Проблемы твердосплавных фрез
Проблемы любой фрезы — шероховатости, сколы, деформации от нагрузок и температуры. Цена проблемы вырастает в случае твердосплавной фрезы.
Твердосплавные фрезы используются на станках с ЧПУ. Станки с ЧПУ — это высокие скорости, высокие нагрузки, высокая точность. Твердосплавные фрезы выдерживают большие нагрузки и температуры, так как делаются из карбидов тугоплавких металлов: вольфрама, титана, тантала, хрома. Дополнительно в них могут быть добавлены никель или кобальт для укрепления кристаллической решётки сплава. Станок с ЧПУ может показать все свои возможности только при фрезеровании твердосплавными фрезами.
Специфические недостатки твердосплавных фрез:
- температуры выше 800°C могут снизить устойчивость твёрдого сплава — при высоких температурах сплав теряет прочность, фреза проще деформируется на изгиб;
- твердосплавные фрезы более хрупкие, чем фрезы из быстрорежущей стали — ударные нагрузки могут привести к сколам и порче фрезы;
- твердосплавные фрезы в разы дороже, чем фрезы из быстрорежущей стали — поэтому их износ и выкрашивание также стоит дороже.
Покрытия для твердосплавных фрез в разы устраняют эти недоставки: повышают теплоустойчивость фрезы, её износостойкость, сопротивляемость на изгиб, устойчивость к сколам и трещинам.
Как наносятся покрытия на твердосплавные фрезы
Мы все хотим увеличить устойчивость фрезы, но не хотим переплачивать за экзотические покрытия, нанесённые по сверхсложным технологиям. Твердосплавные фрезы отличаются точностью до нескольких микрон, поэтому толщина покрытия также должна измеряться в микронах и быть однородной по всей поверхности. Самые простые и дешёвые способы нанесения таких покрытий и являются самыми популярными.
Самые простые способы для получения нужного результата — это вакуумное напыление и химическое осаждение.
Вакуумное напыление (Physical Vapor Deposition, PVD) — покрытие, как результат конденсации на материале пара с частицами.
Химическое осаждение (Chemical Vapor Deposition, CVD) — покрытие, как результат химического взаимодействия материала с паром, содержащим частицы.
Похожие результаты позволяют получить некоторые технологии газотермического напыления, но они сложнее и дороже. Более простые и дешёвые технологии используются для фрез из быстрорежущей стали, так как требования по точности и стойкости для них гораздо меньше. Вакуумное напыление и химическое осаждение являются самыми простыми технологиями для нанесения на твердосплавные фрезы однородных покрытий в несколько микрон толщиной.
Какими бывают покрытия для твердосплавных фрез
Вакуумным напылением на твердосплавную фрезу наносят алмазоподобные покрытия (DLC). Химическим осаждением наносят покрытия из нитридов (TiN, TiAlN, AlTiN, AlTiSiN, CrN и их производные).
Алмазоподобные покрытия (Diamond Like Carbon, DLC) увеличивают износостойкость фрезы. Толщина алмазоподобного покрытия в 1 микрон увеличивает срок службы фрезы от 1-й недели до года. Толщина покрытия в 2 микрона увеличивает срок службы фрезы от 2-х до 85-ти лет. — Journal of Vacuum Science & Technology B
Покрытия из нитридов (TiAlN, AlTiN, CrN и их производные) увеличивают термостойкость и износостойкость твердосплавной фрезы, упрочняют её на изгиб и сколы.
Самые впечатляющие характеристики алмазоподобных покрытий — это износостойкость и низкий коэффициент трения. При этом твёрдость и термостойкость покрытия характеристики инструмента увеличивают не так значительно. Нитридные покрытия дают более высокие показатели твёрдости и термостойкости, но и более высокий коэффициент трения.
