Покрытие повышает эффективность всех видов режущих инструментов и значительно продлевает срок их службы. Изображение предоставлено Tool Alliance

Покрытие повышает эффективность всех видов режущих инструментов и значительно продлевает срок их службы. Изображение предоставлено Tool Alliance

Всем, кто знаком с механической обработкой, известно, что покрытия, нанесенные методом химического (CVD) и физического (PVD) осаждения, способствуют большей производительности режущих инструментов и значительно продлевают срок их службы. Вместе с тем относительно толстое покрытие в 5 мкм, позволяющее полудюймовой концевой фрезе успешно справляться с инконелем, может оказаться практически бесполезным для инструмента диаметром меньше 1 мм. Более того, такое толстое покрытие микроинструмента может существенно снизить его эффективность или вовсе разрушить хрупкие кромки резца.

Управляемый заряд

Джон Форрест (John Forrest), вице-президент по продажам в компании Tool Alliance Inc. (Хантингтон-Бич, штат Калифорния, США) отметил, что возможности для покрытия микроинструментов зачастую ограничены. Связано это с тем, что традиционные покрытия, получаемые путем химического осаждения из газовой фазы (CVD), такие как карбид титана (TiC), наносятся с помощью специальных нагревающих инструментов при температуре 1000 °C или более. Затем они помещаются в среду, обогащенную тетрахлоридом титана, метаном и азотом. Эта смесь вступает в реакцию с твердосплавной основой, в результате чего получается достаточно прочное покрытие, настолько толстое, что само по себе притупляет острые кромки миниатюрных резцов и режущих пластин.

По словам Форреста, концевые фрезы и сверла диаметром до 0,5 мм имеют преимущественно PVD-покрытия, наносимые путем электродугового напыления или катодного распыления. Большее предпочтение отдают последнему способу, поскольку он менее агрессивен и обеспечивает более гладкую поверхность, что весьма важно для небольших инструментов.

Как в случае электродугового напыления, так и при катодном распылении, режущие инструменты располагают на карусельном конвейере, заключенном в специальную камеру. Вокруг конвейера находятся мишени из наносимых материалов. Например, сочетание титан/нитрат алюминия используется для получения покрытий TiALN и AlTiN. Именно они наиболее востребованы при механической обработке деталей аэрокосмического и медицинского оборудования из высокопрочных сплавов.

По мере того как инструменты двигаются по конвейеру диаметром 90-120 см, на металлические мишени подается заряд электричества. Форрест отмечает, что процесс электродугового напыления сродни «управляемой молнии». Под воздействием дуги высокой мощности содержащийся в мишенях металл переходит из твердого в жидкое состояние, а затем становится ионизированным газом, который и распыляется на режущие инструменты аналогично краске в окрасочной камере.

Для сравнения: процесс катодного распыления состоит в том, что поток ионов вытесняет отдельные атомы из материала мишени, высвобождая их для взаимодействия с поверхностью инструмента во время вращения в напылительной камере. По мнению Форреста, этот способ отличается высокой адгезией и обеспечивает равномерную толщину покрытия.

Процесс очистки

Для того чтобы заряженные атомы и молекулы надежно закреплялись на поверхности, твердосплавная основа должна быть идеально чистой. Достичь этого можно в два этапа. На первом происходит физическая очистка инструмента от загрязнений, стружки и смазочно-охлаждающей жидкости, которые могли остаться после его заточки. На втором этапе инструменты помещают в напылительную камеру, в ней создают вакуум, а инструменты поддают ионному травлению, что очищает их на молекулярном уровне.

Результат электродугового напыления PVD-покрытия. Изображения предоставлены CemeCon

Результат электродугового напыления PVD-покрытия. Изображения предоставлены CemeCon

Бо Торп (Bo Torp), президент компании-производителя оборудования для нанесения покрытий Platit USA Inc. (Либертивилль, штат Иллинойс, США), утверждает, что именно этот этап обработки микроинструмента наиболее ответственен: «Процедура травления должна быть тщательно продуманной. Ведь в случае ошибки под действием высокоэнергетических ионов кромки миниатюрных режущих инструментов могут разрушиться».

