Покрития за инструменти за високоскоростна суха и квазисуха обработка

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 6/2016 • 27.09.2016

Покрития за инструменти за високоскоростна суха и квазисуха обработка
Покрития за инструменти за високоскоростна суха и квазисуха обработка

Покритието за инструменти представлява материал, различен от този на инструмента, който е нанесен във вид на тънък слой върху работните повърхнини, захванат е здраво за тях и ги предпазва от непосредствен механичен контакт в зоната на рязане.

Предназначението му е да повиши трайността и техническите възможности на инструмента, да създаде по-благоприятни условия на рязане и стружкоотвеждане, да подобри качеството на обработваната повърхнина.

Чрез използване на подходящо покритие режещият инструмент може да работи при значително по-високи скорости и температури. Едновременно с това трайността му се увеличава 4-5 пъти, в някои случаи и до 10 пъти, подобрява се точността и гладкостта на обработваната повърхнина.

 

Производителността на технологичния процес се увеличава, намаляват се престоите за смяна, настройване и поднастройване на износените инструменти. С един инструмент могат да се обработват големи по площ повърхнини без да е необходимо прекъсване за смяна и корекции.

Инструменталните покрития повишават икономическите показатели на производството. Съвременният режещ инструмент се характеризира с висока точност и конструктивна сложност, в него се влагат скъпи инструментални материали, изработката му е трудоемка и изисква високотехнологично оборудване и квалифициран персонал.

Всичко това се отразява върху себестойността на произвежданата продукция. Покритията намаляват разхода на инструмент, което оказва положително влияние върху цената на произвежданите детайли.

Високоскоростна обработка
Технологията на високоскоростната обработка позволява обработване, предимно чрез фрезоване, на сложни контури и обемно-профилни повърхнини и осигурява едновременно висока точност, качество и производителност, което доскоро изглеждаше неосъществимо.

Характеризира се с висока скорост и предимно малки дълбочини на рязане, голяма скорост на подавателното движение и висока температура в зоната на контакта на инструмента с обработвания материал. Проявяват се принудени (дебаланс на шпиндела и инструменталната екипировка, периодично откъртване на наслойката) и самовъзбуждащи се (свързани с малките дълбочини на рязане) вибрации.

Суха и квазисуха обработка
Охлаждането на зоната на рязане е с основна цел да отвежда образуваната топлина, да намалява силата на триене, да облекчава стружкообразуването, да почиства инструмента и обработваната повърхнина от полепналата стружка, да отвежда стружката.

Течното охлаждане с обилно впръскване на мажещо-охлаждаща течност все още се използва, но значението му намалява под действието на редица технико-икономически фактори - нараснали разходи за зареждане, почистване, обезвреждане и депониране на течността, неблагоприятно влияние върху трайността на загретия до висока температура твърдосплавен инструмент вследствие на термошока при контакта му със студената течност, който е причина за пукнатинообразуване и преждевременно излизане от строя и др.

При сухата обработка процесът на рязане протича без ползване на течна среда. Вместо нея, в зоната на рязане се подава газообразен агент, например охладен въздух под налягане, който изпълнява главно функциите да охлажда инструмента и да отвежда стружката.

Квазисухата обработка представлява сухо рязане, съчетано с минимално количество мажещо вещество (предимно масло), което се смесва с въздух и се подава във вид на мъгла. Маслото служи за мазане на контакта на режещия ръб с материала на заготовката и намаляване на силата на триене, за предотвратяване на наслойката и полепването (приваряването) на стружки и капки от обработвания материал върху работните повърхнини на инструмента.

