Artykuł zawiera analizę wpływu rodzaju powłoki PVD narzędzi na wartości składowych siły skrawania oraz stopień zużycia narzędzia podczas frezowania stali 316L.
Fot. iStockZ artykułu dowiesz się:
- czym charakteryzuje się stal 316L,
- jakie są podstawowe typy i formy zużycia narzędzia skrawającego,
- jak powłoka PVD wpływa na zużycie frezu podczas obróbki stali nierdzewnej 316L i który jej rodzaj daje najlepsze efekty pod kątem minimalizacji sił skrawania i zużycia narzędzia.
Analiza wpływu rodzaju powłoki PVD
Celem pracy była analiza wpływu rodzaju powłoki PVD narzędzi na wartości składowych siły skrawania oraz stopień zużycia narzędzia podczas frezowania stali 316L. Do badań wykorzystano frezy walcowo-czołowe z czterema różnymi powłokami PVD: Alnova, M-Force, nACo oraz TiXCo3. Pomiar składowych siły skrawania Fx, Fy i Fz prowadzono z zastosowaniem piezoelektrycznego siłomierza Kistler 9257B. Otrzymane wyniki pozwoliły na określenie wpływu rodzaju powłoki na zachowanie narzędzia podczas obróbki, w tym również jego zużycie. Najlepsze adekwatności wykazała powłoka TiXCo3, charakteryzująca się najniższym zużyciem i najlepszą stabilnością pracy.
Wprowadzenie
Dzięki ciągłemu doskonaleniu technologii wytwarzania półfabrykatów, rozwojowi materiałów narzędziowych oraz nowoczesnych maszyn wytwórczych, obróbka na sucho staje się coraz bardziej pożądaną metodą produkcji. Zarówno pod względem ekologicznym, jak i ekonomicznym. Eliminacja cieczy obróbkowych zmniejsza koszty produkcji oraz ma istotny wpływ na ochronę środowiska [1]. Obróbka na sucho posiada wiele zalet, ale wiąże się również z pewnymi wyzwaniami. Obróbka na sucho ma wiele zalet. Jedną z nich jest czystość powierzchni obrabianych. Kolejną – niższe koszty recyklingu wiórów, dzięki braku olejowych zanieczyszczeń [2]. Obróbka ta pozwala też ograniczyć wydatki na ciecze obróbcze. Aby w pełni wykorzystać jej potencjał, potrzebne są dalsze badania. Ich celem jest zmniejszenie zużycia narzędzi skrawających [3].
Stale nierdzewne to wysokostopowe stale. Charakteryzują się wyjątkową odpornością na korozję. Dzięki temu są kluczowym materiałem konstrukcyjnym. Wykorzystuje się je w wielu wymagających zastosowaniach przemysłowych. Odporność na korozję zawdzięczają zawartości chromu. Zwykle jest go więcej niż 10,5%. Chrom tworzy pasywną warstwę tlenku. Warstwa ta chroni powierzchnię stali przed czynnikami korozyjnymi [4].
Stale nierdzewne dzieli się na kilka grup. Podział ten zależy od składu chemicznego i struktury krystalicznej. Wyróżnia się stale ferrytyczne, martenzytyczne, austenityczne, duplex i utwardzane wydzieleniowo. Jedną z najczęściej stosowanych jest stal austenityczna AISI 316L. Jest ona przedmiotem niniejszego badania. Cechuje się wysoką odpornością na korozję. Ma też dużą plastyczność i dobrą spawalność. Zawartość molibdenu (ok. 2-3%) zwiększa odporność tej stali na korozję wżerową i szczelinową w środowiskach zawierających chlorki [5].
Stal 316L znajduje szerokie zastosowanie m.in. w przemyśle chemicznym, spożywczym, farmaceutycznym, medycynie (np. implanty, narzędzia chirurgiczne), energetyce oraz przemyśle morskim. Mimo wielu zalet, jej niewielka przewodność cieplna, wysoka ciągliwość i tendencja do tworzenia narostów na krawędziach tnących sprawiają, iż zaliczana jest do materiałów trudnoobrabialnych. Te adekwatności prowadzą do intensywnego nagrzewania narzędzia, jego przyspieszonego zużycia i pogorszenia jakości obrabianej powierzchni. W celu zwiększenia efektywności procesu skrawania oraz trwałości narzędzi powszechnie stosuje się powłoki nanoszone metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej (ang. physical vapour deposition, PVD) [5-6].
Dlatego optymalizacja procesu obróbki tej stali, m.in. poprzez dobór odpowiednich powłok narzędziowych, jest kluczowa dla zapewnienia efektywności i jakości procesu skrawania [7].
Powłoki PVD tworzą cienką, twardą i odporną na ścieranie warstwę, która pełni kilka istotnych funkcji: zmniejsza tarcie między narzędziem a materiałem, ogranicza przywieranie wiórów do ostrza, poprawia odporność termiczną i chemiczną narzędzia, a także redukuje zużycie krawędzi tnącej. W przypadku obróbki stali nierdzewnych szczególnie istotne jest, aby powłoka wykazywała wysoką twardość, niski współczynnik tarcia i dobrą odporność na utlenianie w podwyższonej temperaturze.
Do najczęściej stosowanych powłok PVD należą warstwy oparte na związkach TiN, TiAlN, AlCrN, CrN, a także powłoki wielowarstwowe oraz kompozytowe, wzbogacane o związki takie jak SiN, TiBN czy AlTiN, które dodatkowo poprawiają adekwatności tribologiczne i termiczne. Odpowiednio dobrana powłoka może znacząco wydłużyć czas życia narzędzia, poprawić stabilność procesu i zwiększyć jakość obrabianej powierzchni, szczególnie w warunkach ograniczonego chłodzenia, jak np. frezowanie z użyciem powietrza [8-12].