Результат катодного распыления (2000-кратное увеличение). Обратите внимание на «большие» капли, сформированные в процессе мощного воздействия дуги, и на гладкую поверхность, образованную путем распыления. Изображения предоставлены CemeCon

Результат катодного распыления (2000-кратное увеличение). Обратите внимание на «большие» капли, сформированные в процессе мощного воздействия дуги, и на гладкую поверхность, образованную путем распыления. Изображения предоставлены CemeCon

По словам Торпа, толщина – еще один важный фактор, отличающий процесс покрытия микроинструментов от аналогичной процедуры для обычных резцов. Правильность нанесения покрытия определяется размером инструмента, его формой и особенностями геометрии, а также твердосплавной основой и, собственно, самим видом покрытия. В цехах для нанесения покрытий используются пакетные методы обработки, что позволяет работать с разными типами инструментов. В этом случае в одном и том же цикле покрытие наносится на большие и маленькие инструменты. Все, что нужно – это заполнить камеру соответствующим материалом и с максимальной выгодой использовать процесс обработки, длящийся от 8 до 10 часов.

Кроме того, Торп отмечает, что каждый процесс нанесения покрытия обладает индивидуальными преимуществами и недостатками, что особенно заметно в работе с инструментами размером 3 мм и менее. Так, основной недостаток в использовании электродугового напыления в работе с такими объектами заключается в образовании «больших» капель расплавленного материала, которые иногда отрываются от мишени и налипают на режущие инструменты, делая их поверхность шероховатой.

Компания Platit решила эту проблему с помощью вращения мишеней в самой камере. Благодаря этому энергия дуги распространяется по большей площади, капли ионизированного материала становятся более мелкими, обеспечивая гладкое покрытие поверхности.

Hardlox – покрытие от компании CemeCon, основанное на технологии HiPIMS (магнетронное распыление импульсами высокой мощности), рекомендовано для микроинструментов, предназначенных для обработки твердых материалов. Оно наносится очень тонкими слоями и обладает улучшенными адгезионными свойствами. Изображение предоставлено CemeCon

Hardlox – покрытие от компании CemeCon, основанное на технологии HiPIMS (магнетронное распыление импульсами высокой мощности), рекомендовано для микроинструментов, предназначенных для обработки твердых материалов. Оно наносится очень тонкими слоями и обладает улучшенными адгезионными свойствами. Изображение предоставлено CemeCon

«Этот способ позволяет использовать сразу несколько мишеней», – поясняет Торп. Например, чтобы получить покрытие AlTiN, специалисты Platit вместо одной гибридной мишени из смеси алюминия и титана используют две – каждый металл отдельно. Торп считает, что такой подход дает больше свободы, поскольку позволяет задавать пропорции титано-алюминиевого нитрида 50:50 или 67:33 без переналадки. Для этого нужно просто регулировать мощность заряда, подаваемого на мишени.

Размер имеет значение

Президент компании CemeCon Inc. Гэри Лейк (Gary Lake), представитель производителя оборудования и поставщика покрытий CemeCon AG (Вюрзелен, Германия) в Северной Америке, отмечает, что процесс оптимизации нанесения покрытия напрямую зависит от размера режущего инструмента и его назначения. Если не учесть этих факторов, то функциональность продукта будет не полной.

Лейк согласен с тем, что с механической точки зрения процесс нанесения покрытия одинаков для инструментов всех размеров, однако индивидуальный подход имеет решающее значение. «Микроинструменты не предназначены для длительного использования, поэтому не нуждаются в слишком толстом покрытии, – поясняет он. – Например, у резца диаметром 0,25 мм  со сверхострой кромкой не так много места для нанесения покрытия. Даже несколько лишних микронов для столь небольшого инструмента могут повлиять на его диаметр. Крайне важно учитывать условия эксплуатации, знать геометрию инструмента и возможные повреждения, такие как термодеструкция или образование нароста на режущей кромке. Исходя из этого, процесс нанесения покрытия можно адаптировать под конкретные требования, что и будет являться его оптимизацией. Тем не менее, каждый процесс в разной степени применим к тому или иному инструменту». К счастью для операторов микроинструментов, компании активно разрабатывают новые технологии и методики.

Руководитель CemeCon Inc. отмечает, что магнетронное распыление импульсами высокой мощности (HiPIMS) объединяет все лучше от электродугового напыления и катодного распыления. В HiPIMS применяется другой тип питания. Он генерирует ионы металла высокой энергии, как и электродуга, но процесс нанесения проходит более мягко, как при распылении, а покрытие получается чрезвычайно тонким, гладким и прочным. Эта технология еще не столь распространена в промышленности, но в скором времени она станет весьма востребованной.