Високоскоростната суха и квазисуха обработка се характеризира със следните негативни въздействия спрямо инструмента:
• Висока температура в зоната на рязане, която обикновено надхвърля 1000°С. При тези топлинни условия началната твърдост на инструменталния материал намалява и способността за снемане на стружка се влошава до степен, когато рязането става невъзможно. Наблюдава се размекване и пластично разрушаване на инструменталния материал. Влошават се якостните характеристики и се намалява животът на инструмента.
• Вибрации в зоната на рязане. Широко използваните твърди сплави са крехък материал, който има повишена склонност към разрушаване при продължително действие на вибрации.
• Голяма сила на триене в зоната на рязане, която води до бързо износване на работните повърхнини на инструмента и същевременно способства за увеличаване на топлообразуването.
• Вторично рязане на стружката. Горещата и тънка стружка се закалява в средата на околния въздух и става по-твърда от обработвания материал. Попаднала отново в зоната на работа на инструмента, тя се подлага на вторично рязане, при което режещият ръб получава значително по-големи натоварвания и може да се разруши.
• Приваряване на стружката към обработената повърхнина. Изхвърляните от инструмента стружки са с малко сечение и много горещи, което създава условия за приваряването им към вече обработената повърхнина, което влошава гладкостта й.
• Приваряване на стружката към инструмента. Горещата стружка се приварява и към стружкоотвеждащите канали на инструмента, като създава препятствие за придвижването на стружковия поток. Така се създават застойни зони, които представляват особена опасност при пробиването на дълбоки отвори. Нарастващият обем на стружката увеличава триенето между инструмента и заготовката и при надхвърляне на напрежението на якост на инструменталния материал инструментът се чупи.
• Образуване на наслойка. При определена температура и налягане между инструмента и стружката се създават условия за нарастване на адхезионните сили и образуване на наслойка върху предната повърхнина на инструмента. Наслойката променя фактическата стойност на главния преден ъгъл и влошава процеса на рязане. При нейното периодично разрушаване (няколко хиляди цикъла в минута) тази стойност варира, което променя дълбочината на рязане и обработената повърхнина получава допълнителна грапавост. Периодичното откъсване на наслойката предизвиква вибрации, съкращаващи трайността на инструмента.

Изисквания към покритията
За предпазването на основния инструментален материал от вредните въздействия на високоскоростната суха и квазисуха обработка се използват покрития, които притежават свойства, съобразени със спецификата на този вид обработване.

Покритията трябва да отговарят на следните изисквания:
• Микротвърдост, значително по-голяма от тази на инструменталния материал.
• Якост и жилавост - за запазване на целостта на инструмента в условията на променливо и ударно натоварване и срещу пукнатинообразуване.
• Топлинна устойчивост - за запазване на якостта и микротвърдостта в целия диапазон на изменение на температурата в процеса на рязане, постигане на по-високи скорости на рязане и възможност за обработване на по-твърди материали.
• Нисък коефициент на триене и отсъствие на адхезия с обработвания материал в целия температурен диапазон.
• Ниска топлопроводност с цел предотвратяване на пренасянето на топлина в инструменталния материал.
• Нисък коефициент на топлинно разширение, който да не предизвиква размерни промени, влошаващи точността на обработката.
• Висока гладкост и постоянна дебелина на слоя.
• Висока износоустойчивост. Запазването на основните физико-механични свойства с течение на времето в значителна степен се гарантира от отсъствието на остатъчни напрежения, високата степен на адхезия с инструменталния материал, химическата и корозионната устойчивост и инертност на материала на покритието спрямо материала на заготовката в условията на рязане и отсъствие на склонност към образуване на крехки вторични съединения.
• Малка дебелина, която да не променя геометрията на режещата част на инструмента при чистата и финишната обработка.
• Достатъчно голяма дебелина за запазване на покритието при извършване на груби обработки.
• Висока якост на връзката на покритието с основния инструментален материал - за избягване на отслояването му при големи натоварвания.
• Икономически показатели, гарантиращи минимален дял на покритието във формирането на себестойността на произвеждания детайл.

Методи за нанасяне
В практиката съществува голямо разнообразие от методи за нанасяне на покрития върху режещите инструменти - химически, метализационни, електрофизични методи, а също така различни нанотехнологии за фино нанасяне.

Широко разпространение в практиката имат вакуумните методи: на химическото изпарение CVD (Chemical Vapor Deposition) и физическото изпарение PVD (Physical Vapor Deposition). Общото между тях е наличието на работна камера, която създава необходимите условия материалът на покритието постепенно да се наслоява върху работните повърхнини на инструмента.

Различието се състои в природата на превръщането на материала на покритието в подходяща за транспортиране парогазова фаза, транспортирането и кондензирането му върху повърхнините на инструмента.

Методите CVD и PVD са подходящи за нанасяне на покрития главно върху твърдосплавни инструменти, работещи в условията на непрекъснато получисто и чисто (CVD) и прекъснато с леки ударни натоварвания (PVD) високоскоростно рязане на чугуни, стомани, цветни сплави.

Материали за покритията
Като материали за покритията се използват предимно титанов карбид TiC, титанов нитрид TiN и титанов карбонитрид TiCN. Поради специфичните си качества широко приложение намират алуминиевият оксид Al2O3, диамантът и др.

Класификация на покритията
Покритията се подразделят на:
• едноелементни, включващи съединения на един елемент, например, титанов карбид TiC и титанов нитрид TiN;
• многоелементни, изградени от съединенията на два или повече елемента, например титан-хромов нитрид (Ti-Cr)N;
• многокомпонентни, представляващи смеси от две или повече съединения на един елемент, например, титанов карбонитрид TiCN;
• композиционни, съдържащи смеси на две или повече съединения на два или повече елемента, например TiC-Al2O3-TiN (титанов карбид-алуминиев оксид-титанов нитрид).

В зависимост от броя на слоевете покритията могат да бъдат еднослойни и многослойни. В зависимост от дебелината на слоя - с нормална микроструктура (с дебелина на слоя над 100 нанометра) и с наноструктура (с дебелина на слоя до 100 нанометра).

В зависимост от дебелината на покритието като цяло - дебели, средни и тънки. Дебелите покрития са с размери над 50 микрометра и се използват при щампи, щанци и други формообразуващи инструменти. Средните (15-50 микрометра) са предназначени за грубо и получисто рязане. Тънките покрития (до 15 микрометра) са подходящи за инструменти, извършващи чиста и финишна обработка.

Съвременните покрития, независимо от дебелината, се изготвят многослойни. Многослойните покрития имат по-висока якост на огъване, което ги прави подходящи за прекъснато рязане. Притежават също така увеличено съпротивление срещу образуване на пукнатини.

При еднослойните покрития пукнатината възниква в повърхностния слой и се развива в напречното сечение, докато не го пресече изцяло. При многослойните границата между два слоя е своеобразно препятствие за развитието на пукнатината. Еднослойното дебело покритие има по-слаба адхезия към инструменталния материал и може да се отдели по време на работа.

Получените чрез вакуумни методи покрития имат примерно до 20 слоя при обща дебелина на покритието до няколко микрометра. Получените чрез нанотехнология могат да съдържат 200 и повече слоя при същата дебелина. Покритията с наноструктура имат подобрение в целия спектър на физико-механичните свойства.

Титан-алуминиев нитрид TiAlN
Титан-алуминиевият нитрид TiAlN е двуелементно покритие и е най-често използваният материал за покрития на инструменти, предназначени за суха и квазисуха високоскоростна обработка. Нанася се по метода PVD.

Единият градивен елемент на покритието - титановият нитрид TiN - се отличава с висока якост и твърдост и добра адхезия с инструменталния материал. Ниската му топлопроводност е благоприятно свойство за изграждане на защитна бариера, която предпазва инструменталния материал от действието на високата температура.

Свойствата на TiN се допълват по уникален начин от присъствието на другия елемент - алуминия Al. Високата температура в зоната на рязане води до свързване на Al с атмосферния кислород и образуване на Al2O3. Алуминиевият оксид Al2O3 има много висока твърдост, ниска топлопроводност и нисък коефициент на триене със стружката.

По същество Al2O3 изпълнява функцията на твърдо мажещо вещество. Благодарение на това стружката не полепва към инструмента и по-бързо напуска зоната на рязане без да предава топлината към инструмента и без да създава условия за задръстване.

В резултат на съвместното действие на титана Ti и алуминия Al, физико-механичните свойства на покритието са много подходящи за суха и квазисуха високоскоростна обработка. Ако такъв инструмент се използва при обилно впръскване, течността понижава температурата в зоната на работа на покритието и не позволява да се развият основните му свойства, което прави прилагането му нецелесъобразно.

Алуминий-титан-силициев нитрид AlTiSiN и подобни
За обработване на материали с висока твърдост е подходящо покритието AlTiSiN, в което към AlTiN са добавени атоми от силиций Si. За повишаване на микротвърдостта и намаляване на коефициента на триене се използва алуминий-хромов нитрид AlCrN.

При него на повърхността се образува алуминиев оксид Al2O3, а под него хромът Cr създава собствен оксиден филм, стабилен при висока температура. Покритието с титан-хромов нитрид TiCrN работи добре при високи температури и има много добро съпротивление срещу окисляване.

Композиционни многослойни покрития
За изпълнение едновременно на по-голям брой изисквания се прилагат композиционни многослойни покрития, изградени на базата на смесите на две или повече съединения на два или повече елемента.

