Die beste Beschichtung für Hochgeschwindigkeits-Trockenschneiden ist Stickstoff-Aluminium-Titan
Ein wesentlicher Grund, warum Kühlschmierstoffe heute oft nicht mehr notwendig sind, sind Beschichtungen. Sie mildern Temperaturschocks, indem sie die Wärmeübertragung von der Schneidzone zum Einsatz (Werkzeug) verhindern. Die Beschichtung wirkt wie eine Wärmebarriere, da sie eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der Werkzeuggrund- und Werkstückwerkstoff. Dadurch nehmen diese Werkzeuge weniger Wärme auf und halten höheren Schnitttemperaturen stand. Ob Drehen oder Fräsen, beschichtete Werkzeuge ermöglichen effizientere Schnittparameter, ohne die Standzeit zu verkürzen.
Die Beschichtungsdicke liegt zwischen 2 und 18 Mikron und spielt eine wichtige Rolle für die Werkzeugleistung. Dünnere Beschichtungen widerstehen Temperaturänderungen beim Schlagschneiden besser als dickere Beschichtungen, da dünnere Beschichtungen weniger Spannungen ausgesetzt sind und weniger anfällig für Risse sind. Bei schnellem Abkühlen und Erhitzen neigen dicke Beschichtungen dazu, zu zersplittern wie ein Glas, das sich sehr schnell erhitzt und abkühlt. Die Trockenzerspanung mit dünn beschichteten Wendeschneidplatten kann die Standzeit um bis zu 40 Prozent verlängern, weshalb bei der Beschichtung von Rundwerkzeugen und Fräswendeplatten häufig physikalische Beschichtungen zum Einsatz kommen. PVD-Beschichtungen werden tendenziell dünner aufgetragen als chemische Beschichtungen und haften stärker an der Kontur. Darüber hinaus können PVD-Beschichtungen bei viel niedrigeren Temperaturen auf Hartmetall abgeschieden werden, sodass sie eher für sehr scharfe Kanten und Fräs- und Drehwerkzeuge mit großem positivem Spanwinkel verwendet werden.
Obwohl das Beschichtungsmaterial Titannitrid ist, macht es 80 Prozent aller beschichteten Werkzeuge aus. Beim Hochgeschwindigkeits-Trockenschneiden ist die beste PVD-Beschichtung jedoch Titan-Aluminium-Nitrid (TiAlN), das beim Hochtemperatur-Dauerschneiden, wie beispielsweise beim Hochgeschwindigkeitsdrehen, Titannitrid um den Faktor vier übertrifft. Die TiAlN-Beschichtung übertrifft auch andere Beschichtungen für Werkzeuge unter höheren thermischen Belastungsbedingungen. Wie Trockenfräsen und Tieflochbohren von Löchern mit kleinem Durchmesser, wo Schneidflüssigkeiten schwer zu erreichen sind
TiAlN ist bei Schneidtemperaturen härter als TiN und thermisch stabil. PVD-Beschichtungen nutzen ihre Beständigkeit gegen chemischen Verschleiß. Es hat eine Härte von bis zu 3500 Grad Vickers und seine Betriebstemperatur beträgt bis zu 1470 Grad F. Materialwissenschaftler spekulieren, dass diese Eigenschaften amorphen Aluminiumoxidfilmen zugeschrieben werden können, die sich an der Schnittstelle zwischen Chip und Werkzeug bilden, wenn etwas Aluminium darin enthalten ist die Beschichtungsoberfläche oxidiert bei hohen Temperaturen.
Für diese Studie wurden bewusst ultradünne mehrschichtige PVD-Beschichtungen ausgewählt, und der Abscheidungsprozess erzeugt Beschichtungen, die aus Hunderten von Schichten bestehen, die jeweils nur wenige Nanometer dick sind. Bei der Abscheidung allgemeiner PVD-Schichten handelt es sich um nur wenige Mikrometer dicke Schichten.
Obwohl die PVD-Beschichtung viele Vorteile hat, ist die CVD-Beschichtung für die Bearbeitung der meisten Eisenmetalle immer noch beliebter. Beim CVD-Prozess trägt die höhere Abscheidungstemperatur zur Verbesserung der Bindungsfestigkeit bei und ermöglicht einen höheren Kobaltgehalt in der Matrix, so dass die Zähigkeit der Schneidkante gut ist und die Fähigkeit, plastischer Verformung zu widerstehen, verbessert wird. Aufgrund des CVD-Beschichtungsverhältnisses
CVD ist der Prozess der Abscheidung einer nützlichen Aluminiumoxidschicht auf dem Werkzeug, der hitze- und oxidationsbeständigsten bekannten Beschichtung. Aluminiumoxid ist ein schlechter Leiter, es isoliert das Werkzeug von der durch die Schneidverformung erzeugten Wärme und fördert den Wärmefluss in den Span. Dies ist ein ausgezeichnetes CVD-Beschichtungsmaterial, hauptsächlich für Hartmetall-Drehwerkzeuge, die in der Trockenbearbeitung verwendet werden. Es schützt auch das Substrat beim Hochgeschwindigkeitsschneiden und ist die beste Anti-Abrasions- und Kraterverschleißbeschichtung.
Beschichtete Wendeschneidplatten haben eine längere Standzeit und sind beim Trockenfräsen stabiler als beim Nassfräsen. Höhere Schnittgeschwindigkeiten erhöhen die Schnitttemperatur weiter. Zum Beispiel kann die Trockenbearbeitung von Gusseisen mit einer Schnittgeschwindigkeit von 14,000 U/min und 1.575 Zoll/min die Schneidzone vor dem Werkzeug auf 600 bis 700 Grad erhitzen. Das Zeitspanvolumen ist ähnlich wie beim Fräsen von Aluminium, während die entstehenden Temperaturen bei Gusseisen höher sind als bei herkömmlichen Werkzeugen.
Auswahl an Cermets, Keramik, CBN, PKD
Höhere Schnittgeschwindigkeiten erfordern verschleißfestere Schneidstoffe und eine höhere thermische Härte. Cermets, kubisches Bornitrid und zwei Keramiken, die für die Feinbearbeitung geeignet sind – Aluminiumoxid und Siliziumnitrid (der moderne Begriff „Keramik“ umfasst sowohl Aluminiumoxid als auch Siliziumnitrid, anstatt sich in der Vergangenheit nur auf Aluminiumoxid zu beziehen). Anwendungen werden immer beliebter. Polykristalliner Diamant ist ein weiteres Werkzeugmaterial, das beim Trockenschneiden verwendet wird. Bei all diesen Materialien haben sie eine höhere Rothärte und Verschleißfestigkeit, der Kompromiss ist eine größere Sprödigkeit.