Супертонкое покрытие для самых миниатюрных инструментов

В некоторых случаях наиболее сложным является не нанесение покрытия, а само производство микроинструмента. Так, производитель режущего инструмента Performance Micro Tool Inc. (Джейнсвилл, штат Висконсин, США) не наносит покрытие на свою продукцию, но это не мешает товарам компании претендовать на звание самых маленьких инструментов в мире. Например, она изготавливает концевые фрезы диаметром всего 5 мкм.

Концевая фреза диаметром 50 мкм в сравнении с лапкой муравья. Изображение предоставлено Performance Micro Tool

Концевая фреза диаметром 50 мкм в сравнении с лапкой муравья. Изображение предоставлено Performance Micro Tool

Президент Performance Micro Tool Дэйв Бертон (Dave Burton) отмечает, что количество ошибок при производстве шлифовального инструмента может быть обескураживающим: «При таких микроразмерах вся партия продукции может оказаться бракованной. Как правило, при изготовлении инструмента диаметром 5 мкм около 65 % товара оказывается испорченным. Для сравнения – для инструмента диаметров 25 мкм этот показатель составляет всего 2-3 %».

Уже при начальной обработке миниатюрного инструмента может случиться поломка, поэтому для его перемещения между производственными станциями используют роботов. Дополнительные риски возникают и в процессе нанесения покрытия. Инструмент нужно распаковать, разместить на конвейере, загрузить в камеру, а затем снова возвратить на станок. Соответственно, существенно увеличивается риск повредить инструмент задолго до его непосредственного применения.

По словам Бертона, нанесение покрытия – один из факторов высокой стоимости инструмента, однако в ряде случаев оно полностью оправдывает эти затраты.

Набор инструментов от NCD Technologies с алмазным покрытием NanoGrade CVD, которое, по словам производителя, обычно наносится толщиной 1-8 мкм. Изображение предоставлено NCD TECHNOLOGIES

Набор инструментов от NCD Technologies с алмазным покрытием NanoGrade CVD, которое, по словам производителя, обычно наносится толщиной 1-8 мкм. Изображение предоставлено NCD TECHNOLOGIES

Большинство миниатюрных инструментов Performance Micro Tool реализует для научных исследований, в которых алмазное или алмазоподобное углеродное покрытие становится все более востребованным. Бертон утверждает, что в некоторых случаях алмазное покрытие может вдвое увеличить срок эксплуатации инструмента.

Патрик Хини (Patrick Heaney), владелец NCD Technologies Inc. (Мэдисон, штат Висконсин, США), компании, специализирующейся на алмазном покрытии, согласен с этим утверждением. Он также утверждает, что процесс нанесения алмазного покрытия ничем не отличается от обычного химического осаждения из газовой фазы. Его компания использует CVD с горячей нитью. «Благодаря этому алмазное покрытие не распыляется, а будто вырастает на инструменте, не оставляя никаких видимых следов, как это бывает при других процессах. Использование горячей нити (2000 °C) приводит к диссоциации газов, что позволяет достичь правильного соотношения углеводородных радикалов. Последние обволакивают инструмент, образуя на нем алмазное покрытие. Для сравнения: алмазоподобное углеродное покрытие наносится при комнатной температуре, но все же продолжает считаться CVD-процессом».

Не нужно обладать глубокими познаниями в химии, чтобы понять, что алмазное и алмазоподобное углеродное покрытие подходит для больших и малых инструментов, используемых с высокоабразивными материалами: композитами, керамикой и многими цветными металлами. Они весьма твердые и могут наноситься толщиной до 15 нм, хотя, по словам Хини, наиболее распространено покрытие 100 нм. В любом случае даже этот показатель куда меньше, чем обычная толщина покрытия при физическом осаждении.

«Кроме того, – отмечает Хини, – важно знать, насколько тонким может быть покрытие и как соблюсти баланс, позволяющий инструментам служить дольше без ущерба для их остроты и производительности».

Источник материала: перевод статьи
More finesse required to coat microtools than their macro counterparts
,
MICROmanufacturing

Автор статьи:
Кип Хэнсон,
промышленный консультант
и независимый автор



Понравилась статья? Поделитесь: