde skal maskinen udføre.

Selv ved meget høje skæretemperaturer kan skæreværktøjets levetid forlænges med belægning, hvilket reducerer bearbejdningsomkostningerne markant.Derudover kan belægning af skæreværktøj reducere behovet for smørevæsker.Reducerer ikke kun materialeomkostninger, men hjælper også med at beskytte miljøet.

Effekt af præ- og efterbelægningsbehandling på produktiviteten

I moderne skæreoperationer skal skæreværktøjer tåle høje tryk (>2 GPa), høje temperaturer og konstante cyklusser af termisk stress.Før og efter belægningen af ​​skæreværktøjet skal det behandles med den passende proces.

Inden belægning af skæreværktøj kan forskellige forbehandlingsmetoder bruges til at forberede den efterfølgende belægningsproces, samtidig med at belægningens vedhæftning forbedres væsentligt.Ved at arbejde sammen med belægningen kan forberedelsen af ​​værktøjets skær også øge skærehastigheden og tilspændingshastigheden og forlænge skæreværktøjets levetid.

Efterbehandlingen af ​​belægningen (kantforberedelse, overfladebearbejdning og strukturering) spiller også en afgørende rolle i optimeringen af ​​skæreværktøjet, især for at forhindre eventuel tidlig slitage ved spåndannelse (binding af emnemateriale til skærkanten af ​​værktøjet). værktøj).

Belægningsovervejelser og valg

Kravene til belægningens ydeevne kan være meget forskellige.Under bearbejdningsforhold, hvor skærekanttemperaturen er høj, bliver belægningens varmebestandige slidegenskaber ekstremt vigtige.Det forventes, at moderne belægninger også skal have følgende egenskaber: fremragende ydeevne ved høje temperaturer, oxidationsmodstand, høj hårdhed (selv ved høje temperaturer) og mikroskopisk sejhed (plasticitet) gennem design af nanostrukturerede lag.

For effektive skæreværktøjer er optimeret belægningsvedhæftning og en rimelig fordeling af restspændinger to afgørende faktorer.For det første skal interaktionen mellem substratmaterialet og belægningsmaterialet overvejes.For det andet skal der være så lidt affinitet som muligt mellem belægningsmaterialet og materialet, der skal behandles.Muligheden for vedhæftning mellem belægningen og emnet kan reduceres væsentligt ved at anvende en passende værktøjsgeometri og polere belægningen.

Aluminiumsbaserede belægninger (f.eks. AlTiN) er almindeligt anvendt som skærende værktøjsbelægninger i skæreindustrien.Under påvirkning af høje skæretemperaturer kan disse aluminiumsbaserede belægninger danne et tyndt og tæt lag af aluminiumoxid, der hele tiden fornyer sig under bearbejdning, beskytter belægningen og substratmaterialet under det mod oxidativt angreb.

En coatings hårdhed og oxidationsmodstandsevne kan justeres ved at ændre aluminiumindholdet og coatingstrukturen.For eksempel ved at øge aluminiumindholdet, bruge nanostrukturer eller mikrolegering (dvs. legering med lavt indholdselementer), kan belægningens oxidationsmodstand forbedres.

Ud over den kemiske sammensætning af belægningsmaterialet kan ændringer i belægningsstrukturen væsentligt påvirke belægningens ydeevne.De forskellige skæreværktøjsydelser afhænger af fordelingen af ​​de forskellige elementer i belægningens mikrostruktur.

I dag kan flere enkelt coatinglag med forskellige kemiske sammensætninger kombineres til et komposit coatinglag for at opnå den ønskede ydeevne.Denne trend vil fortsætte med at udvikle sig i fremtiden – især gennem nye belægningssystemer og belægningsprocesser, såsom HI3 (High Ionization Triple) lysbuefordampning og sputtering hybrid belægningsteknologi, der kombinerer tre højioniserede belægningsprocesser til én.

Som en all-round belægning tilbyder titanium-siliciumbaserede (TiSi) belægninger fremragende bearbejdelighed.Disse belægninger kan anvendes til bearbejdning af både højhårdhedsstål med forskelligt karbidindhold (kernehårdhed op til HRC 65) og mellemhårdhedsstål (kernehårdhed HRC 40).Designet af belægningsstrukturen kan tilpasses i overensstemmelse med de forskellige bearbejdningsapplikationer.Som et resultat kan titanium-silikone-baserede coatede skæreværktøjer bruges til at skære og bearbejde en lang række emnematerialer fra højlegerede, lavlegerede stål til hærdet stål og titanlegeringer.Skæreforsøg med høj finish på flade emner (hårdhed HRC 44) har vist, at coatede skæreværktøjer kan øge dets levetid med næsten to gange og reducere overfladeruheden med omkring 10 gange.

Den titanium-siliciumbaserede belægning minimerer efterfølgende overfladepolering.Sådanne belægninger forventes at blive brugt i forarbejdning med høje skærehastigheder, høje kanttemperaturer og høje metalfjernelseshastigheder.

For nogle andre PVD-belægninger (især mikrolegerede belægninger) arbejder belægningsvirksomheder også tæt sammen med processorer for at forske i og udvikle forskellige optimerede overfladebehandlingsløsninger.Derfor er væsentlige forbedringer i bearbejdningseffektivitet, brug af skæreværktøj, bearbejdningskvalitet og samspillet mellem materiale, belægning og bearbejdning mulige og praktisk anvendelige.Ved at arbejde med en professionel belægningspartner kan brugerne øge udnyttelseseffektiviteten af ​​deres værktøjer gennem hele deres livscyklus.