Сравним характеристики популярных покрытий для фрез
Основные характеристики покрытий:
- Твёрдость — это то, насколько материал может сопротивляться давлению извне. В приведённой ниже таблице мы рассматриваем микротвёрдость по Виккерсу. Метод Виккерса заключается во вдавливании в материал 4х-гранной пирамиды. Чем выше нужно давление, чтобы повредить материал, тем больше твёрдость. Чем больше твёрдость материала, тем выше его прочность на изгиб и устойчивость к сколам.
- Коэффициент трения — показывает, сколько процентов от силы давления теряется из-за трения. Например, для коэффициента 0,1 — 10% силы давления теряется из-за трения, для коэффициента 0,9 — 90%. Чем выше коэффициент трения, тем быстрее изнашивается покрытие, тем выше температура в точке обработки. Для приведённых в таблице ниже покрытий коэффициент твёрдости рассчитывался при сухом резании углеродистой стали. При использовании СОЖ коэффициент будет гораздо ниже.
- Термостойкость — максимальная температура, при которой фреза с данным покрытием работает, не деформируясь и не теряя режущих свойств.
- Износостойкость — сравнительная сборная характеристика при работе в указанных температурных границах. Включает в себя твёрдость, коэффициент трения, теплопроводность, расчёт абразивного и адгезионного изнашивания.
Таблица #1: "Сравнение основных характеристик покрытий твердосплавных фрез"
Покрытие Твёрдость Коэффициент трения Термостойкость Износостойкость
DLC
1 200 ~0,1 250°C +++++
CrN
1 750 ~0,5 700°C ++
TiN
2 300 ~0,4 600°C +++
TiAlN
3 300 ~0,25 900°C ++++
TiAlSiN
3 500 ~0,45 900°C +++
AlTiN
3 600 ~0,3 900°C ++++
Разница между основными характеристиками значительна. У каждой из них есть дополнительные особенности, которые мы рассмотрим ниже.
Подробнее о популярных покрытиях твердосплавных фрез
- TiN — нитрид титана. Однослойное покрытие, дешёвое и универсальное. В настоящее время является наиболее распространённым и популярным покрытием. По сравнению с другими покрытиями не всегда обеспечивает максимальную стойкость. По причине химического сродства не рекомендуется для обработки титана.
- DLC — алмазоподобное покрытие. Это высокоуглеродистое покрытие снижает вероятность образования наклёпа при обработке абразивных алюминиевых сплавов. Позволяет получить точные размеры. Хорошее качество обработанной поверхности. Коэффициент износостойкости при абразивном износе в 13-20 раз выше в сравнении с быстрорежущей. Пористость покрытия — менее 0,5%, что делает его использование целесообразным для коррозийной защиты.
- CrN — нитрид хрома. Снижает вероятность налипания при обработке медных и алюминиевых сплавов, аналогично твёрдому хромовому покрытию. Однако твёрдость нитрида хрома выше на 650 HV, поэтому он отличается более высокой износостойкостью при обработке абразивосодержащих материалов.
- TiAlN — нитрид титан-алюминия. Теплостойкое. Специальное покрытие для обработки абразивных материалов (чугуны, алюминиевые и кремниевые сплавы) и/или при температурных нагрузках. Для обработки без СОЖ или с ограниченным использованием СОЖ. Для обработки глубоких отверстий или отверстий малых диаметров. Особенно увеличивается производительность фрезы с таким покрытием при работе на высоких режимах резания.
- TiAlSiN — нитрид титан-алюминий-кремния. Высокотвёрдое, теплостойкое многослойное покрытие, специально разработанное для обработки высокопрочных материалов, таких как закалённые стали и чугуны.
- AlTiN — нитрид алюминий-титана. Высокая теплоустойчивость, очень хорошая стойкость к оксидированию и отличная адгезия покрытия. Хорошо подходит для высокоскоростной обработки. Очень хорошо подходит для обработки нержавеющих сталей.
Наши рекомендации по твердосплавным фрезам
