Інженер допоможе - Види покриттів та твердих сплавів для різального інструменту
Розвиток обробки металів показало, що одним із ефективних шляхів збільшення продуктивності є застосування нових інструментальних матеріалів.
Покриття ріжучого інструменту має збільшувати:
- твердість, щоб протягом тривалого часу зберігати ріжучі властивості інструмента;
- здатність зберігати необхідну твердість при різанні мітла;
В даний час приблизно 75% у світі ріжучого інструменту виготовляється із твердого сплаву.
Якісно новий ривок виготовлення різального інструменту пов'язаний із відкриттям наприкінці минулого століття іонноплазмових технологій нанесення зносостійких покриттів. У світі технології зміцнення представлені двома методами: метод хімічного осадження (Chemical Vapour Deposition — CVD) та метод фізичного осадження покриттів (Physical Vapour Deposition — PVD). В Україні широке промислове застосування отримали PVD-способи нанесення захисних покриттів на ріжучий інструмент. Це з тим, що технології CVD припускають використання дорогих високочистих хімічних реагентів (TiCl4, NH3 та інших.) і точний контроль продуктів хімічних реакцій у робочій камері. А нанесення PVD-покриттів за допомогою дугового або тліючого розряду (магнетрону) має більшу продуктивність і не настільки чутливе до незначних відхилень технологічних параметрів.
Різноманітність застосовуваних в даний час способів фізичного осадження зносостійких покриттів зводиться до випаровування або іонного розпилення титану або його сплавів, іонізація та гетерогенна реакція на поверхні інструменту атомів та іонів металу та реакційного газу, що призводить до формування нітридних, карбідних,карбонітридних.
Структуру і адгезію покриття інструменту, а також їх ріжучі властивості визначає багато параметрів: підвищення ступеня іонізації, швидкості і щільності потоку напилюваних частинок, оптимізація температури нанесення покриттів, застосування іонної очистки підкладки, прискорювальних напруг, різні режими нанесення, конфігурація технологічної попереднього іонного травлення або легування та багато інших особливостей визначають структуру самих покриттів та будову міжфазного кордону «покриття — підкладка».
На початку 80-х років минулого століття почали застосовуватись і відразу ж продемонстрували економічну ефективність покриття TiN. Наступним кроком було створення двох шарових покриттів, що складаються з послідовно нанесених шарів карбіду титану TiC або карбонітриду титану TiCN і тонкого шару поверхневого оксиду алюмінію Al2O3.
Альтернативним варіантом були багатошарові покриття типу TiCTiCNTiN. Слід зазначити, що поняття «багатошарові» у багатьох випадках досить умовне, оскільки методи напилення дозволяють досягти відсутності чітко виражених міжфазних меж між шарами, а також між покриттям та підкладкою. Багатошарові зносостійкі тверді покриття мають підвищену тріщиностійкість, поліпшену адгезію, високу ударну міцність, менший рівень внутрішньої напруги і напруги на межі «покриття — підкладка» внаслідок вирівнювання коефіцієнтів термічного розширення. Наприклад, покриття TiCN має багатошарову двофазну структуру TiN–TiCN, що збільшує характеристики міцності та в'язкісні порівняно з покриттям TiN.
В останнє десятиліття розроблені та широко застосовуються різні комбінації покриттів із застосуванням тонких зовнішніх твердозмащувальних покриттів.(наприклад, TiAlN/MoS2), які забезпечують хороше відведення стружки . Низьким коефіцієнтом тертя і високою зносостійкістю володіють високотверді алмазоподібні покриття (diamondlike carbon coatings - DLC). Однак у них є серйозний недолік: дуже високий рівень внутрішньої напруги, що призводить до крихкості і відшаровування при високих контактних навантаженнях, що обмежує товщину покриттів до 1 мкм. Ще одна проблема такого покриття — низька теплопровідність, яка може призводити до їхньої локальної графітизації з подальшим вимиванням. Верхня робоча температурна межа обмежена 250 °C, і потрібно застосування змащувальних охолоджуючих рідин (СОЖ). Покриття кубічного нітриду бору (CBN) також мають високий рівень внутрішньої напруги і товщину покриття не більше 0,1 мкм.
У разі конкуренції підприємства змушені постійно вдосконалювати свої технологічні процеси у сфері зниження трудомісткості, поліпшення якості та підвищення ефективності використання устаткування.
При обробці різанням максимальна ефективність досягається при інтегрованому використанні високотехнологічного обладнання, оснащеного ЧПУ, та сучасного металорізального інструменту, що забезпечує вищі швидкості різання та продуктивність.
Найбільш універсальна група різальних матеріалів, що дозволяють проводити обробку переважної більшості металевих та неметалічних матеріалів. Твердосплавний інструмент призначений для роботи зі швидкостями різання до 300 м/хв (свердла 50-70 м/хв, новітні розробки до 90-180 м/хв); використовується, в основному, на верстатах закордонних виробників із частотою обертання шпинделя в середньому до 10000 об/хв. Для поліпшення властивостей (збільшення твердості, зменшення радіусу заокругленняріжучої кромки і, як наслідок, збільшення стійкості роботи інструменту) виробники прагнуть зменшення зерна сплавів.
Виробники пропонують широку гаму виконань геометрій для обробки будь-яких металевих матеріалів. Із закордонних постачальників в Україні працюють: Sandvik Coromant, Iskar, Wolf, Seco, Mitsubishi, Walter, Korloy, Kennametal, Dormer.
Серед українських виробників слід відзначити ТОВ «СКІФ – М» (Білгород) – розробник та виробник фрез зі змінними ріжучими пластинами з твердого сплаву та ВАТ «Серпухівський інструментальний завод «Твінтос». Завод «Твінтос» також здійснив оригінальні розробки конструкцій фрез, програмного забезпечення та виготовляє фрези методом вишліфування із твердосплавних заготовок зарубіжних виробників.
Одним з недоліків практично всіх перерахованих постачальників є відсутність послуг з переточування цілісних твердосплавних фрез та утилізації твердосплавних пластин та робочих частин фрез. Слід також зауважити, що всі ці постачальники орієнтовані, перш за все, на продаж інструменту для нового, сучасного обладнання, а роботи з підбору твердосплавного інструменту з ШМД для обладнання вітчизняного виробництва ведуться вкрай неохоче.
При сухій обробці добре зарекомендувало себе покриття TiAlN. Це покриття дозволяє покращити адгезію, підвищити ударну міцність, знизити коефіцієнт тертя, мають підвищену тріщиностійкість.
У той же час покриття збільшують радіус заокруглення ріжучої кромки, що несприятливо позначається, наприклад, при знятті невеликого припуску.
Деякі покриття характеризуються високими внутрішніми напругами, що призводять до відшаровування покриттів. Найбільш застосовні покриття на непереточуванихінструментах і пластинах, т.к.при переточуванні покриття на ділянках, що заточуються, повністю руйнуються.
В Україні нанесенням покриттів займається ТОВ «Технологічні покриття» (Москва), ТОВ НВФ «Елан Практик» (Нижній Новгород).
Основні види покриттів PVD (характеризуються товщиною 1-3,5 мкм, тому застосовуються для ріжучих кромок з маленьким радіусом заокруглення, що дозволяють знизити сили різання, поліпшити стружкодроблення, запобігти вібрації) і CVD-покриття з товщиною до 20 мкм (Al2O3). Основна різниця між цими покриттями полягає у способі нанесення: для PVD покриття (400–500оС) застосовується фізичне осадження, для CVD (1000–1100оС) – хімічне.
Ударне механічне руйнування інструменту також несприятливо позначається роботі покриттів, тому їх ефективність може знижуватися під час використання недосконалого устаткування.
Крім зносостійких покриттів (найпоширеніші нітридні TiAlN, TiAlCrN, TiN) використовуються твердозмащувальні покриття, що мають дуже низький коефіцієнт тертя і забезпечують зниження сил різання та видалення стружки (TiO2, WO3V2O5).
Інструмент з твердосплавними напайними пластинами, або зі змінними твердосплавними ножами для торцевих фрез, найбільш поширений в Україні. Його переваги: простота, низька вартість. Основний недолік - низька продуктивність, необхідність якісного заточування. Швидкість різання рідко перевищує 100 м/хв.
Тверді сплави із покриттям CVD
Надійний контакт покриття з високоміцною основою. Перешкода утворенню наросту та висока зносостійкість. Оптимальний вибір для чорнової обробки нержавіючих сталей Висока ефективність обробки низьковуглецевих та конструкційних сталей. Висока стійкістьпри обробці важкооброблюваних матеріалів.
Тверді сплави без покриття
Твердими сплавами є інструментальні матеріали, отримані методом порошкової металургії, в основі яких лежить карбід вольфраму, титану, танталу із застосуванням кобальтової зв'язки (TaC, TiC, WC і Cо). Вакуумне спікання покращує фізичні характеристики (міцність, зносостійкість, теплостійкість тощо) матеріалів та розширює сферу їх застосування. Переваги Широка номенклатура марок сплаву для груп Р,М,К. Стійкість до утворення термотріщин. Можливість виготовлення СМП з високим ступенем точності геометричних розмірів.
Тверді сплави із покриттям РVD
Висока ефективність обробки чавунів, вуглецевих, нержавіючих та жароміцних сталей. Дрібнозерниста структура основи має високу твердість і ударну в'язкість, яка перешкоджає фарбуванню і підвищує міцність ріжучої кромки. Удосконалена технологія РVD покриття забезпечує високу твердість і перешкоджає окисному зносу при високих температурах.
Ультра-дрібнозернистий твердий сплав
Ультра-дрібнозернистий твердий сплав має більш високу механічну міцність у порівнянні з твердим сплавом, що має середній розмір зерна. Це дозволяє суттєво підвищувати швидкість різання.
Тверді сплави з алмазним покриттям
Збільшується стійкість інструменту на 150%. Знижується коефіцієнт тертя між стружкою та передньою поверхнею ШМД покриття (
10 мікрон) зменшує нагрівання пластини. Зменшується наростоутворення покращується якість оброблюваної поверхні.
Тверді сплави із покриттям DLC
Низький коефіцієнт тертя по передній поверхні ( Забезпечення високої стійкості при обробці кольорових металів Застосовується для обробки алюмінію, пластику, деревини Покриття використовується для токарних ШМД, свердлів та кінцевих фрез.