Например, за фрезов инструмент, работещ при прекъснато рязане и ударни натоварвания, се използват композиционни покрития, съставени от редуващи се слоеве с различни свойства - по-меките слоеве увеличават еластичността на покритието.

Титан-алуминиев нитрид TiAlN с молибденов дисулфид MoS2 - долният слой е титан-алуминиев нитрид TiAlN, който осигурява връзката с инструменталния материал и дава основните физико-механични свойства на покритието. Горният слой се състои от мекия и хлъзгав молибденов дисулфид MoS2, който се нанася чрез PVD върху титан-алуминиевия нитрид TiAlN.

Предназначението на молибденовия дисулфид MoS2 е да намали коефициента на триене с обработваемия материал и се определя като “сухо покритие, съдържащо смазка”. Предпазва от образуване на наслойка, адхезия и натрупване на стружка в каналите на инструмента.

Запазва свойствата си при големи натоварвания. Прилага се при метчици и свредла за дълбоко пробиване и обработване на отвори с малки диаметри в алуминий и алуминиеви сплави, легирани стомани и др.

Титанов карбонитрид TiCN, алуминиев диоксид Al2O3, титанов нитрид TiN - за осигуряване на висока абразивна износоустойчивост, много добра връзка с инструменталния материал и действена защита срещу повишеното топлообразуване се използва покритието, състоящо се от: титанов карбонитрид TiCN - с висока абразивна устойчивост и висока адхезия към карбида; алуминиев диоксид Al2O3 – за защита от действието на високата температура; титанов нитрид TiN - основно за индикиране на момента на износване на покритието чрез изчезването на характерния златист цвят на TiN.

Покритието се отличава с висока адхезия към инструменталния материал, висока твърдост и ударна жилавост, нисък коефициент на триене с обработвания материал, износоустойчивост. Трайността на инструмента се повишава 4-6 пъти. Предназначено е за обработване на широк спектър от материали като чугун, а също така на съдържащи никел легирани и неръждаеми стомани.

Титанов карбид TiC и борови съединения - това са едни от новоразработените покрития, специално предназначени за работа при висока температура и високи скорости на рязане - боров нитрид BN, боров карбонитрид BCN, титан-боров нитрид TiBN. С нисък коефициент на триене и много добра адхезия към инструменталния материал е покритието TiC+TiB2 (титанов карбид+титанов борид).

Покритие от диамант
Диамантът като покритие се разглежда в две форми - “грапав” и “гладък”. Предпочита се “гладкият”, тъй като може да се нанася успешно върху остри режещи ръбове. Размерите на кристалното му зърно са 10-20 нанометра (докато при “грапавия” са 1000-5000 нанометра), което позволява да се запази идеалната режеща геометрия на инструмента.

За нанасяне се използва изкуствен поликристален диамант, който има всички предимства на естествения - изключително висока микротвърдост, якост, корозионна устойчивост, нисък коефициент на триене. Инструментите с диамантно покритие се използват за фино високоскоростно обработване на цветни метали и неметали.

Покритието от диамант не е подходящо за обработване на чугун и стомана, тъй като при високи температури се разтваря в желязото Fe. Използването му повишава значително трайността на инструмента - 10 до 20 пъти в сравнение с непокрития.

Скоростта на рязане може да се увеличи до 2-3 пъти при запазване на трайността. Високата гладкост и малката дебелина на покритието позволяват то да се използва успешно за финишна обработка.

Високоскоростната обработка и в частност - високоскоростното фрезоване на сложен обемно-профилен формообразуващ инструмент от стомани с висока твърдост, заема все повече територии у нас.

Производствените халета са оборудвани с висококласни 5-осни обработващи центри, работещи с точен и производителен режещ инструмент, което е важна предпоставка за успешни резултати. Постепенно се оценяват предимствата на сухата и квазисухата обработка, а технологията с обилно впръскване на охлаждаща течност бележи бавно, но устойчиво отстъпление.

В хода на този процес машиностроителните фирмите все още не отдават нужното внимание на инструменталните покрития, не се търсят най-подходящите от тях за конкретиката на дадения технологичен процес, не се следят и внедряват новостите в областта.

Така се стига до непълно използване и дори до съкращаване на експлоатационния ресурс на инструмента, остава недоизползван обхватът от технически възможности, заложен в инструмента.

В заключение, безспорно е значението на инструменталните покрития за повишаване на точността, производителността и икономическите резултати от производство.

доц. д-р инж. Пламен Угринов

ЕКСКЛУЗИВНО

Top